不同工况下基于MIDAS/FEA模型的脚手架可调托撑托板计算分析*

程 骥，龚晋徳，陈亚丽

(中建新疆建工(集团)有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

0 引言

现行技术标准对脚手架可调托撑托板设计尺寸的规定不统一，导致建筑企业在应用过程中难以把握，易在设计和施工中出现问题，进而引起较大工程事故。

在JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中第3.4.3条规定，可调托撑受压承载力的设计值不应低于40kN，支托板板厚不应小于5mm[1]；而在DB 37/5008—2014《建筑施工直插盘销式模板支架安全技术规范》中第3.2.9条则认为，可调托撑托板宜采用Q235B钢板制作，厚度不应小于5mm，另外可调托撑托板应设置开口挡板，挡板高度不应小于40mm，同时可调托撑受压承载力的设计值也不应小于40kN[2]；而在YB/T 9251—94《组合钢模板质量检验评定标准》中第7.3.1条规定，底板与顶板厚度应为6mm，允许偏差范围在[-0.60mm，0.40mm][3]； 在CFSA/T 02∶2014《台式模板早拆体系施工技术规程》中第4.0.5条规定，支撑顶板的平面尺寸不应小于100mm×100mm，厚度不应小于8mm[4]；与此同时，在GB/T 700—2006《碳素结构钢》中对Q235B级钢的规定是，支撑头尺寸宜选取150mm ×150mm，板材厚度不得小于6mm，支撑头受压承载力设计值不应低于40kN[5-6]；同时，也有学者进行了相关研究，如牛学超等[7]通过试验研究得到可调托撑长度，U托螺杆伸出长度取 300mm 较为安全。

从以上规范和相关学者的研究可看出[8-9]，现有技术标准对脚手架可调托撑托板设计尺寸的规定并不统一。针对技术标准的不一致和现场技术人员对应用标准的把握不一致问题，本文依托住房和城乡建设部科学技术项目“装配式建筑体系集成化创新应用研究与示范”进行课题研究，选取3种工况利用MIDAS/FEA建立实体有限元模型。计算模型按实际材料类型采用实体单位模拟结构，对不同工况进行计算分析，分析托板的位移、应变、应力情况，给出分析结果和合理建议，对于指导现场施工具有较大意义。

1 方案设计

1.1 标准模型

根据文献[1]，可调托撑的受压极限承载力不应低于50kN。与此同时，可调托撑支托板侧翼高度不宜低于30mm，侧翼外皮距离不宜小于110mm，且不宜大于150mm。支托板长要求不宜小于90mm，支托板厚不应低于5mm，如图1所示。

图1 可调托撑托板构造

1.2 计算模型

与二维平面标准模型相同，在三维实体计算模型中可调托撑受压极限承载力仍应≥50kN，可调托撑支托板侧翼高度宜≥30mm，侧翼外皮距离宜≥110mm，且宜≤150mm，支托板长宜≥90mm，支托板厚应≥5mm。三维实体模型如图2所示。

图2 可调托撑托板三维实体模型

1.3 计算方案

针对不同工况下脚手架可调托撑支托板侧翼外皮距离a、支托板长b、支托板厚t，在不同的极限承载力作用下进行有限元计算，得到不同工况下的位移、应力及范梅塞斯应力等值线云图，计算方案如表1所示。

表1 计算方案

2 模拟分析

2.1 工况1条件下位移、应变及应力分析

当a=110mm，b=90mm，t=5mm时，受压极限承载力≥50kN，得到相应的位移、应变和范梅塞斯应力等值线云图，如图3所示。

图3 工况1 a=110mm时计算结果

分析图3可知，当前条件下托板位置最大位移发生于托板侧翼，最大变形值为0.5mm，其余处变形均较小；而应变处在弹性应变范围内；范梅塞斯应力等值线云图的最大应力为285MPa，4.2%的单元应>215MPa，超过规范允许的钢材强度设计值(215MPa)，其中超过部分均处在可调托撑的螺杆与支架托板焊接处，该处存在应力集中情况。

当a=150mm，b=90mm，t=5mm时，受压极限承载力≥50kN，分析相应的位移、应变和范梅塞斯应力等值线云图可知，托板位置最大位移发生于托板侧翼，最大变形值为1.05mm，其余处变形均较小；应变处在弹性应变范围内；最大应力为453MPa，发生于可调托撑的螺杆与支架托板焊接处，且在托板中部位置处(大面积单元应力在202～85MPa)，超过规范允许的钢材强度设计值(215MPa)，结构不满足要求，故应重新考虑取值。

2.2 工况2条件下位移、应变及应力分析

当a=110mm，b=90mm，t=6mm时，受压极限承载力≥50kN，由得到的位移、应变和范梅塞斯应力等值线云图可知，当前条件下托板位置最大位移发生于托板侧翼，最大变形值为0.408mm，其余处变形均较小；应变处在弹性应变范围内；范梅塞斯应力等值线云图的最大应力为215MPa，均处在规范允许的钢材强度设计值215MPa范围内，此时最大应力出现在可调托撑的螺杆与支架托板焊接处。

当a=150mm，b=90mm，t=6mm时，受压极限承载力≥50kN，由计算可知，此时托板位置最大位移发生于托板侧翼，最大变形值为0.73mm，其余处变形均较小；应变处在弹性应变范围内；范梅塞斯应力等值线云图的最大应力为339MPa，处在可调托撑的螺杆与支架托板焊接处，超过规范允许的钢材强度设计值(215MPa)的单元占比为11.3%，且超出部分处在托板中部位置居多，结构不能满足要求，所以应重新考虑取值。

2.3 工况3条件下位移、应变及应力分析

由a=110mm计算结果可知，当前条件下托板位置最大位移发生于托板侧翼，最大变形值为0.33mm，其余处变形均较小；应变处在弹性应变范围内；范梅塞斯应力等值线云图，最大应力为174.8MPa，均处在规范允许的钢材强度设计值(215MPa)范围内，最大应力出现在可调托撑的螺杆与支架托板焊接处。

由a=150mm计算结果可知，托板位置最大位移发生于托板侧翼，最大变形值为0.62mm，其余处变形均较小；应变处在弹性应变范围内；范梅塞斯应力等值线云图最大应力为247MPa，超过规范允许的钢材强度设计值(215MPa)的单元占比为1%，均处于可调托撑的螺杆与支架托板焊接处，并且超出部分所占比例非常小，可判定为满足计算要求。

通过对工况1～3条件下的脚手架可调托撑托板分别进行MIDAS/FEA有限元建模分析可知，仅工况3满足要求。

3 结语

通过对不同工况下脚手架可调托撑托板进行建模分析，得到对应工况下托撑托板的位移、应变、应力变化情况，综合计算部分和参考规范部分的相关结果，建议脚手架可调托撑设计应满足如下要求。

1)脚手架的可调托撑受压承载力设计值应≥40kN。

2)可调托撑支托板侧翼高度的设计值宜≥30mm，侧翼外皮距离的设计值宜≥110mm，且宜≤150mm。

3)可调托撑支托板的板长宜≥90mm，支托板的板厚应≥6mm。