STAAD/CHINA 在搭架设计及强度校核中的应用

周世基，冯木水

(广州中船文冲船坞有限公司,广东 广州 511462)

目前，主流船厂使用的脚手架主要有3种：扣件式钢管架、盘扣式钢管架、英标钢管架。手工计算需要设计受力模型、查阅相关设计手册等繁琐的工作，不但效率低，结果也不直观。通过应用STAAD/CHINA对搭架方案进行建模，可以快速计算，并按中国现行钢结构规范进行检查，输出直观、详细的检验结果。

STAAD原本是美国的一款有限元结构分析与设计软件，进入中国市场后，按中国现行的标准和规范开发了STAAD/CHINA，包括STAAD PRO 和SSDD软件，广泛应用于工业厂房、高层建筑、海洋工程等领域的建模和计算。该软件的特点是建模简单，既可以在STAAD PRO里直接建模，也可以通过AUTO CAD导入模型，比较适用于桁架式结构的设计和受力分析，最大优点在于SSDD可按GB 50017—2017《钢结构设计规范》(以下简称《规范》)直接输出检验结果，包括各杆件的设计参数、应力、挠度等，同时还用红色表示危险杆件，绿色表示合格杆件。如果想简单了解结果，可以快速浏览3D模型；如果想详细检查各杆件的受力情况，也可以输出各杆件的参数报表，使用起来简单、方便。

脚手架的计算包括如下内容：水平杆的抗弯强度、挠度、节点强度；立杆稳定承载力；地基承载力；连墙件强度、稳定承载力、连墙强度；缆风绳承载力及连接强度[1]。

根据船舶修造工作场所特点，本文将重点介绍水平杆的抗弯强度及立杆稳定载力的计算及检验。所选的实例为船厂常用3种搭架方式：双排架、满堂架、悬挂架。

1 双排架

由内外2排立杆和水平杆构成的脚手架，简称双排架[2]。双排架一般适用于舱壁、舷傍板、上层建筑外墙等施工场所。本文采用集装箱船“建仁”号在横舱壁修理时的搭架实例，采用盘扣钢管架，盘扣钢管架的小单元见图1。

图1 盘扣钢管架小单元

1.1 设计方案

根据盘扣钢管架标准JGJ231—2010《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》(以下简称《建筑规程》)的要求，所用构件的规格及材质见表1，脚手板采用钢板网脚手板，每平方米质量按17.3 kg计算，每个斜梯的质量按32 kg计算。

表1 盘扣钢管架规格及材质表 mm

鉴于这类脚手架的特点，它的主要参数如步距、纵距、横距基本是固定的，唯有高度和宽度是根据实际需要而变化的，本文例举的双排架设计方案见表2，作业层在顶层，两端设上下斜梯。

表2 双排架设计方案

1.2 用STAAD/CHINA 建模及计算

一般有限元计算主要步骤为5个，因STAAD/CHINA可以对所设计的方案按《规范》进行检验，其主要步骤可分为以下6个。

1)结构建模。该设计方案的结构比较简单，可在STAAD PRO里直接建模。先建一个小单元，然后复制小单元，完成结构模型。

2)材料属性设置。一般来说，有限元建模中对于梁单元的材料属性设置是比较繁琐的，需要设置Y轴方向、β角及偏移值等。但脚手架的梁单元都是管子，截面特性简单，只要将材料属性设置为钢材，不用考虑上述参数，直接输入管子的直径及壁厚就可以完成材料属性的设置，简单方便。

3)支座定义。底座和固定支承一般设置为刚固支座；连墙件采用刚性连墙件[3]，一般也设置为刚固支座。

4)荷载定义。作用于脚手架的荷载可分为永久荷载(恒荷)与可变荷载(活荷)。永久荷载包括钢管、扣件、脚手板、挡脚板、安全网等防护设施的自重。可变荷载为施工荷载和风载2种[3]。永久荷载按实际情况输入，可变荷载一般取2 kN/m2。这2种荷载一般按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行组合，基本组合要求见表3。

表3 荷载的基本组合要求

5)计算分析。上述步骤完成，需要在STAAD PRO上进行计算，其结果的输出含所有杆件的弯矩、应力、挠度、节点受力等，利用这些结果，可对应不同的规范要求进行逐项分析。

6)规范检验。如果采用《规范》进行检验，先要将完成计算分析的STAAD PRO模型关闭，用SSDD软件重新打开该模型，设置并运行其规范检验功能。SSDD软件可自动按《规范》的要求输出检验结果。

1.3 计算结果

SSDD软件是按《规范》逐条进行检验。如果想快速浏览，可查看其输出模型，如所有的杆件都是绿色，表示满足要求；如果想详细检查其输出参数，可以查阅输出参数表，如果有不满足《规范》的危险构件，表中会用红色提醒，此时需要注意对应的构件及参数。通过SSDD快速浏览模型，本文的设计方案没有危险构件，满足《规范》要求。

同时，又将该设计方案对应《建筑规程》的规定检验项目进行检验，SSDD的计算结果是：水平杆的最大应力为118 MPa，小于 205 MPa；水平杆(小横杆)的最大挠度为1.6 mm，小于6.6 mm；立杆的抗压强度值为58 MPa，小于300 MPa。本设计方案也满足《建筑规范》的要求。

2 满堂架

在纵、横方向，由不少于3排立杆与水平杆及其它相关构件构成的脚手架，简称满堂架[3]。满堂架一般适用于大舱、甲板反顶、坞内的艏艉工程等位置的施工作业，一般使用JGJ130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(以下简称《建筑规范》)要求的扣件式脚手架或英标脚手架。图2是满堂架3D模型，曾用于工程船“津平一号”抛石管的修理。

图2 满堂架3D模型

2.1 设计方案

根据《建筑规范》的要求，脚手架钢管的材质为Q235，其截面几何特性见表4。

表4 扣件式钢管截面几何特性

满堂架搭架方案见表5，作业层设在顶层，需在铺设脚手板的方向上增加一小横杆。

表5 满堂架搭设方案 m

2.2 计算结果

建模过程同上，将STAAD PRO的建模计算结果用SSDD软件按《规范》进行检验，浏览其输出模型，所有的杆件都是绿色；再检查输出参数表，没有红色提醒需要注意的构件及参数，所以，设计方案满足《规范》。

对应《建筑规范》的检验项目，SSDD的计算结果是：水平杆的最大应力为96 MPa，小于205 MPa；水平杆(小横杆)的最大挠度为1.2 mm，小于8.6 mm；立杆的抗压强度值为26 MPa，小205 MPa。结果也满足《建筑规范》的要求。

3 悬挂架

在船舶修造厂，悬挂架也一种比较常见的搭架方式，适用于油船甲板和散货船舱间甲板反顶，图3是某大型油船甲板底的悬挂架3D单元模型，本设计是通过钢丝绳将钢管架悬挂于舱里，一般使用《建筑规范》的扣件式脚手架或英标脚手架。

图3 悬挂架3D单元模型

3.1 设计方案

搭架方案见表6，铺满脚手板，钢管采用《建筑规范》要求的建筑施工扣件式钢管或英标钢管，钢丝绳采用安全负荷为1 t的钢丝绳。

表6 悬挂架搭设方案 mm

3.2 建模计算及结果

对应《建筑规范》的检验项目，SSDD的计算结果是：水平杆的最大应力为208 MPa ，大于205 MPa；水平杆(小横杆)的最大挠度为1.7 mm，小于10.0 mm。水平杆的最大应力虽然不符合《建筑规范》规范的要求，但如果按《规范》的要求，抗拉(压)强度取值是215 MPa[4]，该方案满足《规范》要求。 浏览SSDD输出模型，所有的杆件都是绿色；再检查输出参数表，没有红色提醒需要注意的杆件及参数，所以，该设计方案满足《规范》要求。