铝合金附着式升降脚手架承力构件刚性及稳定性

刘亚雄, 黄 瑞, 王天鑫, 强科雄, 王 博

(甘肃第六建设集团股份有限公司,兰州 730030, E-mail: 1039116432@qq.com)

附着式升降脚手架是用于高层及超高层建筑施工的辅助工具,其具有防止倾翻、防止坠落的功能。与传统脚手架相比,附着式升降脚手架可利用自身动力设备实现逐层爬升,在提升设备自身机动性的同时,还极大的节省了人力成本,提升了材料的周转率[1-5]。

目前市面上使用的附着式升降脚手架主体大多为钢构件,国内学者在其力学性能方面开展了大量的研究[6-9]。西安建筑科技大学韦东等[10]的研究发现上升和下降工况下架体实测结构应力值相差较大。中铁城建集团刘光明等[11]对附着式升降脚手架的静力性能进行了有限元分析,发现风载荷对架体结构的变形有显著影响。合肥工业大学朱耀冉[12]对斜拉式附着脚手架的受力性能进行了系统分析,发现架体的最大应力均在Q235的屈服强度的50%以下。同济大学岳峰[13]对脚手架的阻力系数进行了研究,并对其工程应用提出了改进建议。综上可知,当前针对附着式升降脚手架的研究主要针对钢构件架体结构。

随着铝合金加工技术的快速发展,铝合金材料的应用也愈加广泛,在建筑结构中的应用也越来越多[14]。由于铝合金材料的密度仅为钢材的三分之一左右,在附着式升降脚手架构件中使用铝合金材料可以极大的降低结构的重量,进而提升脚手架的升降效率,降低能耗[15]。本文采用6061-T6铝合金制造附着式升降脚手架的主要承力构件,并通过理论计算、数值模拟以及现场试验相结合的方法对其刚性与稳定性进行研究,探明铝合金构件的承载极限,为铝合金附着式升降脚手架的工程应用提供数据支撑。

1 试验方案

本文研究对象为附着式升降脚手架的立杆和导轨,构件的截面尺寸如图1和图2所示,现场试验用立杆试验件长度为2.4 m,导轨试验件长度为1.75 m。

图2 导轨截面尺寸

1.1 有限元建模

采用商用有限元软件ABAQUS进行立杆及导轨的稳定性分析,材料为6061-T6铝合金,材料参数见表1。

表1 仿真用材料参数

进行失稳分析时考虑立杆及导轨的使用场景,只求解一阶失稳极限压力,并采用C3D10R单元进行网格划分,立杆及导轨网格模型分别如图3和图4所示。

图3 立杆部分网格模型

图4 导轨部分网格模型

1.2 工艺试验方法

利用固定座、固定挂座及连接板将立杆或者导轨上端固定在试验载体之上,另一端连接在固定挂座及连接板之上,在固定挂座下侧通过2根M30螺栓安装托板,再在固定挂座与托板之间安装固定座,将千斤顶及压力传感器放置在固定座及托板之间,当千斤顶工作时即可产生向下的拉力。立杆与导轨拉伸试验装置如图5所示。

图5 立杆及导轨拉伸实验装置

2 结果分析

2.1 立杆与导轨轴向载荷值计算

立杆采用80 mm×40 mm×4.0 mm×3.0 m铝合金矩形管,立杆纵向距离最大为2.0 m,横向距离为0.65 m,步距为2.0 m。立杆的永久载荷设计值Sk可表示为:

SK=γG×Gkw=1.3×8.89=11.55 kN

(1)

式中:γG表示恒载荷分项系数;Gkw表示外侧永久载荷标准值。

施工载荷设计值SQ可表示为:

SQ=γQ×Gk/2=1.5×23.04/2=17.28 kN

(2)

式中:γQ表示活载荷分项系数;Gk表示永久载荷标准值。

则单个立杆承受的载荷值N可表示为:

N=(SK+SQ)/3=(11.55+17.28)/3=9.61 kN

(3)

同理,可得导轨轴向载荷为47.7 kN。

2.2 立杆与导轨失稳仿真

立杆稳定性仿真计算结果如图6所示,分析仿真结果可得立杆的失稳临界轴向压力为14.7 kN,由2.1的计算结果可知立杆在工作过程中承受的最大载荷为9.61 kN,远小于立杆的失稳临界压力。

图6 立杆失稳仿真结果

导轨稳定性仿真计算结果如图7所示,分析仿真结果可得立杆的失稳临界轴向压力为57.2 kN,由2.1的计算结果可知导轨在工作过程中承受的最大载荷为47.7 kN,远小于导轨的失稳临界压力。

图7 导轨失稳仿真结果

2.3 立杆与导轨拉伸试验结果分析

立杆拉伸试验结果如图8所示,从图中可以看出立杆上下两个距离端部300 mm位置的应力值在整个拉伸过程中基本相等,而立杆中心部位的应力值与两个端部相比偏小。分析应力值可以发现,当立杆承受的拉力达到最大值80 kN时,立杆端部的最大应力值仅维持在110 MPa左右,远低于6061-T6铝合金材料的屈服强度。同时,分析承受拉力的螺栓孔变形发现,在整个加载过程中螺栓孔均未出现变形。上述分析结果说明采用6061-T6铝合金制造的立杆结构可以满足使用要求。

图8 立杆拉伸实验结果

导轨拉伸试验结果如图9所示,可以看出导轨上三个测量点的应力值在整个加载过程中基本相等,而当加载力超过85 kN时,导轨距下端300 mm位置处的应力值与其他两个位置相比偏小。分析应力值可以发现,当导轨承受的拉力达到最大值120 kN时,导轨端部的最大应力值仅维持在50 MPa左右,远低于6061-T6铝合金材料的屈服强度。同时,分析承受拉力的螺栓孔变形发现,在整个加载过程中螺栓孔的最大变形仅为0.3 mm。上述分析结果说明采用6061-T6铝合金制造的导轨结构可以满足使用要求。

图9 导轨拉伸实验结果

3 结束语

本文对6061-T6铝合金材质附着式升降脚手架的立杆和导轨的刚度与稳定性进行了仿真与试验研究,结果表明立杆和导轨的极限失稳压力远大于其在工作过程中所承受的轴向压力。此外,现场工艺试验结果表明在拉伸加载过程中,立杆和导轨上的最大应力值远小于6061-T6铝合金的屈服强度。结果表明,采用6061-T6铝合金制造附着式升降脚手架的立杆和导轨是可行的。