胡秀俊,李　洋

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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滿堂扣件式鋼管腳手架掃地桿對架體承載力影響分析

胡秀俊,李洋

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

針對實(shí)際施工中對掃地桿是否搭設(shè)和搭設(shè)質(zhì)量的忽視，在實(shí)驗(yàn)室搭設(shè)高度為4.0m，3×3跨，跨度0.95m，步距1.3m的滿堂扣件式鋼管腳手架豎向加載的實(shí)體實(shí)驗(yàn)，通過設(shè)置縱橫向掃地桿，去除橫向掃地桿，再去除縱向掃地桿分析對架體承載力影響，并與ANSYS有限元模擬結(jié)果對比分析，得出去除掃地桿對腳手架立桿承載力有明顯影響，所以實(shí)際工程中要高度重視掃地桿對架體的影響，此實(shí)驗(yàn)結(jié)論為現(xiàn)場搭設(shè)架體的技術(shù)人員提供借鑒。

滿堂腳手架；掃地桿；ANSYS；承載力

滿堂腳手架是混凝土澆筑時(shí)臨時(shí)性的一種支撐體系，主要承受架體和混凝土的自重，以及混凝土澆筑時(shí)的施工荷載。其中以滿堂扣件式鋼管腳手架應(yīng)用最為普遍，由于其搭設(shè)是人工進(jìn)行，搭設(shè)質(zhì)量受人為因素影響較大，一直以來因腳手架搭設(shè)質(zhì)量問題而引起的傷亡事故時(shí)有發(fā)生[1]。在滿堂腳手架中掃地桿是連接立桿底部的水平桿，具有穩(wěn)固架體的作用。現(xiàn)實(shí)工程中，掃地桿并沒有引起工程人員的足夠重視，施工現(xiàn)場滿堂腳手架立桿底部沒有搭設(shè)掃地桿、少設(shè)掃地桿或掃地桿扣件松動(dòng)等現(xiàn)象普遍存在，本文結(jié)合實(shí)體模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對滿堂扣件式鋼管腳手架掃地桿的設(shè)置對架體整體穩(wěn)定性和承載力的影響進(jìn)行分析研究，其研究成果可供工程技術(shù)人員參考。

1　立桿穩(wěn)定理論分析

實(shí)驗(yàn)主要研究有無水平掃地桿對架體立桿穩(wěn)定性及承載力的影響，為了便于理論分析，假定滿堂腳手所有桿件的節(jié)點(diǎn)具有較好的抗彎性能，則實(shí)驗(yàn)中有掃地桿時(shí)立桿計(jì)算模型為兩端固定,沒有掃地桿時(shí)立桿計(jì)算模型為一端固定一端鉸支,立桿穩(wěn)定系數(shù)如表1所示。

表1　μ值的大小與壓桿端部條件的關(guān)系

2　滿堂扣件式鋼管腳手架試驗(yàn)分析

2.1試驗(yàn)方案

滿堂扣件式鋼管腳手架試驗(yàn)搭設(shè)為3×3跨，跨度為0.95m，架體高度4m，架體試驗(yàn)方案立桿間距為0.95m, 中部縱橫向二道水平桿，步距為1.3m，在中部兩個(gè)方向各設(shè)置一道豎斜撐，底部縱橫向設(shè)置掃地桿，掃地桿距離地面為0.1m[4]。此次實(shí)驗(yàn)研究水平縱橫向掃地桿的使用對架體承載力和穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)進(jìn)行同步靜力加載，荷載傳遞通過液壓千斤頂施加力在工字型梁上，通過工字型梁施加荷載在20mm的鋼板上，使液壓千斤頂?shù)暮奢d均勻地傳遞給腳手架，保證腳手架受到均布面荷載，實(shí)驗(yàn)架體搭設(shè)如圖1所示。

2.2試驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)驗(yàn)室實(shí)體模型試驗(yàn)的目的主要有以下幾點(diǎn)：

(1)實(shí)測腳手架設(shè)置縱橫向水平掃地桿下的立桿應(yīng)力傳遞與分布；

(2)實(shí)測腳手架分別去除縱橫向水平掃地桿情況下的立桿應(yīng)力傳遞與分布；

(3)比較(1)和(2)立桿上各部位的應(yīng)力變化情況，進(jìn)而分析設(shè)置水平掃地桿對滿堂扣件式鋼管腳手架整體穩(wěn)定性和承載力的影響。

2.3加載方案

試驗(yàn)在去除一個(gè)方向的斜撐后，按順序先后去除縱橫兩個(gè)方向的水平掃地桿，加載方案如下：

(1)架體原型在去除一個(gè)斜撐后加載；

(2)在(1)基礎(chǔ)上去除橫向水平掃地桿后加載；

(3)在(2)基礎(chǔ)上去除縱向水平掃地桿后加載。

2.4光纖鋪設(shè)分析點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)采用分布式光纖測試系統(tǒng)，光纖沿鋼管鋪設(shè)，具體分析點(diǎn)如圖2所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)架體

圖2　去除一個(gè)斜撐后架體分析點(diǎn)

在每個(gè)加載方案中，通過分布式光纖測試系統(tǒng)測出沿光纖鋪設(shè)位置的布里淵中心頻率，然后計(jì)算出鋼管的應(yīng)變，通過彈性模量進(jìn)而求出鋼管的應(yīng)力，根據(jù)前后拆除水平掃地桿后立桿的應(yīng)力變化進(jìn)行對比分析。

2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)布里淵頻率與溫度、應(yīng)變之間的關(guān)系[5]：vB=εc11+tc12

式中：vB—布里淵頻率；ε—應(yīng)變變化量；c11—布里淵頻率應(yīng)變系數(shù)；t—溫度變化量；c12—布里淵頻率溫度系數(shù)。取中間立桿上的1～7應(yīng)變點(diǎn)為研究對象，實(shí)測數(shù)據(jù)如表2、表3、表4所示。表中荷載單位為kN/m2；應(yīng)力單位為MPa。

表2　有掃地桿時(shí)對應(yīng)測點(diǎn)的應(yīng)力值　MPa

表3　去除橫向掃地桿時(shí)對應(yīng)測點(diǎn)的應(yīng)力值　MPa

表4　去除橫縱2個(gè)方向掃地桿后對應(yīng)測點(diǎn)的應(yīng)力值　MPa

通過表2～表4，可以得出：

(1)從表2和表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)立桿間距、步距均相同，且斜撐的設(shè)置也相同，去除橫向水平掃地桿后，立桿上的每個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力增加15%左右。

(2)從表2和表4的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)立桿間距、步距均相同，且斜撐的設(shè)置也相同，去除橫縱2個(gè)方向水平掃地桿后，立桿上的每個(gè)測點(diǎn)應(yīng)力增加27%左右。

(3)由于水平桿、斜撐、水平掃地桿等對架體在荷載下的受力傳遞分配的影響，立桿應(yīng)力從上到下依次減小。

3　滿堂扣件式鋼管腳手架的有限元模擬分析

滿堂扣件式鋼管腳手架是由縱、橫水平桿及立桿用扣件連接的一種多跨空間框架鋼結(jié)構(gòu)體系，利用結(jié)構(gòu)有限元軟件ANSYS建立有限元模型,模型等效為線性剛接空間體系[6]。

3.1材料定義

試驗(yàn)中的鋼管為Q235,彈性模量E為210 GPa，泊松比取0.3，屈服強(qiáng)度為235 MPa，直角扣件為鑄鐵，屬于脆性材料,取其彈性模量為E為105 GPa，泊松比取0.25，螺栓為理想彈塑性模型，各向同性，取屈服前彈性模量E為210 GPa,泊松比取0.3，屈服強(qiáng)度為640 MPa。

3.2模型的建立

本實(shí)驗(yàn)滿堂扣件式鋼管腳手架實(shí)驗(yàn)方案對應(yīng)的模型如圖3～圖5所示，逐級施加荷載后，對應(yīng)的應(yīng)力圖如圖6～圖8所示。

圖3　去除一個(gè)斜撐后架體模型

圖4　去除橫向掃地桿后架體模型

圖5　去除縱向掃地桿架體模型

圖6　去除一個(gè)斜撐后架體應(yīng)力圖

圖7　去除橫向掃地桿后架體應(yīng)力圖

圖8　去除縱向掃地桿架體應(yīng)力圖

3.3實(shí)測與有限元分析間的對比分析

由表2﹑表3﹑表4的數(shù)據(jù)分析可知立桿最上面的1測點(diǎn)受力最大，為相對危險(xiǎn)點(diǎn)，所以取最上面1測點(diǎn)在上述三種方案中不同荷載下理論計(jì)算值與模擬值的比較，如9～圖11所示。圖中荷載單位為kN/m2,應(yīng)力單位為MPa，應(yīng)力均為壓應(yīng)力。

圖9　加載方案1實(shí)測值與模擬值比較

圖10　加載方案2實(shí)測值與模擬值比較

由圖9～圖11可以看出，對于滿堂架體中立桿所受的應(yīng)力，ANSYS模擬出的數(shù)值總體小于理論計(jì)算值，整體趨勢與理論計(jì)算值較吻合。

圖11　加載方案3實(shí)測值與模擬值比較

4　結(jié)論

(1)掃地桿設(shè)置與否對腳手架立桿穩(wěn)定性和承載力有很大影響，不設(shè)置或設(shè)置質(zhì)量不符合要求，在極限荷載作用下易導(dǎo)致工程事故，尤其對于超過一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大工程[7]，施工中更應(yīng)該引起重視。

(2)設(shè)置掃地桿能有效地增大模板支架的整體剛度，尤其對于底層模板支架而言，設(shè)置掃地桿可以避免地基局部變形而影響整個(gè)支架模板的穩(wěn)定性。

(3)由數(shù)值模擬結(jié)果可知把滿堂扣件式鋼管腳手架等效為線性剛接空間體系進(jìn)行模擬分析對實(shí)際工程的安全分析是可以借鑒的，數(shù)值模擬能夠以更加便捷的方式得到分析結(jié)果。其他形式的腳手架能否按此等效是值得研究的。

(4)設(shè)置掃地桿能夠大大增加滿堂扣件式腳手架的承載能力，并結(jié)合當(dāng)前我國施工單位的情況，有必要向施工人員介紹設(shè)置掃地桿的重要性。由于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)置掃地桿的影響強(qiáng)調(diào)不足，故在施工中應(yīng)倡導(dǎo)設(shè)置掃地桿。

[1]鄭屹峰.建筑施工腳手架安全事故分析[D].湖南：中南大學(xué),2010.

[2]周洪濤,郭志鑫.扣件式鋼管滿堂腳手架ANSYS受力性能分析[J].施工技術(shù),2013,42(14):98-101.

[3]桌新,姚光恒.掃地桿對扣件式鋼管腳手架結(jié)構(gòu)承載力的影響[J].建筑技術(shù),2004,35(8):582-583.

[4]中華人民共和國建設(shè)部.建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范:JGJ 130-2011[S].中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[5]顧海棟.基于分布式光纖布里淵頻移的液體壓力檢測技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[6]孫訓(xùn)方,方孝淑.材料力學(xué)(I)[M].第5版.北京:高等教育出版社,2008.

[7]俞洪良,張土喬,潘新華.支模腳手架安全管理控制系統(tǒng)研究[J].建筑經(jīng)濟(jì),2007(S2):334-337.

Bearing capacity influence analysis of sweeping bar of steel tubular scaffold of full house

HU Xiu-jun，LI Yang

(SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

For the neglect of erecting and the erection quality of actual construction.In the laboratory entity erection experiments,height of 4.0m, 3 × 3 cross,span 0.95m,step 1.3m of full steel tubular scaffold vertical load.By setting the vertical and horizontal sweep shot,removing the lateral sweep shot,and then removing the longitudinal sweep shot,analyzing the impact on the rack rod bearing capacity,and simulating results comparative analysis with ANSYS finite element software.concluding that the removal of sweep shot has a significant effect on the bearing capacity of the scaffold pole.So the actual work should attach great importance to the impact of the frame body of sweep shot.This experimental results provide reference for technical personnel of on-site erection of the frame body.

full scaffolding;sweep shot;ANSYS;carrying capacity

2016-01-10

胡秀俊(1989-)，男，安徽霍邱人，碩士研究生。

1674-7046(2016)03-0029-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.006

TU731.2

A