满堂扣件式钢管脚手架扫地杆对架体承载力影响分析

胡秀俊,李　洋

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)



满堂扣件式钢管脚手架扫地杆对架体承载力影响分析

胡秀俊,李洋

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

针对实际施工中对扫地杆是否搭设和搭设质量的忽视，在实验室搭设高度为4.0m，3×3跨，跨度0.95m，步距1.3m的满堂扣件式钢管脚手架竖向加载的实体实验，通过设置纵横向扫地杆，去除横向扫地杆，再去除纵向扫地杆分析对架体承载力影响，并与ANSYS有限元模拟结果对比分析，得出去除扫地杆对脚手架立杆承载力有明显影响，所以实际工程中要高度重视扫地杆对架体的影响，此实验结论为现场搭设架体的技术人员提供借鉴。

满堂脚手架；扫地杆；ANSYS；承载力

满堂脚手架是混凝土浇筑时临时性的一种支撑体系，主要承受架体和混凝土的自重，以及混凝土浇筑时的施工荷载。其中以满堂扣件式钢管脚手架应用最为普遍，由于其搭设是人工进行，搭设质量受人为因素影响较大，一直以来因脚手架搭设质量问题而引起的伤亡事故时有发生[1]。在满堂脚手架中扫地杆是连接立杆底部的水平杆，具有稳固架体的作用。现实工程中，扫地杆并没有引起工程人员的足够重视，施工现场满堂脚手架立杆底部没有搭设扫地杆、少设扫地杆或扫地杆扣件松动等现象普遍存在，本文结合实体模型试验和数值模拟对满堂扣件式钢管脚手架扫地杆的设置对架体整体稳定性和承载力的影响进行分析研究，其研究成果可供工程技术人员参考。

1　立杆稳定理论分析

实验主要研究有无水平扫地杆对架体立杆稳定性及承载力的影响，为了便于理论分析，假定满堂脚手所有杆件的节点具有较好的抗弯性能，则实验中有扫地杆时立杆计算模型为两端固定,没有扫地杆时立杆计算模型为一端固定一端铰支,立杆稳定系数如表1所示。

表1　μ值的大小与压杆端部条件的关系

2　满堂扣件式钢管脚手架试验分析

2.1试验方案

满堂扣件式钢管脚手架试验搭设为3×3跨，跨度为0.95m，架体高度4m，架体试验方案立杆间距为0.95m, 中部纵横向二道水平杆，步距为1.3m，在中部两个方向各设置一道竖斜撑，底部纵横向设置扫地杆，扫地杆距离地面为0.1m[4]。此次实验研究水平纵横向扫地杆的使用对架体承载力和稳定性的影响。试验进行同步静力加载，荷载传递通过液压千斤顶施加力在工字型梁上，通过工字型梁施加荷载在20mm的钢板上，使液压千斤顶的荷载均匀地传递给脚手架，保证脚手架受到均布面荷载，实验架体搭设如图1所示。

2.2试验目的

实验室实体模型试验的目的主要有以下几点：

(1)实测脚手架设置纵横向水平扫地杆下的立杆应力传递与分布；

(2)实测脚手架分别去除纵横向水平扫地杆情况下的立杆应力传递与分布；

(3)比较(1)和(2)立杆上各部位的应力变化情况，进而分析设置水平扫地杆对满堂扣件式钢管脚手架整体稳定性和承载力的影响。

2.3加载方案

试验在去除一个方向的斜撑后，按顺序先后去除纵横两个方向的水平扫地杆，加载方案如下：

(1)架体原型在去除一个斜撑后加载；

(2)在(1)基础上去除横向水平扫地杆后加载；

(3)在(2)基础上去除纵向水平扫地杆后加载。

2.4光纤铺设分析点和数据采集

试验采用分布式光纤测试系统，光纤沿钢管铺设，具体分析点如图2所示。

图1　实验架体

图2　去除一个斜撑后架体分析点

在每个加载方案中，通过分布式光纤测试系统测出沿光纤铺设位置的布里渊中心频率，然后计算出钢管的应变，通过弹性模量进而求出钢管的应力，根据前后拆除水平扫地杆后立杆的应力变化进行对比分析。

2.5实验结果分析

依据布里渊频率与温度、应变之间的关系[5]：vB=εc11+tc12

式中：vB—布里渊频率；ε—应变变化量；c11—布里渊频率应变系数；t—温度变化量；c12—布里渊频率温度系数。取中间立杆上的1～7应变点为研究对象，实测数据如表2、表3、表4所示。表中荷载单位为kN/m2；应力单位为MPa。

表2　有扫地杆时对应测点的应力值　MPa

表3　去除横向扫地杆时对应测点的应力值　MPa

表4　去除横纵2个方向扫地杆后对应测点的应力值　MPa

通过表2～表4，可以得出：

(1)从表2和表3的计算结果可以看出，当立杆间距、步距均相同，且斜撑的设置也相同，去除横向水平扫地杆后，立杆上的每个测点应力增加15%左右。

(2)从表2和表4的计算结果可以看出，当立杆间距、步距均相同，且斜撑的设置也相同，去除横纵2个方向水平扫地杆后，立杆上的每个测点应力增加27%左右。

(3)由于水平杆、斜撑、水平扫地杆等对架体在荷载下的受力传递分配的影响，立杆应力从上到下依次减小。

3　满堂扣件式钢管脚手架的有限元模拟分析

满堂扣件式钢管脚手架是由纵、横水平杆及立杆用扣件连接的一种多跨空间框架钢结构体系，利用结构有限元软件ANSYS建立有限元模型,模型等效为线性刚接空间体系[6]。

3.1材料定义

试验中的钢管为Q235,弹性模量E为210 GPa，泊松比取0.3，屈服强度为235 MPa，直角扣件为铸铁，属于脆性材料,取其弹性模量为E为105 GPa，泊松比取0.25，螺栓为理想弹塑性模型，各向同性，取屈服前弹性模量E为210 GPa,泊松比取0.3，屈服强度为640 MPa。

3.2模型的建立

本实验满堂扣件式钢管脚手架实验方案对应的模型如图3～图5所示，逐级施加荷载后，对应的应力图如图6～图8所示。

图3　去除一个斜撑后架体模型

图4　去除横向扫地杆后架体模型

图5　去除纵向扫地杆架体模型

图6　去除一个斜撑后架体应力图

图7　去除横向扫地杆后架体应力图

图8　去除纵向扫地杆架体应力图

3.3实测与有限元分析间的对比分析

由表2﹑表3﹑表4的数据分析可知立杆最上面的1测点受力最大，为相对危险点，所以取最上面1测点在上述三种方案中不同荷载下理论计算值与模拟值的比较，如9～图11所示。图中荷载单位为kN/m2,应力单位为MPa，应力均为压应力。

图9　加载方案1实测值与模拟值比较

图10　加载方案2实测值与模拟值比较

由图9～图11可以看出，对于满堂架体中立杆所受的应力，ANSYS模拟出的数值总体小于理论计算值，整体趋势与理论计算值较吻合。

图11　加载方案3实测值与模拟值比较

4　结论

(1)扫地杆设置与否对脚手架立杆稳定性和承载力有很大影响，不设置或设置质量不符合要求，在极限荷载作用下易导致工程事故，尤其对于超过一定规模的危险性较大工程[7]，施工中更应该引起重视。

(2)设置扫地杆能有效地增大模板支架的整体刚度，尤其对于底层模板支架而言，设置扫地杆可以避免地基局部变形而影响整个支架模板的稳定性。

(3)由数值模拟结果可知把满堂扣件式钢管脚手架等效为线性刚接空间体系进行模拟分析对实际工程的安全分析是可以借鉴的，数值模拟能够以更加便捷的方式得到分析结果。其他形式的脚手架能否按此等效是值得研究的。

(4)设置扫地杆能够大大增加满堂扣件式脚手架的承载能力，并结合当前我国施工单位的情况，有必要向施工人员介绍设置扫地杆的重要性。由于现行标准对设置扫地杆的影响强调不足，故在施工中应倡导设置扫地杆。

[1]郑屹峰.建筑施工脚手架安全事故分析[D].湖南：中南大学,2010.

[2]周洪涛,郭志鑫.扣件式钢管满堂脚手架ANSYS受力性能分析[J].施工技术,2013,42(14):98-101.

[3]桌新,姚光恒.扫地杆对扣件式钢管脚手架结构承载力的影响[J].建筑技术,2004,35(8):582-583.

[4]中华人民共和国建设部.建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范:JGJ 130-2011[S].中国建筑工业出版社,2011.

[5]顾海栋.基于分布式光纤布里渊频移的液体压力检测技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[6]孙训方,方孝淑.材料力学(I)[M].第5版.北京:高等教育出版社,2008.

[7]俞洪良,张土乔,潘新华.支模脚手架安全管理控制系统研究[J].建筑经济,2007(S2):334-337.

Bearing capacity influence analysis of sweeping bar of steel tubular scaffold of full house

HU Xiu-jun，LI Yang

(SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

For the neglect of erecting and the erection quality of actual construction.In the laboratory entity erection experiments,height of 4.0m, 3 × 3 cross,span 0.95m,step 1.3m of full steel tubular scaffold vertical load.By setting the vertical and horizontal sweep shot,removing the lateral sweep shot,and then removing the longitudinal sweep shot,analyzing the impact on the rack rod bearing capacity,and simulating results comparative analysis with ANSYS finite element software.concluding that the removal of sweep shot has a significant effect on the bearing capacity of the scaffold pole.So the actual work should attach great importance to the impact of the frame body of sweep shot.This experimental results provide reference for technical personnel of on-site erection of the frame body.

full scaffolding;sweep shot;ANSYS;carrying capacity

2016-01-10

胡秀俊(1989-)，男，安徽霍邱人，硕士研究生。

1674-7046(2016)03-0029-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.006

TU731.2

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