1、风载荷作用下整体式附着脚手架半刚性连接有限元分析摘要：针对整体式附着脚手架结构复杂，难以用理论的方法较准确的进行强度分析等，本文利用有限元 ANSYS 软件建立两跨连续结构有限元模型，并对扣件部位进行了半刚性连接处理，然后对这种结构模型进行有限元分析。确定了设计载荷工况，在风载荷作用下对整体式脚手架进行了强度分析，分析研究表明，该脚手架满足强度及挠度要求，从而验证了该整体式附着脚手架的安全性。 关键词：脚手架；ANSYS；半刚性连接；设计载荷；风载荷 中图分类号：TU731.2 文献标识码： A Finite element analysis of the whole raising scaf
2、fold with semi-rigid collection on the effect of wind load Abstract: In this paper a finite element model of the whole raising scaffold is build by using ANSYS software because of the complex structure which makes it difficult to use theoretical method to calculate accurately. Some part of the struc
3、ture such as fastener is taken as semi-rigid connection. A finite element analysis is calculated by using the model. The design load case is determined, and the wind load is calculated. The strength analysis of the whole raising scaffold is finished. The results show that the strength and deflection
4、 of the scaffold meet the requirements which verifying the security of the attachment of the whole scaffold. Keywords: raising scaffold; ANSYS; semi-rigid collection; design load; wind load 0 引言 整体式附着脚手架由于其组装快捷，提升简便，布置灵活等优点得到了广泛的应用。近年来出现了不少新型附着式脚手架，对此涉及到脚手架使用设计中很多安全问题，例如在风载荷作用下脚手架的强度问题、合理的结构支撑模型、节点的
5、半刚性及整体极限承载力分析等等。与此同时，国内相应出现了较完善的相关技术标准1。也有不少学者研究结构的布置，内力计算等。陈世教2对整体提升脚手架进行了内力计算，该计算方法具有通用性；岳峰3对高层建筑附着升降脚手架风载荷进行了理论计算，其计算方法在工程上具有可操作性；张卫红4对扣件式脚手架半刚性节点进行了计算，并通过实验对比，其计算结构偏于安全；另外，还有一些专家学者对其进行了研究，都值得参考借鉴5-7。然而，作者发现，很少有人对整体式脚手架在风载荷作用下其强度、挠度等进行验证，因此，本文应用有限元方法，对整体式脚手架进行有限元分析，给出设计载荷计算表，在 7 级风作用下的有限元载荷处理方法，并
6、对脚手架相应的连接处进行半刚性连接，计算其在风载荷作用下的强度及变形，验证其安全性等。 1 设计载荷的计算 根据建筑施工附着升降脚手架管理暂行规定第十条的规定，设计要求应符合下表规定，并根据标准荷载计算值，则可求得荷载设计值。表 1 载荷设计值 2 有限元结构模型 图 1 为整体式附着脚手架连续两跨有限元模型，底部桁架为 8 号方钢，主框架 2 个为 6.3 号槽钢焊接而成的工字钢，横杆、竖杆采用 483号钢管。图 2 为扣件连接处作为半刚性连接。模型总体说明：主框架和桁架分别建立为独立的一体，焊管与主框架、桁架之间采用的是刚性连接；横幅杆和斜幅杆与桁架之间采用刚性连接；大横杆与立杆，小横杆与
7、立杆，斜杆与立杆及撑墙杆与立杆之间扣件连接的地方均做半刚性连接处理；主框架与桁架下弦、立杆与桁架上弦之间的连接采用刚性连接的方式。大横杆与立杆，小横杆与立杆，斜杆与立杆及撑墙杆与立杆之间扣件连接的地方均做半刚性连接处理，扣件节点的旋转刚度系数为4。图 1 脚手架有限元模型 图 2 扣件连接处理 本文考虑脚手架在危险工况下进行有限元分析，即在施工工况风载荷作用下进行强度分析。表 1 给出风载荷作用下的标准值，将此值转化成节点力，并加载到有限元模型中去，加载结果见图 3 和 4。 图 3 施工情况风载施加 图 4 非工况风载施加 3 计算结果分析 建立有限元模型，并在连接有安全装置处(防倾防坠装置
8、)进行约束，考虑两种工况，即非工作情况和施工情况下脚手架的强度分析，表 2 给出了有限元计算结果。图 511 为相应的有限元计算结果图。由图可知，整个有限元计算结果是变形协调的，相比理论计算，该方法更加贴近实际。强度性能校核见下一小节。 表 2 风载作用下有限元计算结果 非工作情况（4-5 层） 施工情况（4-5 层） 总应力(Mpa) 123.322 183.452 总位移(mm) 26.142 26.178 底部框架最大应力(Mpa) 105.821 183.452 底部框架最大位移(mm) 9.728 15.796 主框架最大应力(Mpa) 110.062 123.265 主框架最大位移
9、(mm) 18.872 16.632 图 5 非工况整体应力 图 6 非工况整体位移 图 7 非工况底部框架应力 图 8 非工况底部框架位移 图 9 施工整体应力 图 10 施工整体位移 图 11 施工底部框架应力 图 12 施工底部框架位移 4 安全性能校核 4.1 强度校核 建筑施工附着升降脚手架管理暂行规定第六条规定，附着升降脚手架的架体结构和附着支承结构应按“概率极限状态法”进行设计计算， 承载力设计表达式为： 式中：结构重要性系数，取 0.9； 荷载效应； 结构抗力。 由上面的规定可知，脚手架架体结构设计方法为“概率极限状态法” ，由于前面的有限元计算结果都是考虑了各个计算系数下得到
10、的，因此只要比较各部件应力计算值是否超过其材料的屈服应力即可判断其是否符合设计要求。 1、主框架强度校核： 结构施工时，主框架最大应力为 123.265。 材料为 Q235A 时，123.265235，符合要求。 2、底部框架强度校核： 结构施工时，水平框架最大应力为 183.452。 材料为 Q235A 时，183.452235，符合要求。 4.2 挠度校核 根据建筑施工附着升降脚手架管理暂行规定第十五条的的规定，各杆件的容许挠度如表 3 所示。由于我们在分析计算时发现，大横杆在风载荷作用下的变形很大，因此，本文对大横杆进行挠度校核。 表 3 脚手架各杆件容许绕度 构件类别 容许挠度 纵向、
11、横向水平杆 L/150 和 10mm（L 为受弯杆件跨度） 水平支承结构 L/250（L 为受弯杆件跨度） 悬臂受弯杆件 L/400（L 为受弯杆件跨度） 风载荷作用下，结构施工时，大横杆最大挠度为 26.001-19.163=6.838，如图 13 所示。 图 13 大横杆挠度校核 大横杆许用挠度为 L/150=1500/150=10，可知，6.83810，符合要求。经过以上分析，说明该脚手架模型是安全可靠的。 小结 针对整体式附着脚手架，利用有限元 ANSYS 建立两跨连续结构模型有限元模型，在扣件连接处设置半刚性连接，对这种结构模型进行有限元分析。确定了设计载荷工况，在风载荷作用下对整体
12、式脚手架进行了强度分析，并验证了脚手架的安全性。 参考文献 1 JGJ 202-2010 中华人民共和国行业标准. 建筑施工工具式脚手架安全技术规范S, 2010. 2 陈世教, 张红伟, 李志强. 整体提升脚手架内力计算J. 重庆建筑大学学报. 2002, 24(6):100-107. 3 岳峰, 李国强. 高层建筑附着脚手架风载荷的计算J.建筑技术. 2004, 35(8):590-594. 4 张卫红, 刘建民. 基于整架试验的扣件式钢管脚手架半刚性节点计算方法J. 山东建筑大学学报. 2009, 24(1):38-42. 5 张厚先, 徐奋强，张德恒等. 用 ANSYS 分析扣件式钢管脚手架整体稳定性承载力J. 建筑技术. 2009, 40(6): 555-557. 6 虎凯山. 扣件式钢管模板支撑架结构力学性能研究D. 杭州：浙江大学硕士学位论文，2007. 7 蔺军,顾强.梁腹板在弯、剪及局压复合应力作用下的屈曲分析J.土木工程学报. 2005, 38(7):15-20.
