基于ANSYS的附着式升降脚手架桁架结构优化设计

岳桂杰,保承军

(兰州城市学院 培黎机械工程学院，甘肃 兰州 730070)

附着式升降脚手架是一种新型的脚手架系统，俗称爬架。一般应用于各种设计类型的高层和超高层房屋建筑及外形一致的高耸建筑物的施工防护[1]；适用于现浇剪力墙、框架、圆弧阳台、挑板等复杂外形的施工[2]。主要应用于高层剪力墙式楼盘，可以沿着建筑物往上攀升或下降。

应用ANSYS软件对一种智能脚手架架体进行有限元分析，旨在通过分析找出架体在添加单个桁架、多个桁架和不添加桁架的工况下，架体的应力及变形情况，从而找出最佳设计方案。

1 有限元模型建立

由AutoCAD软件建立三维线性架体模型，并通过相应的格式转换导入ANSYS软件中进行操作。严格按照脚手架设计尺寸赋予截面相应的尺寸和属性，从而在有限元软件中建立一个合理的有限元模型[2]。架体由钢管、钢板组成，均采用Q235结构用钢，材料属性见表1。其中杆件单元选用BEAM188单元，板件单元选用SHELL181单元。

表1 材料属性设置

2 网格划分

架体中网格划分采用系统默认的划分方式[3]，架体模型网格划分如图1所示。

图1 架体网格划分

3 荷载及约束条件设置

根据脚手架架体实际工作中的附着情况，在每层、每个导轨与建筑物接触的位置施加两个固定约束，在二、三层板上施加每层3 000 N的均布荷载，如图2所示。

4 架体在各种工况下的计算结果

架体在一般工作状态下主要受到竖向荷载的作用，其中架体自重和施工时的荷载为本次着重分析考虑的影响因素。架体拼装完整后一共5层，为了防止架体在安全使用时的变形，在两层中间均设置了钢桁架，分别分析不设置钢桁架、设置1、2、3和4处及全部设置钢桁架时10种不同工况下最大竖向位移、最大应力和极限挠度及极限应力值的变化，从而找出架体桁架设置的最经济合理方式[4-5]。

图2 架体荷载及约束分布

4.1 工况1：不设置钢桁架

1) 各方向位移情况。

在不添加钢桁架的情况下，水平位移的值均比较小，不影响架体的安全使用，因此不作为此次分析的主要内容，故在以下工况下不再分析。其中各方向位移情况如图3所示，图片为放大20倍的效果。

从图3中可以看出，Y向(竖向)位移最大处数值为30.064 3 mm，中跨处的立杆随板件变化较大，挠度超出了挠度限制值20 mm(板跨度的1/150)，显然此时变形过大，不符合安全使用条件。

(a) X向

(b) Y向

(c)Z向图3 不设置钢桁架时的各向位移(位移单位为mm、应力单位为MPa)

2) 等效应力情况。

此时应力接近极限应力，最大位置出现在左起第四组立杆与二层踏板接触的位置，具体情况如图4所示。

图4 不设置钢桁架时的等效应力(单位：MPa)

4.2 工况2：仅设置一、二层间的大桁架。

在设置一、二层间大桁架的工况下，最大位移挠度值为17.3 mm，小于挠度限值20 mm，可安全使用，具体如图5所示。最大应力出现的位置不同于不放置桁架时的位置，此时在左起第四组立杆与三层踏板交接处，数值为186.97 MPa，小于极限荷载值，具体如图6所示。

图5 设置一、二层间的大桁架时的竖向位移(单位：mm)

图6 设置一、二层间的大桁架时的等效应力 (单位：MPa)

与工况1和2的计算分析相似，利用ANSYS软件分别计算工况3(一、二层间的大桁架和二、三层间的小桁架)、工况4(一、二层间的大桁架和三、四层间的小桁架)、工况5(一、二层间的大桁架和四、五层间的小桁架)、工况6(一、二层间的大桁架和三、四、五层间的小桁架)、工况7(一、二层间的大桁架和二、三、四层间的小桁架)、工况8(四道桁架全部设置)、工况9(最上部双层小桁架)、工况10(最上部为单层小桁架)下的最大竖向位移、最大应力和极限挠度及极限应力值的变化，结果见表2所示。

表2 各种工况下竖向位移及等效应力

5 计算结果分析

通过对各种工况下设置不同桁架数量的对比分析，可以看到不同设置情况下结构内力与位移有较大影响。为便于叙述,文中将桁架自底部向上依次简称为底部大桁架、二层小桁架、三层小桁架、顶部小桁架。计算结果为：① 所有类型架体在自重及施工荷载作用下平面外变形较小；② 架体在不设置桁架时的变形和应力情况与设置桁架时有明显不同；说明桁架对整体结构的位移具有控制作用。架体不设置桁架时板的挠度超过了限值，最大应力也超过了材料的极限值，故实际工程中该架体必须设置桁架；③ 架体最大位移出现在踏板上，最大应力出现在左起第四组立杆与二层或三层踏板接触的位置；④ 架体全部设置桁架时的最大位移和最大应力与同时设置底部大桁架和顶部小桁架时的情况很接近，并且结合其余各工况分析结果，本架体在同时设置底部和顶部桁架后，不需要设置中间两道桁架;⑤ 当仅设置一道桁架时(底部大桁架或顶部小桁架)，顶部小桁架在位移和应力结果上要稍稍优于底部大桁架，但设置双层桁架会影响内层施工人员的操作空间，从绿色节能，提高利用的角度出发[6]，结合顶层小桁架仅设置单层的分析结果，此架体设置一道底部大桁架是较为经济合理有效的方案。

通过以上分析结果可知，单纯设置一道桁架(底部大桁架或顶部小桁架)时的最大内力和位移可满足要求。考虑到工程现场的不确定性，为了保证架体的整体安全与稳定，建议设置底部大桁架附加一道小桁架，小桁架的位置可根据施工现场设置，其余部分的桁架可以不设置，这样可保证结构安全和整体稳定[7]。