基于ANSYS 的脚手架钢管的屈曲分析

于兆清 王春光

(招金矿业股份有限公司夏甸金矿，山东夏甸 265414)

近几年来，我国的建筑业蓬勃发展，为我国的经济发展做出了重大的贡献;同时，施工现场的安全生产事故也是屡见不鲜，其中有一类事故比较常见，这就是脚手架坍塌事故。据统计［1］:2010年我国脚手架坍塌事故总共发生12起，造成了极大财产损失。脚手架坍塌的事故原因有很多种，其中主要原因为支撑失稳。本文仅就局部弯曲导致的失稳进行分析。

脚手架工程常用的钢管规格为φ48×3.5，其截面计算参数见表1。

表1 φ48 ×3.5 钢管截面计算参数［2，3］

1 计算杆件的选择［2］

本次计算选择工程常见的杆件:计算长度为3.6 m，设计强度为 f=205 N/mm2，长细比 λ =l0/i=360/1.58=227.9，中心受压折减系数 φ=0.14，从而得:承载力［N］=φAf=0.14×489×205=14 034.3 N。

2 杆件ANSYS有限元计算模型

在模型中，使用Beam189单元模拟该杆件，两端均为铰支。杆件的ANSYS有限元模型如图1，图2所示。

图1 有限元模型

图2 杆件截面理论计算参数

3 特征值理论计算

关于杆件失稳临界力的计算已有相应的经典理论计算公式。

通过式(1)的计算得出特征值计算值为19.47 kN。

4 特征值屈曲计算

特征值屈曲计算主要针对没有初始缺陷的构件，得出在特定工况下杆件发生失稳的理解值，以及与此值相应的屈曲模态。通过对上述模型的计算得出该杆件的第一模态特征值为19.71 kN，即失稳临界力为19.71 kN。

通过特征值模拟值与计算值的比较，两者相差不足1.5%，误差很小，这说明模型是合理的。

5 非线性屈曲分析

由于各种原因，施工现场脚手架工程使用的钢管有的可能有初始弯曲，这势必会导致理论计算值与实际值不符，从而无法判断实际受力状态。下面就不同程度的初始缺陷进行分析，得出不同程度初始缺陷所产生结果的规律性。

分别取特征值屈曲分析第一模态的 0.05，0.045，0.04，0.035，0.03，0.025，0.02，0.015，0.01，0.005，0.001 为杆件的初始缺陷进行计算分析，得出如下结果，如图3，图4所示。

图3 不同程度初始缺陷对极值点的影响

图4 各缺陷对应极值比特征值降低程度

通过图3我们看到随着初始缺陷程度的增大，极值点随之下降;曲线与二项式y=2 450x2－291.57x+19.359拟合的很好。在实际应用时可采用该二项式对实际受力情况进行判别。

通过图4我们发现随着初始缺陷的增大，极值点下降程度急剧增加;曲线与二项式y=－12 583x2+1 497.5x+0.572 1拟合的很好。当初始弯曲为1%时，降低程度达到15%，这个降低值是相当可观的。

通过杆件承载力与图4的对比，可以得到:当初始缺陷达到2%时，实际极限承载力与杆件计算极限承载力相差不过3%，相当接近;当初始缺陷达到2.5%时，实际极限承载力已经比杆件计算极限承载力低，这是非常危险的。

6 结语

通过对该杆件的稳定性进行有限元模拟，我们得到如下结论:

1)初始缺陷对于杆件的失稳状态影响很大;2)在施工时，应尽量选取初始缺陷小的构件作为压杆;3)当不可避免的需要使用初始缺陷较大的杆件时，计算杆件的失稳临界力应注意折减;必要时，应进行专项分析。

［1］中国建设网 http://news.cbi360.com/zt/jsj.

［2］余宗明.脚手架结构计算及安全技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［3］JGJ 130-2011，建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范［S］.

［4］尚晓江，邱 峰，赵海峰，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用［M］.第2版.北京:中国水利水电出版社，2008.