某脚手架半刚性节点的计算模拟及屈曲分析

摘要：碗扣式脚手架的扣件节点是一种典型的半刚性连接节点，目前对这种半刚性节点转动刚度的规定较少，因而难以计算脚手架体系的承载能力和工作性能。工地常是凭借施工经验来架设支撑，致使常有倒塌意外发生。本文采用Midas Gen有限元软件通过调整节点转动刚度模拟半刚性连接节点，对某高架桥脚手架建立半刚性模型并进行强度分析和屈曲稳定分析，根据计算结果得出一些有用的结论。

中图分类号：TU731文献标识码： A

The analog computation of semi-rigid connection node and buckling analysis of scaffolding

Cuplok-scaffolding is a typical semi-rigid connection node, the current node of semi rigid rotation provisions of this stiffness is less, so it is difficult to calculate the bearing capacity and work performance of scaffold system. The site is often by construction experience to build support, often results in the collapse accident. This paper uses Midas finite element software Gen by adjusting node rotation stiffness simulation semi rigid connection, semi-rigid model to establish a viaduct scaffolding and analysis of intensity and buckling stability, according to the calculated results, some useful conclusions are obtained.

关键词：碗扣式脚手架半刚性连接屈曲分析转动刚度

Key words：Cuplok scaffolding; semi-rigid connection; buckling analysis; rotational stiffness

引言

碗扣式脚手架的扣件节点,是一种典型的半刚性连接节点。目前规范对这种半刚性节点的转动刚度尚无明确规定，加之这种半刚性节点的力学模拟比较复杂，致使施工人员难以精确计算脚手架体系的承载能力和工作性能,导致脚手架事故多有发生。为此本文根据前人对半刚性节点的研究经验，总结了碗扣式脚手架的连接节点的转动刚度数值。采用Midas Gen有限元软件通过调整节点转动刚度来模拟扣件节点，并以某高架桥脚手架为例建立半刚性模型进行强度分析和屈曲稳定分析，根据计算结果得出一些有用的结论。

1 扣件半刚性节点的转动刚度

徐崇宝等提出了扣件节点的半刚性假设,认为节点介于铰接和刚接之间,节点的转动刚度与螺栓拧紧程度有关,但未给出具体几何参数[1]。敖鸿斐,李国强等对扣件的半刚性性能进行了研究,给出了节点的竖直平面内转动刚度[2]。袁雪霞给出了半刚性节点的包含两个参数的对数函数模型[3],但此模型难以用于计算模拟。

依据文献[2]和文献[4]关于扣件节点转动刚度及破坏弯矩实验结果,本文认为取竖直平面内极限弯矩为1.2KN.m,水平面内极限弯矩为0.3KN.m是偏于安全的，节点转动刚度取值不宜超过30.0KN.m/rad。

2 基于Midas Gen的半刚性节点模拟

脚手架计算的关键是半刚性节点的模拟，本文对碗扣式脚手架半刚性节点的模拟主要分为以下两点。

2.2 扣件简化原则

将扣件简化成实心柱状短杆，为使扣件所连接的部分能相切而选定短杆的长度为 48 mm，按质量对等原理，扣件的平均自重为1.54Kg，从而假定其直径为72.8mm[5]。

2.1半刚性节点的模拟

本文采用Midas Gen有限元分析软件，将脚手架单元简化成两端节点处装有转角弹簧的弹簧梁单元，并对节点上的三个方向旋转自由刚度值作了半刚性设置，使得原来的刚性节点变成具有半刚性性质的节点[6]。代替扣件的柱状短杆在两个竖向平面内分别与纵、横向水平杆以半刚性弹簧节点的方式连接，其另一端与主立杆以刚性方式连接[5]。

3 有限元强度分析及屈曲分析

依据本文第1、2节表述的计算方法，本文采用Midas Gen有限元分析软件，以青岛某高架桥碗扣式脚手架为例建立半刚性有限元模型，综合《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》（JGJ166-2008）[7]和《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2011）[8]确定施工荷载如下：施工人员、机具运输及堆放荷载取值为F1=3.0KN/m2；振捣混凝土产生的荷载取值为F2=2.0KN/m2；倾倒混凝土时冲击所产生的荷载取值为F3=2.0KN/m2。综合考虑恒载、施工荷载及风荷载进行了该支架的强度分析和屈曲分析，结果如下：

图一 有限元模型轴测图

图二 横梁和部分箱梁有限元模型侧视图

3.1 强度分析结果

图三 立杆轴力结果图

图四 立杆强度计算应力图

图五 立杆恒+活+风组合工况应力图

3.2 屈曲分析

脚手架结构的主要破坏模式为：使用荷载超过支架极限荷载。这种破坏大多发生在施工过程中，造成的人员伤亡和经济损失也是最大的，为此进行脚手架结构的屈曲分析确定其极限荷载很有必要。本文选择三个MODE，设定结构自重为定量，施工荷载为变量进行有限元屈曲分析。

图六 MODE1屈曲分析结果图

图七 MODE2屈曲分析结果图

图八 MODE3屈曲分析结果图

由图六-图八可知，屈曲分析该脚手架结构极限荷载平均值为32.8KN，图三中最大轴力计算值为28.42KN，由于该支架手算最大竖杆轴力为27.87KN。三者吻合较好，表明本文才去的计算假定及计算原则是可靠的，并能满足脚手架计算精度要求。

4 结语

本文总结了前人的研究成果，采用有限元分析软件Midas Gen建立模型模拟半刚性节点，计算出较为可靠的极限承载力，验证了脚手架结构的安全性。根据计算结果得出以下结论。

1）脚手架半刚性节点转动刚度模拟参数可取竖直平面内极限弯矩为1.2KN.m,水平面内极限弯矩为0.3KN.m，节点转动刚度可取30.0KN.m/rad。

2）螺栓拧紧程度对脚手架转动刚度影响很大，脚手架搭设时尽量要求工人拧紧。

3）通过不同模型对比分析可知：设置剪刀撑时脚手架结果极限荷载比不设剪刀

撑时高，可见剪刀撑对减小内力提高极限荷载具有良好的作用。

4）脚手架步距不宜过大，综合考虑经济性和安全性1.2m步距最为合适。

参考文献：

[1] 徐崇宝,张铁铮,潘景龙.双排扣件式钢管脚手架工作性能的理论分析与实验研究[J].哈尔滨建筑工程学院学报,1989,22(2):38-55.

[2] 敖鸿斐,李国强.双排扣件式钢管脚手架的极限稳定承载力研究[J].力学季刊,2004,25(2):213-218.

[3] 袁雪霞,金伟良,鲁征.扣件式钢管支模架稳定承载能力研究[J].土木工程学报,2006,39(5):43-50.

[4] 朱启新,万雨辰,张其林.钢管脚手架扣件节点的转动刚度试验和计算模[J].山东建筑学报,2010,25(5):499-502.

[5] 应志君，蒋玉川，徐双武.边坡施工采用超高层钢管脚手架安全性能研究[J].四川建筑科学研究.2012,38(4):342-347．

[6]梁鲜梅，蒋玉川，应志君.双排扣件式钢管脚手架整体稳定极限承载力研究[J].四川建筑科学研究，2013,39(3)：64-67.

[7] JGJ166-2008,《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》[S].

[8] JGJ130-2011,《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》[S].