新型盘扣式升降支撑系统静力分析

季言涛，徐树东

（江苏中淮机械设备租赁有限公司，江苏 淮安 223002）

新型盘扣式升降支撑系统静力分析

季言涛，徐树东

（江苏中淮机械设备租赁有限公司，江苏 淮安 223002）

以一种新型升降支撑系统试验架为研究对象，利用ANSYS软件对升降支撑系统的整体进行了全面力学特性分析，对该种结构做了整体稳定性的研究，对升降支撑系统结构的力学性能有了更深的了解。按照搭设的结构建立有限元模型，利用梁单元模拟结构中的杆件，对升降支撑系统的静力性能进行分析，并结合试验数据的分析结果，对这一新型结构各方面性能进行全面的科学论证，为更好地推广这一产品提供一定的理论参考。

升降支撑系统；盘扣式；有限元；静力分析

1 工程概况

本工程为新型盘扣式升降支撑系统，全钢结构，杆件采用Q235A钢管，焊接连接。新型盘扣式升降支撑系统试验架结构为两跨五步，跨距为7m、步距为1.85m，架体高度为9.25m，宽度为0.9m，使用工况下2层施工，新型盘扣式升降支撑系统试验架主要由水平梁架、竖向主框架及架体构架三部分组成，其平面布置图如图1所示。

图1 试验架立面图

2 系统模型建立

盘扣式升降支撑系统所承受的载荷主要有恒载（杆件及起升设备自重）、活载荷（施工载荷）、风载荷等。

1）恒载 升降自重载荷计算部件应包括水平梁架、竖向主框架、连接螺栓、钢管、连接盘、脚手板、安全网、承力底盘等连接为整体并共同升降的构件，其单跨重量具体计算结果见表1。

表1 L=7m、H=9.25m架体自重载荷表

自重线载荷qG=∑Gi/L0=3187×9.8×10-3/7＝4.46kN/m。

2）活载荷 新型盘扣式升降支撑系统在施工中作用在架体上的施工载荷为均布面载荷，该面载荷乘以架体作业面总宽度1.25m（包括内挑平台），即可换算成线载荷。

主体施工时：qQ=2×3×1.25=7.5kN/m；

升降及坠落工况时：q′Q=1×1.25=1.25kN/m。

3）风载荷 围护结构风载荷标准值[2]

式中 βgz—阵风系数，取βgz=1；

μs— 风载荷体型系数[3]，因为在新型盘扣式升降支撑系统使用中架体背靠建筑物多为敞开或开洞，故有μs=1.3φ=1.3Ad/Ay，Ad/Ay为架体的挡风面积/架体的迎风面积，新型盘扣式升降支撑系统用密目式安全网围护，其挡风系数为0.8,即μs=1.3×0.8=1.04；

μz— 风压高度变化系数，据参考文献[3]第7.2条，本文按照150m以下的高层建筑考虑,则取μz=1.61；

ω0— 基本风压值(kN/m2)，据附表D4[3]，常州地区50年一遇的基本风压为ω01=0.4kN/m2，将其作为使用工况基本风压，在升降及坠落工况中的基本风压[3]可取为ω02=0.25kN/m2。

则本新型盘扣式升降支撑系统风载荷标准值为:

使用工况中：

wk1=1×1.04×1.61×0.4=0.67kN/m2;

升降、坠落工况中：

wk2=1×1.04×1.61×0.25=0.42kN/m2。

当架体总高度H0=9.25m时，沿架体长度方向的风载线载荷为：

使用工况中：

w1=wk1H0=0.67×9.25=6.2kN/m;

升降、坠落工况中：

w2=wk2H0=0.42×9.25=3.88kN/m。

当架体总宽度B=0.9m时，垂直线风载荷为：

使用工况中：

w1=w01H0=0.67×0.9=0.6kN/m；

升降、坠落工况中：

w2=w02H0=0.42×0.9=0.378kN/m。

4）坠落冲击与升差载荷 在坠落工况中，新型盘扣式升降支撑系统架体、机具及防坠落装置均受到坠落冲击载荷的作用。坠落冲击载荷按以下方法计算[4]

式中 γ2——附加载荷不均匀系数，γ2=2；

F0—— 升降中机位最大静载荷，据表4-2[4]知qG、q′Q，即有F0max=(qG+q′Q)× L0=(4.992+1.25)×7=43.69kN，则知FZ=2×43.69=87.38kN。

新型盘扣式升降支撑系统经过网格划分后的整体有限元模型如图2所示，分析可得新型盘扣式升降支撑系统的有限元模型包含1 029个单元。

图2 有限元模型立体图

3 有限元静力分析

3.1 安全性判定准则

新型盘扣式升降支撑系统采用Q235钢管制造，其屈服强度为235MPa，抗拉、抗压和抗弯的强度设计值为205MPa。在有限元应力计算中，主要选用Von Mises应力作为应力判定标准。

当杆件变形量有控制要求时，应按正常使用极限状态验算其变形量。根据JGJ 231-2010《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》，受弯杆件的挠度限值为L/150或10mm，本支撑系统结构模型受弯杆件最长的长度为1 850mm，因此新型盘扣式升降支撑系统结构挠度限值为[ζ]=10mm。

3.2 各工况结果分析

本文采用考虑半刚性连接的模型，架体加载求解是采用正常使用和极限承载两种工况组合：各个工况包括两种载荷组合：Z向垂直载荷；Z向垂直载荷+X向水平载荷，在此主要分析第二种载荷组合。

1）正常使用工况 当盘扣式升降支撑系统承受Z向垂直载荷和X向水平载荷组合作用时，其最大应力为112MPa，最大位移为5.08mm，应力和位移均满足要求。

2）极限承载工况 当盘扣式升降支撑系统承受Z向垂直载荷和X向水平载荷组合作用时，达到杆件位移极限值时的临界载荷为114.28kN，此时应力最大值为156MPa，架体的变形为无侧移框架对称变形，最大位移点出现在顶层横杆上，X向位移最大值为7.924mm,Y向位移最大值为0.684mm，Z向位移最大值为6.597mm。分析数据表明，支撑系统结构承受水平载荷时，最大承载力较小，且局部变形已达最大变形量要求，X向变形较大，这是因为升降支撑系统结构承受了正面的水平载荷，但是由于附着结构和连墙杆的左右，X向没有产生很大的位移，但是局部已失稳。

4 有限元与理论计算结果比较

有限元计算的结果如上节所示，为了更准确的研究盘扣式升降支撑系统的稳定性，采用有限元结算和理论计算相比较的方法。盘扣式升降支撑系统是由焊接钢管、连接盘和插销连接组成空间桁架结构，对于这种体系的稳定计算问题，主要通过确定受压立杆的计算长度及稳定承载力来研究整个支撑系统结构的稳定性，整个支撑系统结构的极限承载力主要通过常用理论计算方法反推来获得，常用的理论计算方法如下。

1）概率极限状态设计法 根据JGJ130-2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中的要求，采用概率极限状态设计方法对支撑系统进行设计和验算。本文所描述的盘扣式升降支撑系统整体稳定问题简化成单立杆的稳定问题，其立杆稳定性应按以下公式计算。

φ— 轴心压杆的稳定系数，根据长细比λ=μh/r=0.5×1850/15.8=58.5，查表知φ=0.849；

fc— 立柱稳定承载力的设计值，fc＝205MPa。

本次计算采用不考虑风载荷计算公式，利用反推法可得N≤φAfc＝0.849×357×205＝62.13kN,所以此计算方法得到的支撑系统结构的极限承载力Fmax＝62.13kN。

2）参考格构柱、钢框架整体失稳的计算方法 盘扣式升降支撑系统是由立杆、纵向水平杆和横向水平杆组成的多层多跨“空间框架结构”，所以其整体稳定计算可以参考格构式柱或钢框架失稳来考虑。

新型盘扣式升降支撑系统的层高与总高之比小于1/5，所以可以参考格构柱、钢框架整体失稳的计算公式[5]，其计算公式为

式中 PE——立杆临界载荷;

E——立杆的弹性模量;

I——立杆垂直截面的整体惯性矩，I=8Fl2；

F——立杆截面面积；

H——支架高度；

A——构架的某一层在剪切力作用下所产生的单位水平位移，

k——扣件弹性挠曲系数，取0.000 5mm/N;

l——单孔支架宽度;

h——每格支架高度;

θ——斜腹杆与水平杆夹角。

经计算可得I=2.31×109mm4；H=9250mm；θ=39°；s=2380mm；A=2×10-5m；PE=89.64kN。

通过以上对支撑系统结构的理论计算，格构柱、钢框架整体失稳的计算方法与有限元数值结果基本一致，因此在实际工程中可以将此方法作为理论分析结果来参考比较。

5 结 论

本文将两种载荷组合作用于新型盘扣式升降支撑系统的有限元模型上，分析结果表明结构的应力和位移都满足规范的要求。增加竖向载荷得出结构的极限承载力为318.47kN，当承受风载荷时极限承载力为114.28kN。最后，将有限元计算得出的新型盘扣式升降支撑系统稳定极限承载力和各种理论计算值相比较，发现格构柱、钢框架整体失稳的计算方法在实际工程中可以作为理论分析方法参考比较。

[1]JGJ 130-2011，建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范[S].

[2]GB 50009-2012，建筑结构载荷规范[S].

[3]JGJ 202-2010，建筑施工工具式脚手架安全技术规范[S].

[4]JGJ 231-2010，建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程[S].

[5]黄 群.大跨混凝土结构中扣件式钢管模板支撑架设计汇[D].杭州:浙江大学，2005.

[6]糜嘉平.我国新型脚手架的发展动向[M].北京:中国建筑出版社，1998.

[7]刘宗仁，涂新华，丁永胜.扣件式钢管脚手架临界力下限计算方法[J].建筑技术，2001，32(8)：541-543.

[8]姜传库.浅谈我国模板和脚手架工程的专业化问题[J].施工技术，2000，(3)：8-10.

[9]肖 毅.新型盘式钢管脚手架的应用研究[D].昆明:昆明理工大学，2012.

[10]刘家彬，郭正兴.扣件钢管架支模的安全性[J].施工技术，2002，31(3)：9-11.

（编辑 贾泽辉）

Static analysis of new button lifting support system

JI Yan-tao, XU Shu-dong

TU392.3；TU731.2

B

1001-1366(2015)01-0055-04

2014-10-31