王 坦,罗 坤,袁志仁,袁 阔,王芙蓉
(长春工程学院土木工程学院,长春 130012)
近年来,不断有各种形式脚手架安全事故发生,为保证轮扣式脚手架的安全性,学者们进行了一系列的研究工作。李文[1]对轮扣式模板支撑架的搭设、安全措施及特点进行了详细分析,并提出了加固措施以提高轮扣式模板支撑架的稳定性,对提升轮扣式模板支撑架的安全性具有一定的借鉴作用。杨伟军等[2]为研究轮扣式钢管支架节点在实际使用过程中的连接可靠性,介绍了轮扣节点的构造特点,分析了节点简化模型在轴力和弯矩作用下插头的受力情况,并运用ANSYS模拟了极限拉应力和极限正弯矩作用下插头的反应,同时,设计试验测试了4种平面框架在单侧水平荷载作用下和反复水平荷载作用后插头的抗拔力。杨伟军等[3]设计了轮扣式钢管支模架节点半刚性水平力加载试验。选用3组试件,通过对试验现象和所得数据的分析及与扣件式钢管脚手架节点刚度的对比分析,得出轮扣式钢管脚手架节点具有典型的半刚性连接特性。程勇等[4]为研究轮扣式钢管脚手架的结构性能,对两跨两步单元架体进行足尺试验研究,得到架体的破坏模式、极限承载力和荷载—位移曲线。罗卫华[5]针对高支模体系影响因素繁多的特点,采用了全等效初始缺陷法分析了轮扣式高支模架的扫地杆搭设对其承载力的影响。通过有限元数值模型分析研究发现,扫地杆的搭设对轮扣式钢管支模架的稳定承载能力有重要的影响。陈立华等[6]详细介绍了直插型轮扣式钢管脚手架的梁体组成和施工中的注意要点,并与扣件式钢管脚手架做了对比,得出轮扣式钢管脚手架具有施工安全系数高、经济效益显著的特点。陈孟等[7]通过对轮扣式节点和扣件式节点进行转角刚度性能试验对比分析,挖掘轮扣式节点的优缺点,并对其进行改进,提高产品性能,确保施工安全,为更好地推广应用新型轮扣式钢管支模架提供了技术支持。王金科等[8]围绕轮扣式模板支架的施工技术,介绍了其施工工艺原理和流程,并提出了相应的工艺控制措施。
现有的研究主要是针对节点和单元架体的试验,未见足尺脚手架的试验研究。缺少针对轮扣式脚手架在特殊工况下,如基础不均匀沉降等的分析研究。本文的研究主要包括几个方面:首先通过轮扣式脚手架足尺架体试验,将得到的相关试验结果作参数,以评价其承载能力;其次,通过合理优化有限元模型参数,利用有限元分析能够较好地模拟试验结果;最后通过已经优化的模型参数,分析在特殊工况,如基础不均匀沉降的情况下,轮扣式脚手架的抗连续倒塌性能,并提出优化构造方案。
1.1 试验方案设计
根据GB 51210—2016《建筑施工脚手架安全技术统一标准》[9]中附录A(脚手架力学性能试验方法)的规定,设计多个架体试验,分别为四立杆单元架体试验、九立杆单元架体试验以及足尺架体结构试验。表1为各组试验的数据准备。
表1 试验数据统计
该试验的目的是通过单元架体试验和足尺试验,将单元结构试验结果与其足尺结构试验结果进行对比分析,综合判定轮扣式脚手架结构的承载能力。
四立杆单元架体试验:由4根立杆,16根横杆以及若干斜撑组成的单跨三步单元架体。该试验对每类步距进行3组对照试验,对其进行极限承载力破坏试验,最终试验结果为3组试验有效数据的平均值。
九立杆单元架体试验:由9根立杆,36根横杆以及若干斜撑组成的两跨三步单元架体。该试验对每类步距进行3组对照试验,最终试验结果为3组试验有效数据的平均值。
足尺结构试验(图1):由16根立杆,64根横杆以及若干斜撑组成的三跨三步单元架体。该试验进行3组对照试验,取中间立杆的极限承载力平均值作为支撑脚手架足尺结构试验架体的单立杆极限承载力值。并将九立杆单元结构试验结果与至少1个支撑脚手架足尺结构试验结果进行对比分析,判定检测结论。
图1 足尺加载架体加载系统
为简化称呼并与规范对应,将四立杆单元简称A单元,九立杆单元简称C单元。本文以足尺结构架体试验为例介绍其抗连续倒塌性能。图2～3为足尺结构方案设计图。
图2 足尺加载架体加载系统立面示意图
图3 足尺加载架体加载系统剖面示意图
1.2 架体试验结果分析
架体试验结果分析汇总见表2,轮扣式脚手架与扣件式脚手架极限承载力对比分析汇总见表3。
表2 架体结构力学性能试验结果分析汇总表 单位:kN
表3 轮扣式脚手架与扣件式脚手架极限承载力[10]对比分析汇总表
本实验步距为1.2 m的模型尺寸(步距×纵距×横距)为1.2 m×2.0 m×1.5 m,与本实验模型尺寸相近的扣件式钢管支模架非线性承载力为 49.44 kN,轮扣式钢管脚手架的承载力为60 kN,比扣件式钢管支模架的承载力高出近22%。
本实验步距为1.8 m的模型尺寸(步距×纵距×横距)为1.8 m×2.0 m×1.5 m,与本实验模型尺寸相近的扣件式钢管支模架非线性承载力为 30.60 kN,轮扣式钢管脚手架的承载力为50 kN,比扣件式钢管支模架的承载力高出近64%。
2.1 建立架体结构有限元模型
采用SAP2000有限元软件,建立各架体试件模型,反复优化实验参数,以能较准确地模拟试验过程。试验构建参数见表4,图4为足尺结构模型。
图4 足尺结构模型
表4 试验构件参数输入表
2.2 分析假定
2.2.1 基本假定
将立杆视为一根连续杆件,即立杆与立杆之间视为无偏心理想连续刚接;立杆与基础为刚接;竖向荷载作用于立杆几何中心;考虑立杆与横杆之间节点的半刚性,根据文献[11],节点连接刚度取35( kN·m)/rad;斜撑与立杆之间的节点视为铰接;暂不考虑风荷载、地震荷载等水平荷载;本分析只研究线弹性阶段,考虑结构几何非线性,不考虑非线性阶段;立杆与横杆之间的节点全部刚接,在各纵、横向水平杆与立杆相交处施加假定的等效水平荷载来考虑全等效初始缺陷的影响。
2.2.2 架体结构有限元分析结果
综合分析表5的数据可得,当把轮扣式脚手架架体试验的初始缺陷设定为等效水平荷载为理想状态下屈曲极限的1.2%时,与试验结果最为接近。
表5 架体结构力学性能有限元结果分析汇总表
3.1 不均匀沉降引起架体连续倒塌的原因
在施工过程中,由于底层地基土回填不密实或雨水侵入等,造成局部架体的地基沉降,进而使架体结构局部失稳,引起架体结构连续倒塌。
3.2 不均匀沉降工况下架体承载能力分析
在足尺结构试验的基础上,通过有限元软件进行不均匀沉降的模拟,以释放Y方向一端支座的方式模拟其工况中出现的地基塌陷。根据规范要求,结合工程实际的架体结构设计方案,在有限元软件SAP2000中建立一个三步三跨的足尺模型(图5～6),跨度和步距均为1 200 mm,足尺模型尺寸为3 600 mm×36 00 mm×4 200 mm(长×宽×高)(图7)。
图5 足尺试验有限元模型释放Y方向左1排支座示意图
图6 足尺试验有限元模型释放Y方向左2排支座示意图
图7 足尺试验有限元模型
3.2.1 线性屈曲分析
该模型在基本假定的情况下,得出分析结果,如图8所示。在线性屈曲工况下屈曲极限荷载为75.29 kN。
图8 各阶模态屈曲因子统计图
3.2.2 非线性屈曲分析
根据2.2.2得到的结果,取该模型的初始缺陷值为屈曲极限的1.2%,75.29×0.012≈0.9 kN,即在非线性屈曲工况下可得屈曲极限为44.28 kN。因此,本文在此模型的基础上对模型释放部分支座进行非线性分析,数据汇总见表6～7。图9为有无竖向剪刀撑脚手架屈曲荷载对比图。
表6 有竖向剪刀撑脚手架有限元分析模型优化情况汇总表
表7 无竖向剪刀撑脚手架有限元分析模型优化情况汇总表
图9 有无竖向剪刀撑脚手架屈曲荷载对比图
通过对比两种工况下的脚手架屈曲极限荷载可以看出,有竖向剪刀撑的脚手架的承载力比无竖向剪刀撑的脚手架的承载力提高了近170%,因此可以得出,竖向剪刀撑对实际工程中脚手架的安全性有着十分重要的作用,必须在具有一定危险情况的工况下对脚手架增设竖向剪刀撑。
针对前述不均匀沉降所产生的问题,本文提出增加斜撑和水平剪刀撑的解决方式。在前述利用有限元软件建立的足尺模型的基础上,假定架体底座延Y方向,有1排或2排支座发生不均匀沉降,分析其对结构整体受力情况的影响。对释放Y方向左端1排支座和释放Y方向左端2排支座这两种情况进行模拟。
4.1 增设水平剪刀撑
由表8可以看出,在释放Y方向左端1排支座的工况下,通过在不同步距位置分别施加水平剪刀撑的措施,得到其极限承载力是逐步提高的,故将水平杆增设在顶层时其屈曲极限最高,效果最好。屈曲极限最高可提升19.8%,能极大地保障施工的安全。
表8 有剪刀撑脚手架有限元分析模型增设水平剪刀撑数据汇总表
而在释放Y方向左端2排支座的工况下,通过一样的方法增设水平剪刀撑,可以得出,当水平杆增设于第2步距时,其屈曲极限提高了77.5%,在各步距中提高程度最高。表明在此工况下,将水平剪刀撑增设于第2层将最大程度地提高脚手架的极限承载力,有利于保障工程的安全。
由表9可以看出,在释放Y方向左端1排支座的工况下,通过在不同步距位置叠加增设水平剪刀撑的措施,得到其极限承载力是逐步提高的,并且可以发现,前3层叠加承载力提高缓慢,当叠加到第4层时,其极限承载力呈爆炸式提升。故从此工况可以侧面体现出第4层增设水平杆对其屈曲荷载的影响巨大。图10为水平杆叠加到第4层的工况图。
图10 水平杆叠加到第4层的工况图
表9 有剪刀撑脚手架有限元分析模型叠加增设水平剪刀撑数据汇总表
而在释放Y方向左端2排支座的工况下,通过一样的方法增设水平剪刀撑,可以得出,随着水平剪刀撑的增设,该工况下的屈曲荷载稳步提高。表明在此工况下,将水平剪刀撑增设于各层将最大程度地提高脚手架的极限承载力,有利于保障工程的安全。
4.2 水平剪刀撑组合斜撑
基于前述组合工况,在释放Y方向左端1排支座的工况下,在将水平剪刀撑增设于第4层的基础上,再对该架体布置增设斜撑。已知对于脚手架而言,随着斜撑的增加,其极限承载力也会相应增加。该组合工况中在第2步距围设斜撑能够使其在水平剪刀撑增设于第4层的基础上提高5.3%的极限承载力,并且效果最佳。
由表10～11中的数据可知,在释放Y方向左端2排支座的工况下,在将水平剪刀撑增设于第2层的基础上,对该架体布置增设斜撑。在该组合工况中围设斜撑不能使其在水平剪刀撑增设于第4层的基础上提高极限承载力,并且有可能大幅度降低其极限承载力。
表10 有剪刀撑脚手架有限元组合分析模型(释放1排)数据汇总表
表11 有剪刀撑脚手架有限元组合分析模型(释放2排)数据汇总表
通过轮扣式脚手架架体足尺试验及有限元模拟分析,提出了当发生地基不均匀沉降时,提升架体抗连续倒塌能力的构造解决方案并得出结论:
1)轮扣式脚手架在足尺试验中步距为1 800 mm时,其极限承载力约为50 kN;该足尺结构的极限承载力设计值为22.73 kN,远大于规范计算所得的极限承载力设计值14.4 kN,由此可以说明,该轮扣式脚手架的承载能力满足要求。
2)本文试验研究得到的极限承载力值与有限元分析结果对比可知,假设节点为半刚性连接,节点刚度取35 (kN·m)/rad,对有限元模型施加初始缺陷荷载,等效水平荷载取理想状态下屈曲极限的1.2%,此时有限元分析结果与试验结果最为接近。
3)在不均匀沉降的特殊工况下,架体的整体稳定性受到极大影响,单杆承受的极限荷载显著降低。采用增加斜撑的布置,随着斜撑的增加,架体的极限承载力显著提高。对于不同程度的地基不均匀沉降,提出相应的构造解决方案,通过有限元分析结果来看,可以显著提高架体结构的抗连续倒塌能力。
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