承插型盘扣式钢管支撑脚手架试验及有限元分析_刘京红.pdf

承插型盘扣式钢管支撑脚手架试验及有限元分析刘京红1,2，李文坡2，张凌博1,2，李兵兵3，郭振乾2（1.天津城建大学 天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室,天津300384；2.天津城建大学 土木工程学院,天津300384；3.中铁建设集团有限公司,北京100040）摘 要：为了研究其受力性能，设计出 3 种不同斜杆布置的单元架体，并进行了足尺试验研究及有限元计算。结果表明：斜杆为对角布置时较为合理，且不易使单元架体发生水平倾倒及竖向屈曲失稳；在杆件受力方面，立杆主要是受力杆件，竖向斜杆与水平杆主要是构造杆件，保证整体架体几何不变.运用 ABAQUS 对试验架体进行模拟，模拟结果与试验结果吻合较好；运用有限元对节点刚度分析可知，节点刚度处在 106109 Nmmrad 之间时对承载力的影响较大，进而对承载力节点刚度曲线进行非线性拟合并对比试验值得出节点刚度建议值为 38.1 MNmmrad；分析水平杆步距、立杆间距可知，水平杆步距的增加对架体承载力的影响更为显著，建议在工程设计计算时考虑水平杆步距对支撑架体承载力的影响.关键词：承插型盘扣式脚手架；试验研究；节点刚度；有限元分析中图分类号：TU731.2 文献标志码：A 文章编号：1001-0645(2023)05-0478-07DOI：10.15918/j.tbit1001-0645.2022.133Experiment and Finite Element Analysis forDisk Lock Steel Tubular ScaffoldLIU Jinghong1,2，LI Wenpo2，ZHANG Lingbo1,2，LI Bingbing3，GUO Zhenqian2（1.Tianjin Key Laboratory of Civil Structure Protection and Reinforcement,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;2.School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;3.China Railway ConstructionGroup Co.,Ltd.,Beijing 100040,China）Abstract：As a kind of temporary support structure,the disk lock steel tubular scaffold is an important in engin-eering construction.In order to study its mechanical properties,three different diagonal brace arrangements ofthe unit scaffold were designed,and a full scale test study and finite element calculations were carried out.Theresults show that the diagonal arrangement of the diagonal brace is more reasonable and less likely to cause hori-zontal tipping and vertical buckling instability of the unit scaffold.In terms of rod forces,the standard are mainlyforce-bearing rods,the diagonal brace and ledger are mainly structural rods to ensure the overall frame geometryunchanged.Simulation of the test frame was carried out with ABAQUS.The simulation results are in goodagreement with the test results.The node stiffness analysis based on finite elements analysis method shows thatthe node stiffness has a greater effect on the load carrying capacity when it exists between 106 and 109 Nmm/rad.A non-linear fitting of the load bearing capacity with node stiffness curve was carried out and combined with acomparison test,obtaining a recommended value of 38.1106 Nmm/rad for the node stiffness.Analysis of theledger lift height and the distance between standards show that the increase in the ledger lift height has a moreimportant effect on the load bearing capacity of the frame.It is suggested that the influence of the ledger lift 收稿日期：2022 06 06基金项目：国家自然科学基金资助项目(12102295)；天津市科技计划项目(22YDTPJC00040);河北省教育厅重点项目（ZD2019117）作者简介：刘京红（1975），女，博士后，教授，E-mail：.第 43 卷第 5 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43No.52023 年 5 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyMay 2023height on the bearing capacity of the shoring scaffold should be considered in the engineering design and calcula-tion.Key words：disk lock steel tubular scaffold；experimental studies；joint stiffness；finite element analysis 随着我国城市化进程的不断加快，大跨度、大空间的建筑结构层出不穷，复杂脚手架支撑体系的应用越来越多1 4.ZHANG 等5通过考虑 3 种不同的二阶非弹性分析，设计出典型的半刚性脚手架案例，以开发基于二阶非弹性分析的系统设计方法.贾莉等6通过试验研究得到了扣件式满堂脚手架顶层水平杆抗弯承载力、立杆受压稳定承载力等关键受力构件和节点的计算方法.孙秋月7对碗扣式脚手架进行了试验研究，得出设置斜撑可使架体的承载能力增大，且减小步距可约束脚手架的变形.CHAND-RANGSU 等8提出了套管接头、半刚性垂直梁连接和底板偏心的建模方法，并基于 RambergOsgood模型考虑了材料非线性.综上可知，盘扣式脚手架作为一种临时支撑框架结构，目前相关的研究工作相对较少，需要进一步开展试验及工程应用研究，以确保盘扣式脚手架的应用科学合理.1 单元架体试验本试验对由 4 根立杆构成的单跨两步空间支架体系进行竖向荷载作用下的破坏试验研究，单元架体型式见图 1.可调托撑盘扣节点立杆水平杆竖向斜杆可调底座图 1 承插型盘扣式支撑钢管脚手架示意图Fig.1 Disk lock steel tubular scaffold diagram 1.1 试验设计鉴于实验室场地及加载装置的因素，本试验以竖向斜杆布置方式为参数变量，设计了 3 种不同的单元架体.竖向斜杆的布置方式见图 2.单元架体参数见表 1，构件尺寸及材料属性见表 2.(a)GJ1 竖向斜杆布置方式(b)GJ2 竖向斜杆布置方式(c)GJ3 竖向斜杆布置方式图 2 竖向斜杆的布置方式Fig.2 Diagonal brace layout 表 1 单元架体参数Tab.1 Parameters of unit scaffolds编号步距/mm立杆间距/mm扫地杆高度/mm顶部伸出长度/mm架体高度/mm斜杆布置方式GJ11 0009003503502 700V型对称布置GJ21 0009003503502 700螺旋布置GJ31 0009003503502 700对角布置 第 5 期刘京红等：承插型盘扣式钢管支撑脚手架试验及有限元分析479表 2 构件尺寸及材料属性Tab.2 Component dimensions and material properties杆件名称规格/mm材质弹性模量/GPa立杆483.22500Q345A206水平杆482.5840Q235B206竖向斜杆422.31277Q195206可调底座385.0500Q235B206可调托撑385.0500Q235B206 1.2 加载方案试验加载装置是由电液伺服压力试验机和项目组自行设计制作的两级分配梁等组合而成，加载装置见图 3.一级分配梁由两根长为 1.3 m 工字钢组成，二级分配梁由两根长为 1.4 m 工字钢组成，且一、二级分配梁腹部均加有加劲肋，以确保在加载过程中工字钢不会发生变形，并将二级分配梁作用在架体立杆顶部 U 型托座上，保证荷载可以均匀施加到每根立杆上.试验采用压力试验机对单元架体施加竖向荷载，施加荷载的大小由压力试验机电脑终端控制，正式加载采用由位移控制进行加载，正式加载之前，需先对架体进行预加载，每根立杆施加 10 kN 载荷，用以消除构件组装过程中产生的空隙，并对应变片和位移计读数的合理性进行测试，确保一切正常后进行卸载，然后再进行正式加载试验.正式加载采用分级加载，每分钟施加 0.5 mm 的位移，之后持荷 2 min，待应变和位移读数不再变化再进行下一级的加载.图 3 试验加载装置Fig.3 Test loading device 1.3 测点布置本试验采用位移计监测架体立杆在加载过程中的变形，每根立杆设置 3 个位移测点，每个位移测点放置两个位移计用以监测立杆 x 方向以及 y 方向的变形，顶层测点即 9，10，11，12 测点布置 50 mm 量程位移计，架体上下步中间测点即 18 测点布置 100 mm量程位移计.同时在 4 根立杆、竖向斜杆及中间层水平杆的中部布置单向应变片，用以观测各杆件受力变化.试验过程中位移测点及应变测点布置如图 4 所示.(a)水平位移测点立面图(b)水平位移测点平面图(c)应变测点布置图水平位移测点 9水平位移测点 5水平位移测点 1水平位移测点 10水平位移测点 6测点 11测点 9测点 12应变测点 1应变测点 3应变测点 5应变测点 6应变测点 2应变测点 4测点 10水平位移测点 2X 方向Y方向Y方向Y方向Y方向X 方向X 方向X 方向图 4 位移测点及应变测点Fig.4 Displacement measuring points and strain measuring points 1.4 试验结果及分析对单元架体进行竖向加载，当荷载继续增加时，力反而出现下降的趋势时，表明此时架体已不能继续承受荷载，或是架体的某根立杆出现明显的塑性变形，表示架体已经达到极限承载能力.观察试验现象可知，立杆变形较大，水平杆及竖向斜杆几乎未发生变形，架体的破坏模式主要是立杆屈曲失稳破坏.试验结果见表 3