建筑工程中钢管脚手架连墙件结构建模分析

发表时间:2015/10/14   来源:《工程建设标准化》2015年6月   作者:周峰
[导读] 十一冶建设集团有限责任公司,广西,柳州,545007 脚手架作为建筑施工必不可少的一部分,在搭设、使用与拆除过程中存在诸多危险因素。

(十一冶建设集团有限责任公司,广西,柳州,545007)

【摘  要】脚手架作为建筑施工必不可少的一部分,在搭设、使用与拆除过程中存在诸多危险因素。近年来,建筑工程因为脚手架发生的重大事故层出不穷,严重影响了人们的生命安全,埋下了安全隐患。所以科学分析脚手架力学特性,改善钢管脚手架的整体稳定性承载力,避免脚手架倒塌,保护人们生命安全具有重要的现实意义。
【关键词】钢管脚手架;连墙件;建模;ANSYS软件;数值模拟
1.前言
        随着我国经济的不断发展,建筑工程得到了突飞猛进的进步,与此同时,建筑施工安全已经引起了相关部门的广泛注意,特别是加强脚手架搭建意义重大。改善脚手架负载特性,选择合适的脚手架材料,做好受力理论计算,合理搭配人员管理,加强钢管脚手架连墙件建模分析,对于提高脚手架安全性能具有重要的意义,我国先后颁布了《建筑施工模板安全技术规范》、《建筑施工木脚手架安全技术规范》、《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规程》等规章制度,对于脚手架和连墙体进行了详细规定[1]。笔者根据多年的工作经验,首先对钢管脚手架连墙体进行了概述,然后讲述了几种常见的钢管脚手架连墙件的优缺点,最后利用ANSYS软件模拟脚手架连墙体模型,并且对脚手架整体承载力进行了定量分析,具有一定的现实意义和参考价值。
2.钢管脚手架连墙件概述
        脚手架指施工现场为工人操作并解决垂直和水平运输而搭设的各种支架,连墙件在建筑工程中用于将脚手架架体与建筑主体结构连接,能够传递拉力和压力的构件。采用连墙件实现的附壁联结,对于加强脚手架的整体稳定性,提高其稳定承载能力和避免出现倾倒或坍塌等重大事故具有很重要的作用。脚手架具有构造简单、灵活,维护简便、部件的通用性强等优点,能够为施工人员提供安全的工作平台,广泛应用于工业与民用建筑、市政、交通路桥、矿山等行业。《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011)规定:钢管脚手架连墙体分为柔性连墙件和刚性连墙体,柔性连墙体多采用细钢筋、绳索、双股或多股铁丝,对于脚手架稳定性能帮助甚微,此种方式一般只能用于10层以下建筑的外脚手架中,且必须相应设置一定数量的刚性拉结件,以承受水平压力的作用。刚性连墙体采用钢管、扣件或预埋件,既可承受拉力、又可承受压力。但是在实际设计施工过程中,过分依赖经验性的“刚柔”之分,忽略了连墙体实际受力特性,严重影响了连墙体性能,埋下了安全隐患。
3.几种常见的钢管脚手架连墙件分析
        我国当前常见的钢管脚手架连墙体多为半刚性连墙体,在不同的受力情况下刚性变化也各不相同,如果设计施工参数稍有误差,将会对整个脚手架稳定性造成极大的影响。当前我国常见的连墙件方法有四种:预埋钢管法、后锚固法、预埋铁板法、预埋钢筋法。不同连墙件方法优缺点各不相同,具体情况如下表1所示。

表1几种常见钢管脚手架连墙体优缺点一览表

 

        不同钢管脚手架连墙体其优缺点各不相同,其中预埋钢管法应用范围最广,而且刚性好,埋设位置十分准确。脚手架出现倒塌现象的原因有很多,概括来说,可以分为三个:(1)脚手架搭设不符合规范要求,连墙件、剪刀撑随意搭设现象严重;(2)材质不符合规定要求,但是钢管、扣件、底座、脚手板等设备材料检查力度不够;(3)安全管理不到位,操作人员安全意识不足等等。
4.钢管脚手架连墙件结构建模分析
4.1脚手架连墙体结构建模
        钢管脚手架连墙体结构建模的方式有多种类,当前比较常见计算模型有:铰接点模型、排架模型、刚(框)架模型等等。采用非线性的节点转角本构关系对连墙体结构进行建模分析。节点转角本构公式如下:

        承受荷载包括永久负荷和可变负荷,其中永久负荷包括脚手架自重、脚手板和安全网等等,可变负荷包括施工负荷和风负荷,利用铰接计算法将平三维空间体系转化为平面计算体系,计算方法简单可靠,不考虑大横杆与立杆的直角扣件连接节点半刚性性质,也不考虑两杆之间的位置差距。
4.2脚手架连墙体结构建模基本假设
        本文选取16个节点分为四组,主体结构、钢管、铁板、锚栓均采用solid单元,钢筋采用beam单元,材料均为弹性[2]。脚手架连墙体结构建模情况如下表2所示。
表2脚手架连墙体结构建模计算概况


        按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2011)规定做出以下假设:(1)脚手架采用双排式扣件式钢管脚手架,采用框架结构,钢管规格为外直径0.048m、管壁厚度0.0035m,弹性模量210GPa,脚手架搭设高度为50m,纵向间距为1.5m,横向间距为1.2m,步距为1.8m;(2)连墙件采用两步两跨模式,一般每个连墙件覆盖面积在20平方米,偏离节点距离不大于300mm,采用菱形布置,从第一步纵向水平杆处开始设置;(3)基本风压W=0.4kN/m2,地面粗糙程度为B类,连墙件的垂直间距不应大于建筑物的层高,并且不应大于4m;(4)连墙件和主体结构之间不存在相对滑移,扣件和钢管之间连接可靠。当搭设抛撑时,抛撑应采用通长杆件,并用旋转扣件固定在脚手架上,与地面的倾角应在45°-60°之间;连接点中心至主节点的距离不应大于300mm,抛撑应在连墙件搭设后方可拆除。
4.3脚手架连墙体结构建模数值模拟分析
        脚手架连墙体结构建模计算1组采用预埋钢管形式,连墙体拉力和压力均取8kN,折合均布荷载约16MPa。2组、3组分别采用后抛锚和预埋铁板的方式,通过改选取合适的挡风系数,连墙体拉力和压力均取N=16.83kN,折合截面均布压力约34MPa。4组采用预埋钢筋结构方式,连墙件轴向拉、压力均取5kN,折合截面均布荷载约10.2MPa[3]。经过计算分析得出结果如表3所示。
表3计算结果汇总


        经过构建模型并且进行数值模拟分析,可以看出四组节点在压力工况条件下,节点均未超过构建设计强度,全部不大于210MPa,说明四种连墙件均满足荷载要求。四组节点在拉力工况下,除了2组之外,1组、3组和4组都能够满足荷载条件下承载要求。1组采用预埋钢管法,其埋入结构连墙体钢管处于悬臂状态,应力是2组、3组1-4倍,位移是2组、3组的10-100倍,说明预埋钢管法刚性较差,加强了控制难度,但是应用广泛。2组采用后锚固法主要受力部分为锚板,压力状态下能够有效发挥作用,但是受拉状态下,锚板处于“拔顶”状态,有脱离趋势,容易发生滑移现象,2组在使用过程中应该尽可能减小拉力,增大压力,尽量避免在受拉区应用,所以后锚固法广泛应用在多向受力脚手架节点。3组采用预埋铁板法受力情况和2组相似,由于采用双锚栓结构形式应力并没有超限,实际施工应用过程中应该最大程度增加接触面的粘结程度,多用在多向受力的脚手架情况。4组采用预埋钢筋法,其负载最小,应力、位移最大,施工过程中应该保证钢筋埋入深度和焊接强度质量。
4.4结论分析
        预埋钢管法应用范围最广,节点埋入钢筋混凝土的深度决定了钢管应力和应变情况。经过计算,如果节点埋入钢筋混凝土的深度达到20mm,节点应力达到161.7MPa,但是实际应用过程中要严格控制质量,保证正常施工操作空间。后锚固法作为可回收利用的脚手架结构,具有定位准确,刚性好,无补洞工序,无渗水隐患的特点,但是抗拉性能较差,特别是在多向受力的情况下,可以通过孔内注浆加强提高整体结构性,保证受到拉力后不会脱离混凝土表面。预埋钢板法受力情况较好,如果施工条件允许,可以采用预埋钢板法代替后锚固节点提高节点的抗拉和抗压性能。预埋钢筋法应用范围有限,主要适用于16m以下的落地式脚手架。
5.结语
        脚手架连墙体受力情况直接决定了脚手架性能,采用连墙件实现的附壁联结,对于加强脚手架的整体稳定性,提高其稳定承载能力和避免出现倾倒或坍塌等重大事故具有很重要的作用。
参考文献:
[1]徐崇宝,黄宝魁,潘景龙,等.双排扣件式钢管脚手架工作性能的理论分析与实验研究[J].哈尔滨建筑工程学院学报,2012,29(2): 185-188.
[2]张卫红,刘建民,朱国卫.基于整架试验的扣件式钢管脚手架半刚性节点计算方法[J].山东建筑大学学报,2013(1):38-42.
[3]张厚先,徐奋强,张德恒,等.用ANSYS分析扣件式钢管脚手架整体稳定承载力[J].建筑技术.2013(6):7-8.
作者简介
周峰(1969-),男,高级工程师职称,大学本科学历,主要从事项目施工和技术管理工作。

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