萬昆，張佳，曾潤(rùn)忠，蔡景紅，李勝，嚴(yán)正中

（1.南昌市凱華建筑工程有限公司；2.華東交通大學(xué)，江西 南昌 330000）

1 前言

施工安全問題是土建工程中最重要的注意事項(xiàng)之一，其關(guān)注的重點(diǎn)主要是如何在保證安全的前提下，盡可能地發(fā)揮附屬結(jié)構(gòu)的功能與提高工程進(jìn)度。然而，土木工程臨時(shí)支擋護(hù)結(jié)構(gòu)在使用過程中經(jīng)常會(huì)受到復(fù)雜的外荷載作用，這些外荷載會(huì)降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，同時(shí)造成極大的安全隱患。

腳手架是建筑工程中不可缺少的設(shè)備工具，它不僅滿足了施工需要，還為確保施工項(xiàng)目質(zhì)量和提高工作效率創(chuàng)造了條件，但是腳手架在工程建設(shè)中稍有不慎便會(huì)產(chǎn)生安全事故。2019年3月，江蘇省揚(yáng)州市一工地外附著升降腳手架發(fā)生墜落事故，致6人死亡，5人受傷；2021年4月陜西蔡甸大街綜合整治項(xiàng)目某小區(qū)外腳手架拆除過程中發(fā)生坍塌，造成1人腿部刮傷，8輛車受損，為了減少此類安全事故的發(fā)生，大量專家學(xué)者對(duì)腳手架在使用過程中的受力及變形情況進(jìn)行了研究。陸征然對(duì)偏心荷載作用下扣件式滿堂腳手架的承載性能進(jìn)行了研究，考慮了扣件偏心連接以及水平桿將上部荷載偏心傳遞給立桿的影響，采用非線性有限元模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)偏心荷載作用下腳手架會(huì)沿著剛度較弱方向下出現(xiàn)整體大規(guī)模鼓曲現(xiàn)象。余成濤通過有限元軟件模擬不利荷載工況下的裝配式建筑外腳手架的穩(wěn)定性，以三角支架的立桿及橫桿為研究對(duì)象，提出螺栓錨固在現(xiàn)澆位置上的掛架受力最為可靠。王秀麗研究了不同步運(yùn)動(dòng)時(shí)附著升降腳手架的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，用數(shù)值軟件模擬分析架體結(jié)構(gòu)附著支撐點(diǎn)的內(nèi)力導(dǎo)軌關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角位移變化以及不同節(jié)點(diǎn)位置、不同構(gòu)件尺寸與不同數(shù)量下鋼結(jié)構(gòu)建筑和節(jié)點(diǎn)本身的受力變形特征。謝向陽(yáng)運(yùn)用半剛性節(jié)點(diǎn)多參數(shù)模擬法研究鋼管扣件式腳手架的穩(wěn)定性，為確定腳手架立桿各節(jié)點(diǎn)約束的作用，運(yùn)用單參數(shù)敏感性分析和特征值屈曲分析方法，對(duì)每項(xiàng)約束在架體穩(wěn)定承載力上的貢獻(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，基于對(duì)其貢獻(xiàn)的相對(duì)效能進(jìn)行對(duì)比，揭示出每項(xiàng)約束及對(duì)應(yīng)水平桿、斜桿的作用機(jī)制。綜上所述，現(xiàn)有的研究中研究對(duì)象多為傳統(tǒng)的滿堂式或懸挑式腳手架，且研究的荷載工況較為單一，與實(shí)際施工中的受力情況符合較差。在國(guó)家大力發(fā)展新型裝配式建筑的大背景下，傳統(tǒng)腳手架已不適用于裝配式建筑結(jié)構(gòu)的安全防護(hù)，且易造成現(xiàn)場(chǎng)架體材料堆積，場(chǎng)地混亂。

為解決上述問題，適應(yīng)裝配式建筑發(fā)展的需要，本文提出一種新型的適用于裝配式建筑的外掛腳手架，利用有限元軟件ABAQUS建立新型裝配式腳手架的三維仿真模型，采用梁?jiǎn)卧皻卧獙?duì)架體及面板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，開展了不同種類的組合荷載作用下的新型裝配式腳手架有限元試驗(yàn)，探討該架體在使用過程中的安全性，重點(diǎn)研究了其在使用過程中的受力與變形情況，旨在為高層、超高層與裝配式建筑施工外防護(hù)架安全合理設(shè)計(jì)提供參考。

2 新型架體結(jié)構(gòu)

以南昌市政公用集團(tuán)旗下凱華建筑有限公司某村房改工程所用新型自爬升腳手架為背景，該腳手架分為上下兩部分，二者通過承插相連接，其中主體結(jié)構(gòu)有主框架、走道板、翻板以及防護(hù)網(wǎng)四個(gè)部分。架體材料均為冷彎薄壁型方鋼焊接組成，外掛腳手架的防護(hù)網(wǎng)采用拼花式的鋼絲密目網(wǎng)，該腳手架具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，上榀腳手架為兩個(gè)工作面與四根立桿組成，高8.0m，工作面尺寸為3.0m×0.7m，上工作面外防護(hù)網(wǎng)高1.5m，下工作面防護(hù)網(wǎng)高3.0m，選 用 方 鋼 尺 寸 有30mm×30mm×3mm、20mm×20mm×2mm、50mm×30mm×3mm；下榀腳手架為單一工作面，高3.0m，工作面尺寸為3.0m×0.7m，工作面防護(hù)網(wǎng)高2.2m，選用方 鋼 尺 寸 為60mm×40mm×2mm 、40mm×40mm×2.5mm、20mm×20mm×2mm，整個(gè)架體所選材料均為Q235型結(jié)構(gòu)用鋼，其材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

圖1 架體標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)示意圖

3 荷載取值

3.1 恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值

腳手架恒載包括架體結(jié)構(gòu)、維護(hù)設(shè)施以及用于固定腳手架結(jié)構(gòu)的升降結(jié)構(gòu)及其裝置自重，本文所選架體恒載為G=4300N。

3.2 活荷載

活荷載應(yīng)包括施工人員、材料及施工機(jī)具等，架體在使用過程中主要分為兩個(gè)階段，第一階段主要由提升裝置控制架體升降達(dá)到施工作業(yè)層的升降階段；第二階段為滿足實(shí)際工程施工需要而進(jìn)行的正常使用階段根據(jù)實(shí)際操作的情況和附著腳手架的技術(shù)規(guī)程將各工況下荷載，具體要求按《建筑施工工具式腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ202-2010）為準(zhǔn)，本文所取活荷載值如表2所示。

表2 活荷載取值

3.3 水平風(fēng)荷載

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）的規(guī)定：

式中，wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；βz為風(fēng)振系數(shù)，取1；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取值2.0（高度按80m，地面粗糙類別于安全取B類）；μs為腳手架風(fēng)荷載體型系數(shù)，密目式安全立網(wǎng)的擋風(fēng)系數(shù)按0.8計(jì)算；ω0為基本風(fēng)壓值，應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）附表D4中n=50年的規(guī)定采用。按照南昌地區(qū)近50年風(fēng)壓最大值選用，取0.45kN/m2計(jì)算。

因此，風(fēng)荷載為：wk=1×2×0.8×0.45=0.72kN/m2。

3.4 隨機(jī)荷載

腳手架在使用過程中，除了會(huì)受到風(fēng)荷載、人、材料與機(jī)器重量外，還易受到重物掉落或是意外水平推力的作用，這些水平推力與偶然荷載均取值1kN。

3.5 計(jì)算工況

按照附著升降式腳手架在使用過程中的受力情況，按照以下4種工況進(jìn)行荷載計(jì)算，如表3所示，荷載分項(xiàng)系數(shù)如表4所示。

表3 腳手架計(jì)算工況

表4 荷載分項(xiàng)系數(shù)

4 腳手架架體單元及邊界條件

本文基于ABAQUS有限元軟件建立爬架模型，腳手架桿件采用梁?jiǎn)卧˙EAM），單元類型為B31，該單元基于Timoshenko梁理論構(gòu)建，可以考慮剪切變形的影響，使用時(shí)需要定義一個(gè)額外的橫向剪切剛度Transverse Shear Stiffness，不考慮剪切剛度影響時(shí)，往往指定剪切剛度為一個(gè)很大的數(shù)值即可；腳手架踏面采用殼單元（SHELL）建模，單元類型為S4R；桿件-桿件、桿件-踏面之間的連接用tie約束來模擬兩者間的焊接。

以腳手架桿件為重點(diǎn)研究對(duì)象，對(duì)桿件劃分進(jìn)行加密，整個(gè)模型共有4744個(gè)節(jié)點(diǎn)、4584個(gè)單元，如圖2所示。腳手架內(nèi)側(cè)桿件與承重連墻件的連接視為鉸接，約束三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，即UX、UY、UZ，腳手架與防墜連墻件的連接設(shè)置水平方向的約束，即UX、UZ。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分

5 結(jié)果分析

5.1 腳手架桿件軸力

腳手架桿件應(yīng)力云圖如圖3所示，架體桿件壓應(yīng)力極值均在外排第二層下邊兩側(cè)的立桿處，但是，架體桿件拉應(yīng)力極值出現(xiàn)位置并不固定，GK1工況下的拉應(yīng)力極值位于架體外排桿件上，GK2～GK4工況下的拉應(yīng)力極值位于架體內(nèi)排桿件上，上述結(jié)果表明，在施工過程中風(fēng)荷載及其他偶然荷載對(duì)桿件壓應(yīng)力極值出現(xiàn)的位置影響較小，但是腳手架拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置受外荷載影響較大。

圖3 腳手架桿件軸力云圖

圖4 各工況下桿件軸力極值

如圖4所示，GK1～GK4工況下的桿件壓應(yīng)力極值始終高于拉應(yīng)力極值。隨著外荷載不斷地變化，架體桿件承受的壓應(yīng)力逐漸增加，各工況下的壓應(yīng)力極值分別為2.81kN、3.66kN、4.41kN、4.45kN，在GK4工況下達(dá)到了最大值。其中GK2工況相較GK1工況增加了水平外向風(fēng)荷載，腳手架桿件所受軸向壓力提高了約30.25%，GK4工況相較GK1工況桿件壓應(yīng)力增加了約58.36%，增加幅度最大。腳手架拉應(yīng)力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在水平風(fēng)荷載與水平推力的作用下，均不斷地提升，但是由于豎向偶然荷載出現(xiàn)的位置并不固定，其瞬間作用會(huì)引起桿件內(nèi)拉應(yīng)力的重新分布，造成拉應(yīng)力極值的減小。上述結(jié)果表明，施工過程中風(fēng)荷載引起的架體桿件軸力變化不容忽視，但也要警惕施工不規(guī)范引起的偶然荷載。

5.2 腳手架桿件水平與豎向位移

圖5 腳手架桿件的位移

如圖5和圖6所示，GK1～GK4工況下架體變形不斷增加，其中水平離墻最大位移處均為最上層工作面的防護(hù)欄桿上，分別為5.65mm、18.7mm、37.8mm、41.3mm，水平風(fēng)荷載與水平推力的單獨(dú)作用或組合作用下會(huì)造成架體防護(hù)欄水平離墻位移增加約3～5倍。隨著外荷載的不斷增加，架體豎向位移呈單調(diào)遞增的趨勢(shì)，GK4工況相較GK1工況下的豎向位移增加了約17.76%，但是，其變形程度與水平變形相比較小。上述結(jié)果表明，水平向荷載的作用是引起腳手架上工作面防護(hù)欄桿位移與變形主要因素，因此，在施工過程中要盡量避免外荷載作用到外防護(hù)欄桿上。

圖6 各工況下桿件變形

6 結(jié)語(yǔ)

通過建立新型裝配式腳手架的有限元模型，分析該腳手架在不同工況下的受力及變形情況，研究結(jié)果表明：

（1）外荷載會(huì)引起腳手架桿件軸力產(chǎn)生較大變化，具體表現(xiàn)為所受壓應(yīng)力增加約58.36%，架拉應(yīng)力作用約97.6%。

（2）水平向荷載是造成架體離墻位移的主要因素，會(huì)造成架體水平位移增加3～5倍。

（3）架體豎向變形在各工況下的均較小，在GK4工況下增加了約17.76%。

（4）在工程作業(yè)過程中要規(guī)范施工，減少偶然荷載對(duì)架體的作用，新型裝配式腳手架在各組工況下變形均符合要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。