王 春 福

(浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 東陽(yáng) 322100)

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外腳手架翻板式層間隔離結(jié)構(gòu)有限元模型

王 春 福

(浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 東陽(yáng) 322100)

闡述了外腳手架翻板式層間隔離結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，利用有限元方法分析了靜荷載和沖擊荷載作用下該結(jié)構(gòu)的可靠性，結(jié)果表明，翻板式層間隔離結(jié)構(gòu)能有效承受日常環(huán)境下的靜載荷與沖擊載荷作用，結(jié)構(gòu)可靠。

外腳手架翻板，靜載荷，沖擊荷載，有限元模型

0 引言

為解決外腳手架體內(nèi)側(cè)與結(jié)構(gòu)外墻間的水平防護(hù)的安全性，筆者設(shè)計(jì)了一種翻板式層間隔離結(jié)構(gòu)。應(yīng)用有限元方法分析該翻板式層間隔離結(jié)構(gòu)在靜載荷和沖擊荷載作用下的力學(xué)性能，分析結(jié)構(gòu)可靠性。

1 翻板式層間隔離結(jié)構(gòu)

根據(jù)“合頁(yè)”的原理，翻板式層間隔離結(jié)構(gòu)采用在靠結(jié)構(gòu)體一側(cè)裝置活動(dòng)翻板，翻板與腳手架內(nèi)側(cè)立桿連接，且能向外翻折與腳手板呈一水平面。正常情況下，將翻板翻下當(dāng)作操作層平臺(tái)使用或非操作層隔離措施使用。當(dāng)要對(duì)外墻進(jìn)行裝飾施工操作或需進(jìn)行垂直測(cè)量放線(xiàn)等層間交叉作業(yè)時(shí)，可將翻板翻上當(dāng)作護(hù)腳使用[1](見(jiàn)圖1)。

2 有限單元理論

有限單元法(Finite Element Method,簡(jiǎn)稱(chēng)FEM)[2]是指用有限個(gè)容易分析的單元來(lái)表示復(fù)雜的對(duì)象，單元之間通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接得到近似解的結(jié)構(gòu)分析方法。應(yīng)用有限單元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析得到的結(jié)果的可靠性等主要取決于模型建立時(shí)相關(guān)控制條件和參數(shù)的正確性。結(jié)構(gòu)分析的核心任務(wù)是結(jié)構(gòu)在受外荷載作用下的位移、應(yīng)力和應(yīng)變分析。應(yīng)用有限單元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)近似求解的基本步驟為：

1)結(jié)構(gòu)(或構(gòu)件)離散化；

2)研究單元的平衡和變形協(xié)調(diào)，形成單元平衡方程；

3)離散單元集合，形成離散結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)平衡方程；

4)求解節(jié)點(diǎn)位移和計(jì)算單元應(yīng)力，結(jié)果解釋。

3 單向板豎向沖擊時(shí)的動(dòng)應(yīng)力分析與計(jì)算

以重物鋼與板的平面接觸的瞬間作為沖擊過(guò)程的起始狀態(tài)，此時(shí)單向板尚未變形，其應(yīng)變能為零，而重物的動(dòng)能為：

(1)

重物在此處的勢(shì)能可設(shè)為零。

當(dāng)重物沖擊板面與板接觸后，兩者發(fā)生共同運(yùn)動(dòng)。板受到壓力產(chǎn)生變形，重物也隨之下降，其速度也隨之減小。當(dāng)板的變形達(dá)到最大值時(shí)，即沖擊點(diǎn)(板靠墻一側(cè)長(zhǎng)邊的中點(diǎn))沿沖擊方向達(dá)到最大的動(dòng)位移δd時(shí)，重物的速度減為零，重物的動(dòng)能也等于零。此時(shí)，板所受到的最大沖擊荷載Pd作用。此時(shí)刻即為沖擊過(guò)程的終止?fàn)顟B(tài)。

在整個(gè)沖擊過(guò)程中，重物減少的勢(shì)能為:

V=Qδd

(2)

在整個(gè)沖擊過(guò)程中，重物減少的總機(jī)械能為T(mén)+V。

由機(jī)械能守恒定律可知，重物所減少的動(dòng)能和勢(shì)能，全部轉(zhuǎn)化為板的彈性應(yīng)變能Ud，即:

T+V=Ud

(3)

式(3)表明，被沖擊的單向板的應(yīng)變能等于沖擊荷載在沖擊過(guò)程中所做的功。

在沖擊過(guò)程中，沖擊荷載和沖擊點(diǎn)動(dòng)位移都是從零開(kāi)始增加到最終值，且兩者呈線(xiàn)性關(guān)系，如圖2所示。

(4)

其中，c為單向板的綜合剛度；δst和δd分別為靜位移和動(dòng)位移。

(5)

將式(1),式(2),式(4)和式(5)代入式(3)，得：

解得：

(6)

即：

δd=Kd·δst

(7)

其中，

(8)

把v2=2gH代入式(8)，得:

(9)

其中，Kd為動(dòng)荷系數(shù)；H為沖擊物的最大位置高度。

(10)

Δd=Kd·Δst

(11)

其中，σst，Δst分別為靜應(yīng)力和靜位移;σd,Δd分別為動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移。

討論：

1)突加荷載情況：

2)沖擊荷載情況(一般落體沖擊情況)：

4 靜載、動(dòng)載作用下的有限元分析

根據(jù)翻板式層間隔離結(jié)構(gòu)所在位置的工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境分析表明，現(xiàn)場(chǎng)可能存在著施工操作人員站立與走動(dòng)踩踏、樓層間磚塊等大塊物體掉落沖擊和腳手架搭設(shè)過(guò)程中上層鋼管豎向滑落沖擊等幾種加載情況，對(duì)翻板結(jié)構(gòu)建立了靜載、突加動(dòng)載和沖擊荷載作用下的力學(xué)模型，進(jìn)行有限元計(jì)算與分析。

4.1 有限元模型建立

在分析采用不同腳手板搭設(shè)形式的腳手架構(gòu)造時(shí)，認(rèn)為采用竹笆腳手板時(shí)，承受靜荷載與沖擊荷載作用下的翻板結(jié)構(gòu)為最危險(xiǎn)情況。此時(shí)翻板的支撐情況如圖3所示，其支撐條件為兩端立桿處的連接件、鋼板連接件和小橫桿靠墻外伸端。用有限元分析軟件ANSYS建立有限元模型，如圖4所示。模型共劃分節(jié)點(diǎn)7 104個(gè)，元素3 589個(gè)。通過(guò)組合，翻板結(jié)構(gòu)有限元模型尺寸為1.5 m×0.3 m×0.05 m，根據(jù)約束情況設(shè)置邊界條件為三個(gè)支點(diǎn)和一個(gè)簡(jiǎn)支邊，在翻板靠墻邊中點(diǎn)處設(shè)計(jì)加載點(diǎn)。

翻板材料與鋼板連接件材料相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 翻板與連接件材料相關(guān)系數(shù)

4.2 施工操作人員站立分析

模擬體重為75 kg施工人員站立情況，靜載荷為735 kN，作用在靠結(jié)構(gòu)墻體邊的翻板長(zhǎng)邊中點(diǎn)時(shí)，其有限元分析的相應(yīng)物理量云圖如圖5所示。

分析結(jié)果表明，Mises等效應(yīng)力、總位移、第一主應(yīng)力在安全范圍內(nèi)，能承受平均體重75 kg的施工人員靜止站立的情況。

4.3 施工操作人員行走踩踏分析

模擬體重為75 kg施工人員行走踩踏，突加載荷為1 470 kN，作用在靠結(jié)構(gòu)墻體邊的翻板長(zhǎng)邊中點(diǎn)時(shí)，其有限元分析的相應(yīng)物理量云圖如圖6所示。

分析結(jié)果表明，Mises等效應(yīng)力、總位移、第一主應(yīng)力在安全范圍內(nèi)，能承受平均體重下施工人員在工作過(guò)程中的行走所造成的突加荷載的作用，結(jié)構(gòu)安全。

4.4 層間磚塊掉落沖擊分析

模擬層間施工過(guò)程中磚塊掉落，多孔磚重約3.22 kg，從3.6 m高處掉落沖擊載荷為11 372.8 kN，沖擊作用于靠結(jié)構(gòu)墻體邊的翻板長(zhǎng)邊中點(diǎn)，其有限元分析的相應(yīng)物理量云圖如圖7所示。

分析結(jié)果表明，Mises等效應(yīng)力、總位移、第一主應(yīng)力以及接觸壓力在安全范圍內(nèi)，能承受重約3.22 kg的燒結(jié)多孔磚從3.6 m處掉落的沖擊荷載作用，結(jié)構(gòu)安全。其中Y向應(yīng)力值有最小值是由于翻板與小橫桿連接處的“7”型連接件建模過(guò)程中連接設(shè)置引起的局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的接觸應(yīng)力過(guò)高，不影響整體性能。

4.5 鋼管豎向滑落沖擊分析

模擬層間腳手架搭拆過(guò)程中6 m長(zhǎng)鋼管掉落，鋼管重25.8 kg，從3.6 m高處掉落沖擊載荷為91 123.5 kN，沖擊點(diǎn)為靠結(jié)構(gòu)墻體邊的翻板長(zhǎng)邊中點(diǎn)，其有限元分析的相應(yīng)物理量云圖如圖8所示。

研究結(jié)果表明，Mises等效應(yīng)力、總位移、第一主應(yīng)力超出安全范圍，不能承受質(zhì)量為25.8 kg，長(zhǎng)為6 m的鋼管從3.6 m高處垂直滑落的沖擊荷載作用，在腳手架搭拆過(guò)程中要注意操作安全性，以防此類(lèi)情況發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用ANSYS軟件建立施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中、不同荷載作用條件下的層間隔離翻板結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)建模的基本理論和豎向沖擊時(shí)的動(dòng)應(yīng)力分析與計(jì)算理論作出詳盡的闡述，對(duì)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)荷載狀態(tài)下的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：

1)在承受施工操作人員站立荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)的Mises等效應(yīng)力、總位移和第一主應(yīng)力在安全范圍內(nèi)，滿(mǎn)足翻板結(jié)構(gòu)的可靠性要求。

2)在承受施工操作人員行走踩踏時(shí)的突加荷載和層間(落差高度3.6 m)磚塊等易發(fā)生的塊體墜落的沖擊荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)的Mises等效應(yīng)力、總位移、第一主應(yīng)力和接觸應(yīng)力在安全范圍內(nèi)，滿(mǎn)足要求。

3)在受到上層(落差高度3.6 m)腳手架搭設(shè)過(guò)程中偶然的鋼管(長(zhǎng)6 m)豎向滑落沖擊荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)存在危險(xiǎn)，該方案需進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

[1] 王瑜玲,蔣增河,王春福.外腳手架層間活動(dòng)翻板的研究與應(yīng)用[J].居業(yè),2015(16)：86-87.

[2] 唐湘民.Autodesk Inventor有限元分析和運(yùn)動(dòng)仿真詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009：25-30.

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[4] 陳嘉強(qiáng).淺談腳手架方案的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)原理[J].科技信息,2010(13):56-58.

The finite element model of turnover plate interlayer isolation structure of external scaffold

Wang Chunfu

(ZhejiangGuangshaConstructionVocationalTechnologyInstitute,Dongyang322100,China)

This paper described the characteristics of turnover plate interlayer isolation structure of external scaffold, using the finite element method, analyzed the reliability of static load and impact load of the structure, the results showed that the turnover plate interlayer isolation structure could effectively withstand static load and impact load in daily environment, had reliable structure.

external scaffold turnover plate, static load, impact load, finite element model

1009-6825(2017)11-0044-03

2017-02-07

王春福(1983- )，男，講師，工程師

TU311.4

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