基于SolidWorks Simulation的装配式桥式电动升降平台附墙架设计与分析

李 根, 辛钰林, 赵 涛

(甘肃第七建设集团股份有限公司, 兰州 730030)

装配式桥式电动升降平台一种具备快速装拆、省工省料、绿色环保、人料兼运、循环使用等特点,广泛应用于建筑结构各阶段施工作业的专业施工装备。附墙架是装配式桥式电动升降平台的重要部件之一,是用于固定和支撑电动升降平台的结构。附墙架的设计和制造需要考虑电动升降平台的负载能力、稳定性和安全性等因素,以确保电动升降平台在使用过程中的安全性能。以装配式桥式电动升降平台附墙架结构为研究对象,利用Soildworks软件,进行结构的设计和有限元模型的建立。通过对不同附着结构形式的强度、刚度及稳定性的分析,选取较优的结构形式,研究附墙架组成杆件截面尺寸、附墙架长度对其各项性能的影响,为附墙架的设计及应用提供一定的参考依据。

1 模型结构建立

1.1 模型整体结构

装配式桥式电动升降平台采用齿轮、齿条进行传动,垂直升降方式进行作业。其主要由工作平台、智能控制系统、安全控制系统、附着系统、动力系统等几部分组成。工作平台作业长度为7 m,固定段宽度为2.5 m,平台可根据建筑外形进行伸缩,伸缩距离为为0.6 m。组成导架的单个标准节高为1 500 mm,截面尺寸为500 mm×500 mm﹐整体高度达到12 m后开始安装附着系统,每隔6 m安装一个附墙架[1]。

1.2 附墙架组成

装配式桥式升降脚手架附墙架,由U形连接板、拉杆上部、拉杆中部、拉杆下部、固定锚板五部分组成(图1)。在使用过程中,U形连接件使用螺栓与装配式桥式升降脚手架主体连接,固定锚板使用螺栓与建筑连接;可调拉杆上部一端与U形连接件使用螺栓连接,另一端采用正螺纹与调拉杆中部连接;可调拉杆上部一端与固定锚板使用螺栓连接,一端采用反螺纹与调拉杆中部连接[2]。

图1 附墙架结构组成

连接完成后,根据现场实际情况,使用专用调节工具插入可调拉杆主体中部调节段,进行长度调节,直至符合现场使用要求(图2)。

图2 连接示意图

1.3 附墙架结构形式

装配式桥式电动升降平台必须配有附臂,也就是附墙架。附墙架的形式有很多种,结合施工实际情况,选取三种典型附墙架即单侧两杆式附墙架、单侧三杆式附墙架、单侧对称四杆式附墙架作为研究分析的结构形式[3]。

单侧两杆式附墙架为附墙架中最简捷的结构形式,具有结构简单、便于安装等特点,其形式如图3(a)所示;单侧三杆式附墙架,其形式如图3(b)所示;单侧对称四杆式附墙架结构较为复杂,安装困难且用材较多,其形式如图3(c)所示。

图3 附墙架结构形式简图

2 附墙架有限元分析

2.1 有限元模型建立

模型主要由圆管、方管、角钢等组成,应用Soildworks Simulation对构件进行有限元模型建立和静力学分析。在模型建立中,模型构件截面形状及尺寸与实际结构保持一致。在不影响对附墙架静力分析的前提下,对模型进行了适当的简化[4]。

计算模型中,各构件的材料均为Q345,弹性模量为2.10×101 MPa,泊松比为0.3,质量密度为76.98 kN/m3。在模型进行网格化处理中,为保证计算的准确性,对受力较为集中的附墙架、导轨立杆进行网格加密处理。计算模型中共有节点78 253个、单元40 820个[5-6]。计算模型如图4所示。

图4 单侧两杆式附墙架有限元模型

2.2 荷载参数选择

根据文献[7]标准规定,需对作用于电动升降平台及其组成结构的载荷进行分析,为电动升降平台受力分析及强度、刚度和稳定性求解提供依据。电动升降平台荷载主要考虑结构自重载荷、额定载荷、水平操作力、动态力和风载荷的组合。

装配式桥式电动升降平台,其能允许承受的最大施工活荷载为20 kN,平台立柱搭设高度按最高使用高度100 m计算。荷载取值以实际使用过程中,最不利情况进行设定。

2.2.1 恒荷载

电动升降平台结构自重根据实常数、材料密度和截面几何尺寸等自行计算。结构各单元质量可按钢结构材料密度7.8×10 kg/m3求出[8]。手工操作力F以每人200 N计算,力的作用位置假定距电动升降平台底板高度为1.1 m,沿水平方向施加。根据参考文献[7]额定载荷以360 kg计算,包括操作人员及其携带设备、物料等的质量,经计算恒荷载为54.87 kN。

2.2.2 活荷载

活荷载按照电动升降平台能够承受的最大施工荷载取值,取平台施工活载为20 kN。

2.2.3 风荷载

平台风载荷参照参考毛华荣等[9],按附着式状态下的风压值150 N/m2进行取值。

2.3 附墙架静态性能分析

2.3.1 单侧两杆式附墙架

对单侧两杆式附墙架进行静力学分析,附墙架及整体结构应力及变形云图如图5、图6所示。

图5 单侧两杆式附墙架结构应力云

图6 单侧两杆式附墙架结构变形云

根据仿真结果可知,附墙架最大变形位移值为0.48 mm,最大应力值为90 MPa,最大变形位置及应力位置均在拉杆头部扁钢位置。

2.3.2 单侧三杆式附墙架

对单侧三杆式附墙架进行静力学分析,附墙架及整体结构应力及变形云图如图7、图8所示。

图7 单侧三杆式附墙架结构应力云

根据仿真结果可知,相较于单侧两杆式附墙架,此形式最大变形位移值和最大应力值略有增加,但增幅不大,最大变形位置及应力位置仍在拉杆头部扁钢位置。

2.3.3 单侧对称四杆式附墙架

对单侧对称四杆式附墙架进行静力学分析,附墙架及整体结构应力及变形云图如图9、图10所示。

图9 单侧四杆式附墙架结构应力云

图10 单侧四杆式附墙架结构变形云

单侧对称四杆式附墙架相较于单侧两杆式附墙架,其最大变形位移值和最大应力均相同,最大变形位置及应力位置仍在拉杆头部扁钢位置。三种常见附墙架结构形式静力学分析数据如表1所示。

表1 附墙架结构形式静力学分析数据

由表1可知,对于附墙架结构形式,三种结构形式的最大应力、最大位移变形量、拉杆与墙面连接处的反作用力均基本相同;从成本考虑,单侧三杆式附墙架、单侧对称四杆式附墙架拉杆数量增多,成本升高,但总体效果并没有显著的改善[10]。因此,采用单侧两杆式附墙架形式为附墙架结构形式的最优选择。

3 附墙架拉杆截面尺寸分析

3.1 截面尺寸参数选择

为了进一步探究附墙架的各项性能,在附墙架结构形式最优的形式下,研究附墙架拉杆截面尺寸对附墙架性能的影响。设定附墙架拉杆初始直径为20 mm;壁厚t为5 mm。现将附墙架拉杆直径按50%的增量增长,增幅增至300%[11-12],对不同拉杆直径下的附墙架进行静力学仿真分析,分析附墙架拉杆截面尺寸与附墙架性能的辩证关系。

3.2 拉杆直径对附墙架结构变形影响

对拉杆直径增大后的附墙架结构进行静力学仿真分析,根据仿真结果,得到其与附墙架最大变形位移值的关系如表2和图11所示;拉杆直径与附墙架应力值的关系如表3所示和图12。

表2 拉杆直径对附墙架位移值影响

表3 拉杆直径对附墙架应力影响

图11 拉杆直径与附墙架位移值关系

图12 拉杆直径与附墙架应力值关系

根据表2绘制拉杆不同直径下的附墙架变形位移值云图如图13所示。当附墙架拉杆直径至40 mm,附着架位移值明显减小,当继续增加附墙架拉杆直径尺寸,附墙架位移值变化不大且趋于稳定,拉杆直径与附墙架变形位移值折线图如图11所示;拉杆直径与附墙架应力值折线图如图12所示。

图13 拉杆直径增大变形位移云

随着附墙架拉杆直径的增加,拉杆中部及螺杆的应力成下降趋势,拉杆头部与标准节连接的扁铁应力逐渐上升,相扁铁的相对强度逐渐降低。由图11和图12可知,拉杆直径在30～40 mm时,结构部件应力处于较低水平,位移变化也不大,相对于大直径,也能节省材料成本。因此,附墙架拉杆直径30～40 mm较为经济,但在应用中应适当增加扁铁的厚度。

4 附墙架长度尺寸分析

4.1 长度尺寸参数选择

装配式桥式电动升降平台,不仅附墙架的结构形式、拉杆的直径对其有较大的影响,附墙架拉杆的长度对其各项性能也会造成影响。若附墙架拉杆长度较长,会导致附墙架变形位移过大,达不到有效的附着约束效果同时其安全性也无法保证;若附墙架拉杆长度较短,无法满足各类施工工况,尤其是遇到悬挑构件就无法进行施工作业,进而限制了装配式桥式电动升降平台的使用范围[13-14]。因此,选择合理的附墙架拉杆长度对附墙架性能的分析有很大的必要。

选取最优结构形式单侧两杆式附墙架,拉杆直径为40 mm,壁厚t为5 mm的结构模型,研究附墙架拉杆长度对附墙架性能的影响。以标准节外沿与建筑物间距离为标准,其长度可近似为拉杆的长度。由于升降平台最小施工安全间距为1 000 mm,设定拉杆初始长度为1 000 mm,现将拉杆长度按50%的增量增长,增幅增至300%,然后按100%的增量增长,增幅增至400%[15-16],对不同拉杆长度下的附墙架进行静力学仿真分析,分析附墙架拉杆长度与附墙架性能的辩证关系。附墙架与建筑物相对位置如图14所示。

图14 附墙架与建筑物相对位置

4.2 附墙架长度对结构变形影响

分别对不同附墙架拉杆长度下的附墙架结构进行静力学仿真分析,得到不同拉杆长度与附墙架最大变形位移值的关系如表4所示;不同拉杆长度与附墙架应力的关系如表5所示。

表4 拉杆长度对附墙架位移值影响

表5 拉杆长度对附墙架应力影响

根据表4绘制拉杆不同长度下的附墙架变形位移值云图如图17所示。当附墙架拉杆长度为2 000 mm时,附墙架的应力值明显出现拐点,当持续增加附墙架拉杆长度,附墙架应力、变形位移值逐步增加;拉杆长度为2 500 mm时,附墙架的变形位移值变化出现明显的上升趋势。拉杆长度与附墙架变形位移值折线图如图15所示;拉杆长度与附墙架件应力值折线图如图16所示。

图15 拉杆长度与附墙架位移值关系

图16 拉杆长度与附墙架应力值关系

图17 拉杆长度增大变形位移云图

由图15和图16可知,附墙架拉杆长度在1 000～2 500 mm时,附墙架各结构部件应力处于较低水平,变形位移值变化也不大,在使用过程中能够达到有效的附着约束效果,同时其安全性能够有效保证。因此,附墙架安全使用距离应小于2 500 mm。

5 结论

本文利用Soildworks软件,建立了装配式桥式电动升降平台标准节、附墙架的有限元模型。利用软件分析了三种不同结构的附墙架的性能。通过各项性能比较选取单侧两杆式附墙架为研究对象,进一步研究了附墙架拉杆截面尺寸、长度对附墙架结构各项性能的影响。通过对研究数据整理,可得如下结论。

1)对于附墙架形式,单侧两杆式附墙架、单侧三杆式附墙架、单侧对称四杆式附墙架三种形式的最大应力、最大位移变形量、拉杆与墙面连接处的反作用力均基本相同;从成本考虑,采用单侧两杆式附墙架形式,材料较为节省,性能较优,为较优的结构形式。

2)附墙架拉杆直径为40 mm时,附墙架拉杆头部扁钢结构变形量较直径为20 mm时减少了47.8%,拉杆中部结构变形量较直径为20 mm时减少了48.9%,拉杆头部螺杆结构变形量较直径为20 mm时减少了48.4%。综合施工成本及分形结构,附墙架拉杆直径30～40 mm较为经济。

3)当附墙架拉杆长度为2 000 mm时,附墙架的应力值明显出现拐点,当持续增加附墙架拉杆长度,附墙架应力、变形位移值逐步增加;拉杆长度为2 500 mm时,附墙架的变形位移值变化出现明显的上升趋势。为确保附墙架在使用过程中能够达到有效的附着约束效果同时保证其安全性,综合分析数据,附墙架安全使用距离应小于2 500 mm。

4)通过不同参数下的附墙架结构研究可知,在各类计算模型中应力、位移变形主要集中在附墙架拉杆头部扁钢处。由于拉杆头部的扁铁与标准节连接,会受到标准节作用力的冲击,易发生疲劳损伤。在实际应用中,应适当增加拉杆头部扁钢的厚度,减少扁铁的平均应力值。