劉光明 李鵬舉 徐 彬 崔利鵬 王寧鉑 邱 凱

(1.中鐵城建集團(tuán)第一工程有限公司，山西 太原 030024； 2.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250100)

1 概述

為了滿足城市化進(jìn)程中國用地面積需求的不斷增長，建筑結(jié)構(gòu)開始向高層及超高層建筑發(fā)展。高層及超高層建筑施工難度較高，高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大，為保障其施工過程的安全性、高效性，腳手架輔助施工工藝應(yīng)運(yùn)而生[1]。附著式升降腳手架具有防傾覆、防墜落的功能，大大降低了高層建筑施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，相比于傳統(tǒng)腳手架，附著式升降腳手架可利用自身的升降動(dòng)力設(shè)備實(shí)現(xiàn)逐層爬升的功能，大大提高了自身的機(jī)動(dòng)性，節(jié)省了人力成本，提高了材料周轉(zhuǎn)率，廣泛應(yīng)用于目前的高層建筑施工過程中[2-4]。

附著式升降腳手架主體多為薄壁鋼構(gòu)件，其力學(xué)性能受到高度關(guān)注，國內(nèi)學(xué)者對此作出大量研究。東南大學(xué)王帆等[5]對爬架升降不同步工況進(jìn)行研究，結(jié)果表明升降不同步對剛性腳手架影響較大；同濟(jì)大學(xué)李國強(qiáng)[6]通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到了腳手架的阻力系數(shù)，對腳手架的工程應(yīng)用提出了優(yōu)化意見；南京工業(yè)大學(xué)戈文思[7]對架體組合提升與偏心提升共同作用下的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施。

綜上所述，目前國內(nèi)學(xué)者通過大量試驗(yàn)及理論分析對附著式腳手架力學(xué)性能作出分析研究。為了提高有限元軟件在附著式腳手架力學(xué)性能研究中的應(yīng)用，使用大型有限元軟件ANSYS對濟(jì)南市某在建異形超高層項(xiàng)目附著式升降腳手架進(jìn)行模擬，分析其力學(xué)特性，總結(jié)架體受力規(guī)律，分析架體受力薄弱部位，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

2 工程概況

本文基于濟(jì)南市某異形超高層在建項(xiàng)目，該本項(xiàng)目由1棟34F主塔樓及其6F裙房、2F整體地下車庫組成，其中主塔樓建筑高度為165.5 m，結(jié)構(gòu)類型為框架—核心筒，樓層邊柱均為傾斜型鋼混凝土柱，每根柱切斜角度不同。本工程34F主塔施工至第7層后開始搭設(shè)附著式腳手架，直至主塔主體結(jié)構(gòu)封頂后，完成爬架高空拆除。

3 有限元模型的建立

3.1 材料參數(shù)

所取附著式腳手架每榀外排高度20 m，內(nèi)排高度18 m，架體寬度0.6 m，水平跨度為10 m。使用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模分析，模型整體采用Beam188單元進(jìn)行模擬，采用理想剛接模擬螺栓連接[8]，架體構(gòu)件材料均為Q235鋼材，容許應(yīng)力為205 MPa，材料參數(shù)見表1，架體材料截面尺寸見表2，有限元模型見圖1。

表1 模型材料參數(shù)

表2 附著式升降腳手架構(gòu)件尺寸表

3.2 荷載組合及荷載施加

實(shí)際應(yīng)用中附著式腳手架所受荷載可分為恒載、活載以及風(fēng)荷載，其中恒載為架體及設(shè)備自重，活載包括施工人員及機(jī)具荷載等，風(fēng)荷載為空氣流動(dòng)作用于腳手架迎風(fēng)面上的荷載。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，不同工況下活載取值見表3。

表3 施工活荷載標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，風(fēng)荷載采用式(1)計(jì)算：

Wk=βz·μz·μs·W0

(1)

其中，Wk為荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值,kN/m2；βz為風(fēng)振系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]確定；μs為腳手架風(fēng)荷載體型系數(shù)；W0為基本風(fēng)壓，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]取值。

經(jīng)計(jì)算正常工作工況：

Wk=βz·μz·μs·W0=1 316.1 N/m2。

提升工況：

Wk=βz·μz·μs·W0=658.05 N/m2。

采用ANSYS有限元軟件中的Acel命令對模型施加重力加速度模擬架體自重荷載；考慮到實(shí)際工程應(yīng)用中施工人員多在頂上兩層腳手板活動(dòng)，且機(jī)具、材料等多堆放于頂上兩層腳手板，因此選取每榀腳手架頂上兩層施加人員及機(jī)具、材料活載，同時(shí)將腳手板板面活載按照等效原則轉(zhuǎn)換至兩長邊施加，以更好地模擬主框架傳力特性；實(shí)際工程中風(fēng)荷載直接作用在沖孔防護(hù)網(wǎng)片，然后通過接觸將力傳遞至米字型桁架，因此模擬過程中直接將風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化為桁架所受面荷載，再通過sfbeam命令施加于米字型桁架之上。荷載施加情況見圖2。

模型考慮正常使用及提升階段兩種工況，并按以下兩種荷載效應(yīng)組合進(jìn)行分析：1)恒載+施工活載；2)永久荷載+0.9(施工荷載值+風(fēng)荷載)。

實(shí)際工程中正常使用工況下附著式腳手架每榀設(shè)6個(gè)附墻支座，因此有限元模型中將爬架對應(yīng)位置處橫桿自由度全部約束；爬架提升時(shí)最下層兩個(gè)附墻支座需暫時(shí)拆除，故爬架提升工作工況下考慮每榀4個(gè)附墻支座，約束相應(yīng)自由度。

4 有限元分析結(jié)果

4.1 正常工作工況

4.1.1 荷載組合1

圖3～圖7為正常工作工況荷載組合1下爬架應(yīng)力及變形圖，由圖可知：架體變形整體呈現(xiàn)S型，最大位移發(fā)生在架體頂部懸挑位置，最大位移為3.37 mm；爬架最大應(yīng)力為58 MPa，腳手板處最大應(yīng)力為13.1 MPa，均處于容許范圍內(nèi)。

4.1.2 荷載組合2

圖8～圖12為正常工作工況荷載組合2下爬架應(yīng)力及變形圖，由圖可知：架體變形整體呈現(xiàn)向內(nèi)彎曲的趨勢，且頂部位移明顯大于底部位移，最大位移出現(xiàn)于爬架頂部，為20 mm；爬架最大應(yīng)力為98.24 MPa，腳手板最大應(yīng)力為16.2 MPa，均處于容許范圍內(nèi)。結(jié)合表4可知：正常使用工況考慮風(fēng)荷載的荷載組合2下的爬架應(yīng)力、變形明顯大于未考慮風(fēng)荷載的荷載組合1下，其中架體最大位移增大約5倍，架體最大應(yīng)力增大約69.4%，腳手板最大應(yīng)力增大約23.7%。

表4 正常工作工況荷載分析匯總表

4.2 提升工況

4.2.1 荷載組合1

圖13～圖17為提升工況荷載組合1下爬架應(yīng)力及變形圖，由圖可知：架體于約束處產(chǎn)生折角變形，且架體上部變形明顯大于下部，最大位移為17.4 mm，原因是提升工況下架體僅設(shè)4個(gè)附墻支座，架體重心整體下移，導(dǎo)致架體上部懸臂長度較正常使用工況下增大；爬架最大應(yīng)力為145.5 MPa,腳手板最大應(yīng)力為33.9 MPa，均處于容許范圍內(nèi)。

4.2.2 荷載組合2

圖18～圖22為提升工況荷載組合1下爬架應(yīng)力及變形圖，由圖可知：爬架整體變形呈弧形，最大位移發(fā)生在架體懸挑頂部，為23.64 mm；架體最大應(yīng)力為93 MPa，腳手板最大應(yīng)力為15.8 MPa，均處于容許范圍內(nèi)。結(jié)合表5可知：提升工況考慮風(fēng)荷載的荷載組合2下的爬架應(yīng)力、變形明顯大于未考慮風(fēng)荷載的荷載組合1下，其中架體最大位移增大35.9%，架體最大應(yīng)力增大約36%，腳手板最大應(yīng)力增大約53.4%。同時(shí)對比表4可知，提升工況下風(fēng)荷載對爬架主體應(yīng)力、變形的不利影響均小于正常使用工作工況下。

表5 提升工況荷載分析匯總表

5 結(jié)語

利用有限元軟件ANSYS對附著式腳手架在兩種工況、兩種荷載組合下的靜力特性進(jìn)行分析，總結(jié)其受力及變形規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)各種工況及荷載組合下爬架架體應(yīng)力、位移及腳手板位移均處于容許范圍內(nèi)。各種工況下爬架架體最大應(yīng)力均出現(xiàn)于三角桁架與導(dǎo)軌橫桿相連接處，建議實(shí)際工程中對此處截面進(jìn)行加強(qiáng)。

2)各種工況及荷載組合下爬架主要發(fā)生平面外彎曲變形，說明爬架平面外剛度小于平面內(nèi)剛度，實(shí)際工程中可通過適當(dāng)增設(shè)附墻支座等方式提高架體平面外剛度，防止架體變形過大。

3)風(fēng)荷載施加后爬架位移明顯增大，尤其是架體頂部位移，考慮風(fēng)荷載后不同工況下最大位移分別增加了約500%和36%；風(fēng)荷載的施加對正常工況下爬架受力產(chǎn)生較為顯著的不利影響，但在一定程度上改善了提升工況下的爬架受力情況。

4)爬架提升工況下的應(yīng)力、位移均大于正常工作工況，說明架體提升時(shí)施工風(fēng)險(xiǎn)高于正常工作時(shí)，實(shí)際工程中架體提升應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程操作。