附着式升降脚手架现场试验研究与有限元分析

候丹涛 曾凡奎, 郭 君

(1.西安工业大学 a.建筑工程学院; b.西安市军民两用土木工程测试技术毁损分析重点实验室, 陕西 西安 710021；2.西安云端工程科技有限公司, 陕西 西安 710075)

附着式升降脚手架在经过多年的改进与发展之后，已从原来的半钢附着式升降脚手架发展到如今的全钢附着式升降脚手架，因其相较于传统脚手架具有经久耐用、节能环保以及周转速度快等特点，被广泛地应用于高层和超高层建筑施工中，成为了住建部近年来推广的“十大施工新技术”之一[1]。然而伴随着该项新技术的广泛应用，一些安全事故也随之发生，设计上存在的缺陷和施工人员对该项新技术的认识不足是事故发生的主要原因。

目前，我国对于附着式升降脚手架的研究已经取得了一定成果。白凤美[2]结合脚手架安全技术规范,建立了附着式升降脚手架倾覆和坠落事故风险评价指标体系,为进行附着式升降脚手架的安全评估提供了一种新方法；刘晓旭[3]采用有限差分方法建立包括支座在内的精细化数值模型,对不同支座情况下,支座及架体的应力及位移情况进行计算，为设计人员在选取不同支座时提供了参考；梁华[4]通过研究一种附着式升降脚手架同步升降控制系统模型以及PID控制器优化方法，设计了同步升降控制器，保证了架体各机位的载荷均匀；王秀丽[5,6]利用有限元分析软件ANSYS对整个架体在不同位移工况下的响应进行数值模拟，得到了支撑点应力和转角位移随位移差值的变化规律，为不同步运动下了解架体的转角和位移关系，以及架体此时的最大应力点奠定了基础；同时，还通过有限元模拟与现场试验相结合的方法，绘制了两个新型附着节点的应力位移曲线，得到了新型附着节点与钢结构进行连接的力学性能，为新型节点在钢结构上的布置提供了依据；潘为民[7]通过研究附着式升降脚手架承受的风荷载，为实际工程中进行脚手架的风振分析提供了参考依据。周磊[8]依托工程实际，通过研究倾斜工况下使用附着式升降脚手架，提出在综合考量附着式升降脚手架结构受力和位移的情况下，应将附着式升降脚手架的内倾角和外倾角控制在3°以内。石梦琪[9]通过运用BIM技术，从工程量统计、施工平面布置、可视化交底及安全管理4方面叙述附着式升降脚手架的信息化、规范化管理，有效提高了操作人员的施工效率和操作安装的准确度，且增强了施工现场的安全生产管控能力。同时，传感技术[10～13]在附着式升降脚手架同步控制上的应用，有效地提高了架体的同步运动性、通信的稳定性和操作的灵活性，并大幅降低了施工成本。刘剑锋[14]将物联网技术与附着式升降脚手架的安全管理结合起来，研究论述了基于物联网技术的附着式升降脚手架安全监控管理系统的设计与实现。卢龙玉[15,16]利用SAP2000和ABAQUS两种有限元软件，对新型铝合金附着式升降脚手架进行正常使用情况下的整体稳定性和构件内力分析。通过分析应力和应变云图，并与建筑规范计算的结果进行比较，对结构进行了修正，并进一步简化了计算模型，从而为铝合金附着式升降脚手架的设计和施工提出实用性建议。

综上所述，附着式升降脚手架的研究主要集中在安全管理、结构优化、设计计算等方面，而对附着式升降脚手架在现场施工条件下架体内力分析方面的研究较少。因此，通过对咸阳市某在建工程中使用的附着式升降脚手架进行现场试验，并采用有限元对提升阶段和使用阶段下的架体进行数值模拟，研究该附着式升降脚手架在提升阶段和使用阶段下架体杆件的受力特性和规律，以期为附着式升降脚手架的设计计算提供参考。

1 工程概况

该工程为咸阳市某住宅小区1期项目，试验区域位于9#楼，采用最新型的全钢附着式升降脚手架，搭设高度14 m，宽度为0.6 m，离墙间距0.4 m，架体的内立杆采用50 mm×50 mm×3 mm钢管，外立杆采用50 mm×70 mm×4 mm钢管，立杆分为4，5 m两种规格，横杆与斜撑也为50 mm×50 mm×3 mm钢管，横杆的规格为2 m，架体的跨距和步距均为2 m，杆件之间均通过螺栓连接为整体，架体的外立面采用钢立网框作为防护构件，钢立网框不仅起着防护作用，而且还兼具剪刀撑的功能。

试验区域选取附着式升降脚手架的典型受力部位，具体为9#楼西南侧，根据9#楼的架体布置图和现场的实际情况，以31和32两个机位之间跨度4 m的单元架体作为试验区域，如图1所示。分别选取31号机位和32号机位的内外立杆各2根、底部斜杆各1根、下吊点各1个以及两个机位之间的横杆和斜杆各2根作为研究对象。

图1 测试区域/mm

立杆从下至上分别设置2个测点(LN-11代表第一根内立杆LN-1的第一个应变计，位于吊点下部，距离内立杆底部 50 cm处；LW-11代表第一根外立杆LW-1的第一个应变计，距离外立杆底部50 cm处；LN-12和LW-12位于上部支座与中部支座之间，距离架体中部7 m处；立杆测点均布置在杆件内侧)，每个机位的内外立杆之间下部各有一个斜杆和吊点(X-1表示第一个机位内外立杆下部的第一个应变计，以此类推)，两个机位之间的横杆和斜杆各布置2个测点(H-1代表第一根横杆的第一个应变计，X-2代表两个机位之间第一根斜杆的第一个应变计，D-1表示第一个机位处的第一个应变计，以此类推)，测点布置详图见图2。

图2 测点布置

各杆件的试验均采用YBM工具式表面应变计和uT7116静态应变仪采集数据，现场应变计布置与应变仪连接如图3所示。

图3 现场布置

2 现场试验分析

2.1 提升阶段下杆件内力分析

2.1.1 立杆受力分析

提升阶段的时间相对较少，架体从开始提升至提升到位总共耗时大约20 min。立杆LN-1，LN-2，LW-1，LW-2均位于建筑的西南面，应力曲线如图4所示。分析立杆测点的应力曲线变化趋势，发现内立杆测点的应力曲线近似呈直线，主要是由于内立杆与导轨连接在一起，导轨在导向轮的约束下带动内立杆缓缓上升，使其受到拉应力作用，且拉应力增长比较平缓；外立杆测点的应力曲线呈抛物线，是因为外立杆在最底部支座拆除之后，有向外凸出的趋势，外立杆此时没有侧向约束，此时外立杆测点承受的为压应力，且增长速度较快。立杆上部测点的应力大于立杆下部测点的应力，主要原因在于底部支座拆除之后，架体此时只有4个支座起到约束，同时架体在自重和电动葫芦拉力作用下，应力集中在架体中部，使得上部测点的应力总是大于下部测点。

图4 提升阶段立杆应力

2.1.2 斜杆受力分析

斜杆测点X-1，X-4位于竖向主框架的下部，测点X-2，X-3位于水平支承桁架处，其提升阶段应力曲线如图5所示。由图5可知，竖向主框架下部的斜杆测点应力曲线呈上升趋势，是由于内立杆在电动葫芦拉力的作用下，其斜杆受到了内立杆传递过来的拉力，斜杆测点拉应力的增长趋势与内立杆测点基本相同；水平支承桁架处的斜杆测点应力曲线变化比较平缓，斜杆在两端竖向主框架上升的过程中，中间部位的斜杆受到了两端传递过来的反作用力，使其测点一直承受压应力。

图5 提升阶段斜杆应力

2.1.3 横杆受力分析

提升阶段横杆应力曲线如图6所示。由图6可以发现横杆测点H-1，H-2的应力曲线先有小幅上升，然后再趋于平缓，主要因为电动葫芦在启动的瞬间架体产生轻微晃动，导致应力曲线波动，待电动葫芦运行平稳之后，横杆测点上应力曲线基本保持不变。

图6 提升阶段横杆应力

2.1.4 吊点应力分析

吊点D-1，D-2作为与电动葫芦直接接触的构件，起到将全部荷载传递给电动葫芦的作用，吊点在此阶段一直处于受拉状态，其应力曲线如图7所示，D-1，D-2的应力曲线基本一致，起先均有小幅度的增加，然后应力曲线基本一致，这主要是开始提升时的架体晃动导致，到后期提升平稳后，D-1,D-2的应力值基本相当。

图7 提升阶段吊点应力

2.2 使用阶段下杆件内力分析

2.2.1 立杆受力分析

使用阶段共采集了7 d，按照每天24 h取其平均值作为最终研究数据。此阶段的立杆LN-1，LN-2，LW-1，LW-2的应力曲线(图8)与提升阶段相比，波动现象更为明显。由图8可知，内立杆测点仍然承受的是拉应力，应力曲线波动较大，主要是由于有工人在上面进行支模板以及浇筑混凝土作业，从而引起的波动；外立杆测点始终承受着压应力，应力曲线波动比内立杆更加明显，应力曲线先有增大是因为工人在上面进行施工作业，再到减小是施工作业的结束以及人员的撤离，杆件内力有了明显变化，同时外立杆测点应力曲线波动的另一个原因是在试验期间有着较大的风，风荷载直接作用在与外立杆相连的钢立网框上，造成了此现象的发生；同时，立杆上部测点的应力大于下部测点的应力，是因为架体构造因素造成的应力集中现象。

图8 使用阶段立杆应力

2.2.2 斜杆受力分析

由斜杆测点应力曲线(图9)可知，在使用阶段竖向主框架斜杆测点的应力曲线波动要比水平支承桁架斜杆测点的小，但斜杆承受的应力值要大于提升阶段，是由于架体上部有工人施工和材料堆载，竖向主框架斜杆承受的是内立杆和外立杆下部悬挑部位的荷载，而水平支承桁架斜杆承受着架体上部的所有荷载，因此水平支承桁架斜杆测点的应力值较大且易波动。

图9 使用阶段斜杆应力

2.2.3 横杆受力分析

如图10所示，横杆测点H-1，H-2应力曲线波动较明显，上部施工人员的活动以及混凝土浇筑作业是应力值增加的主要原因。

图10 使用阶段横杆应力

2.2.4 吊点应力分析

吊点是架体在提升阶段最主要的受力构件，在提升阶段起着连接电动葫芦，拉动架体上升的关键作用，当架体提升结束，吊点连接的电动葫芦将同时起到防坠功能，进而吊点依然承受着拉应力，但通过该阶段的应力曲线图11便会发现，此时的拉应力要远远小于提升阶段的拉应力，是因为绝大部分荷载已通过附墙支座传递给建筑物，吊点处仅承受较小荷载。

图11 使用阶段吊点应力

2.3 实测值与计算值对比分析

将应力实测值与理论计算值进行对比分析，见表1。

表1 实测值与计算值汇总 MPa

通过表1可以发现，提升阶段立杆测点的实测应力值小于理论计算应力值，而斜杆测点和横杆测点的最大应力值则有大于计算值的现象，是由于提升阶段架体较大的自重以及电动葫芦的拉力作用，导致下部杆件受力较大。使用阶段测点的最大应力实测值呈现大于理论计算值的现象，立杆测点的最大应力值比理论计算值大了16%，斜杆测点大了15%，横杆测点大了23%，是因为在使用阶段，架体上面还堆载有材料，造成实测值大于计算值的情况。实测最大应力值为σ=117.5 MPa<[σ]=205 MPa，杆件处于稳定状态。

3 有限元数值模拟

3.1 模型建立

本文以两个机位间距4 m的架体为研究对象，模型的建立尺寸为长4 m，宽0.6 m，高14 m，杆件均采用beam188单元，构件材料均为Q235钢材，根据架体的实际约束情况，提升阶段在最下层支座处只施加y方向的平动约束，上部支座施加3个方向的平动约束和转动约束，在使用阶段下对3个支座均施加3个方向的平动约束以及3个方向的转动约束，构件截面尺寸见表2。

表2 附着式升降脚手架构件尺寸

3.2 荷载取值

根据JGJ 202—2010《建筑施工工具式脚手架安全技术规范》的规定，附着式升降脚手架应按最不利荷载组合计算，按照提升阶段和使用阶段分别将荷载施加在节点上，内立杆不考虑风荷载的作用，外立杆考虑风荷载的作用，取值如表3。

表3 架体节点荷载取值

3.3 实测值与模拟值对比分析

根据有限元模拟结果可知：架体无论是在提升阶段，还是在使用阶段，最大应力点始终出现在架体中部，且立杆均呈现中部应力值大于下部应力值的现象，这与现场试验结果保持一致。见图12,13。

图12 提升阶段应力

图13 使用阶段应力

将架体的实测值与模拟值进行对比分析见表4所示。

表4 实测值与模拟值汇总 MPa

通过表4可知，架体在提升阶段和使用阶段的杆件模拟值，均在实测值的范围之内，且模拟最大应力值为σ=118.2 MPa<[σ]=205 MPa，杆件仍处于稳定状态，实测最大应力值与模拟值最大误差在10%以内，与试验结果较好吻合，这也证明了模型的正确性。

4 结 论

通过对咸阳市某工程中使用的附着式升降脚手架进行现场监测试验，并采用有限元对提升阶段和使用阶段下的架体进行模拟分析，得到了以下结论：

(1)立杆的中部实测应力值始终大于下部实测应力值，在实际施工中应该多加注意立杆中部的变化情况;

(2)外立杆应力值大于内立杆应力值，且应力值曲线波动较大，主要是由于风荷载的影响，在进行外立杆受力计算时，应着重考虑风荷载的影响;

(3)使用阶段架体斜杆和横杆的最大应力值大于理论计算应力值，最大应力值超出了理论计算值23%，是因为管理上的不规范，导致在架体上有材料堆载的现象，应该加强此方面的管理工作。