岳桂杰,保承軍

(蘭州城市學(xué)院 培黎機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

附著式升降腳手架是一種新型的腳手架系統(tǒng)，俗稱(chēng)爬架。一般應(yīng)用于各種設(shè)計(jì)類(lèi)型的高層和超高層房屋建筑及外形一致的高聳建筑物的施工防護(hù)[1]；適用于現(xiàn)澆剪力墻、框架、圓弧陽(yáng)臺(tái)、挑板等復(fù)雜外形的施工[2]。主要應(yīng)用于高層剪力墻式樓盤(pán)，可以沿著建筑物往上攀升或下降。

應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)一種智能腳手架架體進(jìn)行有限元分析，旨在通過(guò)分析找出架體在添加單個(gè)桁架、多個(gè)桁架和不添加桁架的工況下，架體的應(yīng)力及變形情況，從而找出最佳設(shè)計(jì)方案。

1 有限元模型建立

由AutoCAD軟件建立三維線(xiàn)性架體模型，并通過(guò)相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行操作。嚴(yán)格按照腳手架設(shè)計(jì)尺寸賦予截面相應(yīng)的尺寸和屬性，從而在有限元軟件中建立一個(gè)合理的有限元模型[2]。架體由鋼管、鋼板組成，均采用Q235結(jié)構(gòu)用鋼，材料屬性見(jiàn)表1。其中桿件單元選用BEAM188單元，板件單元選用SHELL181單元。

表1 材料屬性設(shè)置

2 網(wǎng)格劃分

架體中網(wǎng)格劃分采用系統(tǒng)默認(rèn)的劃分方式[3]，架體模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 架體網(wǎng)格劃分

3 荷載及約束條件設(shè)置

根據(jù)腳手架架體實(shí)際工作中的附著情況，在每層、每個(gè)導(dǎo)軌與建筑物接觸的位置施加兩個(gè)固定約束，在二、三層板上施加每層3 000 N的均布荷載，如圖2所示。

4 架體在各種工況下的計(jì)算結(jié)果

架體在一般工作狀態(tài)下主要受到豎向荷載的作用，其中架體自重和施工時(shí)的荷載為本次著重分析考慮的影響因素。架體拼裝完整后一共5層，為了防止架體在安全使用時(shí)的變形，在兩層中間均設(shè)置了鋼桁架，分別分析不設(shè)置鋼桁架、設(shè)置1、2、3和4處及全部設(shè)置鋼桁架時(shí)10種不同工況下最大豎向位移、最大應(yīng)力和極限撓度及極限應(yīng)力值的變化，從而找出架體桁架設(shè)置的最經(jīng)濟(jì)合理方式[4-5]。

圖2 架體荷載及約束分布

4.1 工況1：不設(shè)置鋼桁架

1) 各方向位移情況。

在不添加鋼桁架的情況下，水平位移的值均比較小，不影響架體的安全使用，因此不作為此次分析的主要內(nèi)容，故在以下工況下不再分析。其中各方向位移情況如圖3所示，圖片為放大20倍的效果。

從圖3中可以看出，Y向(豎向)位移最大處數(shù)值為30.064 3 mm，中跨處的立桿隨板件變化較大，撓度超出了撓度限制值20 mm(板跨度的1/150)，顯然此時(shí)變形過(guò)大，不符合安全使用條件。

(a) X向

(b) Y向

(c)Z向圖3 不設(shè)置鋼桁架時(shí)的各向位移(位移單位為mm、應(yīng)力單位為MPa)

2) 等效應(yīng)力情況。

此時(shí)應(yīng)力接近極限應(yīng)力，最大位置出現(xiàn)在左起第四組立桿與二層踏板接觸的位置，具體情況如圖4所示。

圖4 不設(shè)置鋼桁架時(shí)的等效應(yīng)力(單位：MPa)

4.2 工況2：僅設(shè)置一、二層間的大桁架。

在設(shè)置一、二層間大桁架的工況下，最大位移撓度值為17.3 mm，小于撓度限值20 mm，可安全使用，具體如圖5所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置不同于不放置桁架時(shí)的位置，此時(shí)在左起第四組立桿與三層踏板交接處，數(shù)值為186.97 MPa，小于極限荷載值，具體如圖6所示。

圖5 設(shè)置一、二層間的大桁架時(shí)的豎向位移(單位：mm)

圖6 設(shè)置一、二層間的大桁架時(shí)的等效應(yīng)力 (單位：MPa)

與工況1和2的計(jì)算分析相似，利用ANSYS軟件分別計(jì)算工況3(一、二層間的大桁架和二、三層間的小桁架)、工況4(一、二層間的大桁架和三、四層間的小桁架)、工況5(一、二層間的大桁架和四、五層間的小桁架)、工況6(一、二層間的大桁架和三、四、五層間的小桁架)、工況7(一、二層間的大桁架和二、三、四層間的小桁架)、工況8(四道桁架全部設(shè)置)、工況9(最上部雙層小桁架)、工況10(最上部為單層小桁架)下的最大豎向位移、最大應(yīng)力和極限撓度及極限應(yīng)力值的變化，結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 各種工況下豎向位移及等效應(yīng)力

5 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)各種工況下設(shè)置不同桁架數(shù)量的對(duì)比分析，可以看到不同設(shè)置情況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移有較大影響。為便于敘述,文中將桁架自底部向上依次簡(jiǎn)稱(chēng)為底部大桁架、二層小桁架、三層小桁架、頂部小桁架。計(jì)算結(jié)果為：① 所有類(lèi)型架體在自重及施工荷載作用下平面外變形較小；② 架體在不設(shè)置桁架時(shí)的變形和應(yīng)力情況與設(shè)置桁架時(shí)有明顯不同；說(shuō)明桁架對(duì)整體結(jié)構(gòu)的位移具有控制作用。架體不設(shè)置桁架時(shí)板的撓度超過(guò)了限值，最大應(yīng)力也超過(guò)了材料的極限值，故實(shí)際工程中該架體必須設(shè)置桁架；③ 架體最大位移出現(xiàn)在踏板上，最大應(yīng)力出現(xiàn)在左起第四組立桿與二層或三層踏板接觸的位置；④ 架體全部設(shè)置桁架時(shí)的最大位移和最大應(yīng)力與同時(shí)設(shè)置底部大桁架和頂部小桁架時(shí)的情況很接近，并且結(jié)合其余各工況分析結(jié)果，本架體在同時(shí)設(shè)置底部和頂部桁架后，不需要設(shè)置中間兩道桁架;⑤ 當(dāng)僅設(shè)置一道桁架時(shí)(底部大桁架或頂部小桁架)，頂部小桁架在位移和應(yīng)力結(jié)果上要稍稍?xún)?yōu)于底部大桁架，但設(shè)置雙層桁架會(huì)影響內(nèi)層施工人員的操作空間，從綠色節(jié)能，提高利用的角度出發(fā)[6]，結(jié)合頂層小桁架僅設(shè)置單層的分析結(jié)果，此架體設(shè)置一道底部大桁架是較為經(jīng)濟(jì)合理有效的方案。

通過(guò)以上分析結(jié)果可知，單純?cè)O(shè)置一道桁架(底部大桁架或頂部小桁架)時(shí)的最大內(nèi)力和位移可滿(mǎn)足要求?？紤]到工程現(xiàn)場(chǎng)的不確定性，為了保證架體的整體安全與穩(wěn)定，建議設(shè)置底部大桁架附加一道小桁架，小桁架的位置可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，其余部分的桁架可以不設(shè)置，這樣可保證結(jié)構(gòu)安全和整體穩(wěn)定[7]。