附着式升降脚手架工作特性检测及整体有限元分析

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[摘要] 文中通过ansys有限元计算，分系出爬架各部分应力及变形；并根据计算结果分析出爬架在工作状态下架体整体稳定性，为实验测试提供理论参考；通过对架体进行试验测试，分析试验数据，得出架体结构应力、杆件挠度及架体防坠性能，为架体设计提供可靠的设计理论及分析基础。

[关键词]爬架 ；有限元；应力测试

中图分类号： TU731 文献标识码： A 文章编号：

0 前言

附着式升降脚手架是近年来在高层建筑中一种新型的施工升降平台。它解决了普通脚手架不能进行高层和超高层建筑外墙施工的难题，目前已经得到广泛的使用。它一般由支架、爬行机构、动力及控制设备、安全装置和其他专用构件组成。由于这种具有爬升功能的新型脚手架是在原有脚手架的基础上发展而来的，基本上是在施工现场需求的推动下逐渐发展形成的，其结构在工作状态下的力学特性，还缺少具体的研究和试验数据，为确定结构的动态参数和安全装置的性能缺少科学依据。通过进行了扶墙爬架工作状态下架体跨中挠度、加体结构应力的测试实验。本文利用ansys有限元计算对架体进行整体稳定性分析，并且将依据测试数据对架体的工作性能进行分析。

本文利用ANSYS有限元软件对架体进行建立模型并分析计算架体工作状态下支座承载能力，求解架体整体各杆件受力情况，分析架体受力，并找到极限受力点从而确定架体稳定性。这为爬架设计提供了可靠的理论参考数据，也为分析架体各部分受力能力提供方法。文中对架体进行工作状态下应力测试，能够分析测试结果，并且与有限元计算结果共同为架体优化设计提供依据。

1架体结构介绍

本文所研究的架体构造参数如下：架体高度为3倍的楼层高，平均立杆纵距为1.5m；架体总高12.6m，平均步距为1.8m；架体在附着支撑部分沿全高竖向设置定向加强的竖向主框架，主框架为导轨组合式焊接结构，与水平框架和架体构成整体作用；每侧的主框架设置四套固定支座；架体底部结构采用桁架式结构；架体上设有其稳固作用的一组撑。

图1-1 两榀爬架立体图

架体的附墙导向装置由固定导向支座和可动导向滚轮座组成，安装在结构剪力墙或能够承受载荷的建筑物梁上，固定导向支座通过穿墙螺栓与结构固定。爬架采用吊升，悬挑架挂置电动葫芦，以链条吊挂架体，沿导向座滑套滑动提升。在提升过程中，提升电动葫芦通过提升挂座固定安装于导轨上，实现架体依靠导轮上下运动，如图1-3所示。

图1-2 支撑部分细节图

2架体ansys有限元分析

2.1架体结构的建立

架体由导轨主框架、底部水平桁架、架体板组成，其构件由立杆、大横杆、小横杆组成。架体结构中部分杆件是偏心的，所以在建模时应按实际杆件情况来建模，如图2-1所示。架体中杆件既承受横向载荷又有竖向载荷，所以选用所以采用Beam188 空间梁单元模拟。

图2-1 偏心杆件细节图

图2-2 连接处细节图

2.2 加载方式

本文对架体有限元分析为静态线性分析，加载方式按照《建筑施工附着升降脚手架管理暂行规定》规定的内容加载：

⑴恒载荷Gk

恒载荷包括架体结构、维护设施及架体上的机构设备等的自重，通过设置重力加速度加载到架体上。

⑵施工活载荷Qk

施工活载荷包括施工人员、材料及施工工具的自重，通过等效地方法加载到架体设有工作平台的每一层的节点上。加体施工按二层同时作业计算。

每个节点上施工活载荷。

⑶风载荷Wk

风载荷Wk按公式，迎面加载到架体外表面。

式中；

Wk——风荷载标准值；k——风振系数；uz——风压高度变化系数；us——风载体型系数；φ——挡风系数；Wo——基本风压值。

2.3 计算结果分析

图2-3 爬架整体应力云图

图2-4 应力最大处

图2-5应力最小处

从图3-1可以看出，架体整体受力比较均匀，没有明显的应力集中。最大应力为竖向主框架下侧与水平支承结构连接处的近建筑物结构墙面立杆的某点处，如图3-2所示，此处的应力为93.736MPa，而《建筑用管式脚手架设计规范》中规定的最大容许正应力205 MPa，所以脚手架是安全稳定的。最小应力发生在竖向主框架中上部靠近建筑物一侧，如图3-3所示。从图中可以看出在杆件连接点处应力有集中。

图2-6 剪刀撑处应力云图

从图3-4可以看出,在架体结构中起辅助作用的剪刀撑受力并不大，应力主要在10.416MPa以下；架体的主要载荷集中在立杆上，应力分布在41.661MPa以下的范围内；横杆所承受的载荷也较小，分布在31.246MPa以内的范围。

图2-7爬架底部应力云图

从图3-5中可以看出底部桁架结构的杆件受力较为集中，底部斜拉杆的应力基本分布在41.661MPa以下，所以斜拉杆受力较大。

图2-8杆件连接处应力云图

通过图3-6可以看出架体上杆件连接处应力明显要集中，所以在架体结构设计环节中应重点注意杆件连接处的强度。

3 附着式升降脚手架试验测试

3.1 架体测点分布

架体构造如下：架体高度为3倍的楼层高，架体宽度为0.9m；且架体全高与架体水平支撑跨度的乘积小于110m2；架体在附着支撑部分沿全高竖向设置定向加强的竖向主框架，主框架为导轨组合式焊接结构，与水平框架和架体构成整体作用；架体底部结构采用桁架式结构；架体立杆纵距为1.5m，水平步距为1.6m；架体总高度9m，长9m。

3.2 架体载荷施加

检验载荷共分两层就行均布加载，各检验项目外加均布载荷值见表

3.3 架体检测数据

3.3.1水平支撑架下弦杆跨中挠度

3.3.2防坠落装置

3.3.3 结构应力（N/ mm2）

结论

1 通过ANSYS有限元分析架体静态空载、静态加载、爬升等工况，利用ANSYS有限元瞬态动力学求解，得到了各个工况下架体上各杆件应力值。架体最大应力发生在支座处应力为93.7MPa，架体可靠。

2 通过对架体施加均布载荷，模拟爬架在现场施工时工作状态，真实的测试出架体各个节点应力及挠度。并测试出架体突然坠落时防坠装置性能。

3 利用ANSYS有限元求解，列出了架体个各工况下个支座支反力，为爬架安全装置的设计及完善提供了参考。

作者简介：张平平（1985-）女，硕士，工程师

作者单位：中国建筑股份有限公司技术中心