不同工况下基于AS/FEA模型的脚手架可调托撑托板计算分析
0 引言
现行技术标准对脚手架可调托撑托板设计尺寸的规定不统一,导致建筑企业在应用过程中难以把握,易在设计和施工中出现问题,进而引起较大工程事故。
在JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中第3.4.3条规定,可调托撑受压承载力的设计值不应低于40k N,支托板板厚不应小于5mm
从以上规范和相关学者的研究可看出
1 方案设计
1.1 标准模型
根据文献
1.2 计算模型
与二维平面标准模型相同,在三维实体计算模型中可调托撑受压极限承载力仍应≥50k N,可调托撑支托板侧翼高度宜≥30mm,侧翼外皮距离宜≥110mm,且宜≤150mm,支托板长宜≥90mm,支托板厚应≥5mm。三维实体模型如图2所示。
1.3 计算方案
针对不同工况下脚手架可调托撑支托板侧翼外皮距离a、支托板长b、支托板厚t,在不同的极限承载力作用下进行有限元计算,得到不同工况下的位移、应力及范梅塞斯应力等值线云图,计算方案如表1所示。
2 模拟分析
2.1 工况1条件下位移、应变及应力分析
当a=110mm,b=90mm,t=5mm时,受压极限承载力≥50k N,得到相应的位移、应变和范梅塞斯应力等值线云图,如图3所示。
分析图3可知,当前条件下托板位置最大位移发生于托板侧翼,最大变形值为0.5mm,其余处变形均较小;而应变处在弹性应变范围内;范梅塞斯应力等值线云图的最大应力为285MPa,4.2%的单元应>215MPa,超过规范允许的钢材强度设计值(215MPa),其中超过部分均处在可调托撑的螺杆与支架托板焊接处,该处存在应力集中情况。
当a=150mm,b=90mm,t=5mm时,受压极限承载力≥50k N,分析相应的位移、应变和范梅塞斯应力等值线云图可知,托板位置最大位移发生于托板侧翼,最大变形值为1.05mm,其余处变形均较小;应变处在弹性应变范围内;最大应力为453MPa,发生于可调托撑的螺杆与支架托板焊接处,且在托板中部位置处(大面积单元应力在202~85MPa),超过规范允许的钢材强度设计值(215MPa),结构不满足要求,故应重新考虑取值。
2.2 工况2条件下位移、应变及应力分析
当a=110mm,b=90mm,t=6mm时,受压极限承载力≥50k N,由得到的位移、应变和范梅塞斯应力等值线云图可知,当前条件下托板位置最大位移发生于托板侧翼,最大变形值为0.408mm,其余处变形均较小;应变处在弹性应变范围内;范梅塞斯应力等值线云图的最大应力为215MPa,均处在规范允许的钢材强度设计值215MPa范围内,此时最大应力出现在可调托撑的螺杆与支架托板焊接处。
当a=150mm,b=90mm,t=6mm时,受压极限承载力≥50k N,由计算可知,此时托板位置最大位移发生于托板侧翼,最大变形值为0.73mm,其余处变形均较小;应变处在弹性应变范围内;范梅塞斯应力等值线云图的最大应力为339MPa,处在可调托撑的螺杆与支架托板焊接处,超过规范允许的钢材强度设计值(215MPa)的单元占比为11.3%,且超出部分处在托板中部位置居多,结构不能满足要求,所以应重新考虑取值。
2.3 工况3条件下位移、应变及应力分析
由a=110mm计算结果可知,当前条件下托板位置最大位移发生于托板侧翼,最大变形值为0.33mm,其余处变形均较小;应变处在弹性应变范围内;范梅塞斯应力等值线云图,最大应力为174.8MPa,均处在规范允许的钢材强度设计值(215MPa)范围内,最大应力出现在可调托撑的螺杆与支架托板焊接处。
由a=150mm计算结果可知,托板位置最大位移发生于托板侧翼,最大变形值为0.62mm,其余处变形均较小;应变处在弹性应变范围内;范梅塞斯应力等值线云图最大应力为247MPa,超过规范允许的钢材强度设计值(215MPa)的单元占比为1%,均处于可调托撑的螺杆与支架托板焊接处,并且超出部分所占比例非常小,可判定为满足计算要求。
通过对工况1~3条件下的脚手架可调托撑托板分别进行MIDAS/FEA有限元建模分析可知,仅工况3满足要求。
3 结语
通过对不同工况下脚手架可调托撑托板进行建模分析,得到对应工况下托撑托板的位移、应变、应力变化情况,综合计算部分和参考规范部分的相关结果,建议脚手架可调托撑设计应满足如下要求。
1)脚手架的可调托撑受压承载力设计值应≥40k N。
2)可调托撑支托板侧翼高度的设计值宜≥30mm,侧翼外皮距离的设计值宜≥110mm,且宜≤150mm。
3)可调托撑支托板的板长宜≥90mm,支托板的板厚应≥6mm。
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