全钢集成式附着升降脚手架冲击性能研究*

刘红波，于 磊，陈志华，陈再捷，庞富刚

(1.河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056038；2.天津大学建筑工程学院，天津 300350；3.天津市工程机械行业协会，天津 300180；4.天津市鑫同益科技有限公司，天津 300453)

0 引言

临时支撑结构是当下建筑工程中的必要施工设备，前期多为铁制品或木质材料，后期多采用门式支撑架和扣件式钢管支撑架[1-2]。传统脚手架在超高层建筑施工过程中存在搭设困难、施工效率低、施工成本高等问题，极大地限制了自身发展。随着施工难度的增加，施工要求也陆续提高，为解决传统脚手架的施工局限，住房和城乡建设部明确要求加速对新型脚手架的研发与应用[3]。其中，附着式升降脚手架因其高效、经济、美观等优越性被逐步推广应用。附着式升降脚手架主要包括架体构架、竖向主框架、水平桁架、提升和荷载控制系统、防倾覆和防坠落系统。作为一种附着于建筑主体上的工具式脚手架，可依据结构或装修施工的具体要求自行升降，在高层及超高层结构施工过程中应用普遍。

超高层施工操作管理难度大，施工现场危险系数高，发生坠落等重大事件造成的后果不堪设想。截至目前，国内已有数起附着式升降脚手架坠落倒塌引发伤亡事故，生命财产损失严重。为杜绝坠落事故的发生，对附着式升降脚手架的防坠落性能进行试验与分析十分必要。目前，关于架体防坠落方面的研究较少，参考网架结构及混凝土构件的冲击试验等[4-8]，并按JGJ 202—2010《建筑施工工具式脚手架安全技术规范》[9]的具体规定，以全钢型集成式附着升降脚手架为试验对象，研究架体坠落过程中，防坠落装置对架体制停所产生的动力效应。同时，利用ABAQUS对架体进行数值模拟并与试验数据进行对比,为附着式升降脚手架制停过程的动力效应分析和冲击系数的确定提供建议。

1 试验模型

1.1 模型概况

试验采用全钢型集成式附着升降脚手架足尺试件，架体跨度为16m，高13.5m，宽0.6m，步高2.0m(见图1)。该脚手架由水平桁架、架体构架、竖向主框架、附着支承系统、升降控制系统组成。以电动葫芦作为提升动力设备对架体进行升降，提升速度为120mm/min。足尺模型与实际建筑工程架体所用材料、规格参数均一致。

图1 附着式升降脚手架试验模型

主框架由立杆、导轨、刚性支架等组成。立杆为80mm×40mm×3mm矩形管，以间距10cm均匀打孔；导轨采用[6.3，3根槽钢呈品字形焊接，槽钢间等间距设置防坠挡杆；1，2层脚手板间设置水平桁架，与主框架采用螺栓连接；桁架横杆及竖杆采用80mm×40mm×3mm矩形管，腹杆使用40mm×40mm×3mm矩形管。施工脚手板作用层数为7层，脚手板框架采用60mm×30mm×2mm矩形管，横杆及腹杆采用20mm×20mm×2mm矩形管，用2.0mm原防滑钢板铺面，焊接成整体结构,并通过螺栓与立杆组装而成。

1.2 试验方案

按《建筑施工工具式脚手架安全技术规范》规定施加荷载[9]，如表1所示。试验采用重力加载法，通过沙袋(50kg/袋)堆载可等效为作用在操作层的均布施工活荷载。

表1 加载方案

1.3 试验测量

试验包含静态(残余)应变、动态应变和竖向加速度3个模块的数据采集工作。

1.3.1动、静态应变测点布置

采用DH5922D动态信号测试分析系统对静态(残余)应变、动态应变进行采集。该仪器共有32通道，采样频率均为2 000Hz，使用电阻值为(120±0.24)Ω的应变片，灵敏度系数为2.05±0.005 74，通过1/4桥方式连接，以差分直流方式(DIF-DC)输入，测量构件拉压及弯曲应变。在保持温度一致的条件下，补偿片和工作片贴在相同材料的试件上。由于导线电阻过大，在试验中测量并输入导线电阻以减小误差。采用带屏蔽层的导线连接应变片，避免磁场干扰测量结果。

根据附着式升降脚手架的荷载传力路径布置测点，考虑到制停过程中可能受冲击影响较大的架体构件，共设置11个应变测点，如图2所示。按顺序分别为横向水平杆、纵向水平杆、刚性支架、水平桁架横杆、水平桁架斜杆、主框架外立杆、副框架内立杆、附墙支座、导轨A(附墙支座下方50cm处)、导轨B(附墙支座下方100cm处)、导轨C(附墙支座下方150cm处)。

图2 应变片测点布置

1.3.2竖向加速度测点布置

试验采用加速度传感器测定架体的竖向振动响应，其频响范围为0.5～10 000Hz，分辨率达0.5mg，量程为±500g。通过单端直流(SIN-DC)输入，试验时传感器紧紧固定在脚手板与立杆连接处，不会对结构及试验过程造成影响。为较好地捕捉到架体冲击过程的加速度变化情况，在A，B导轨间等间距布置4个竖向加速度测点，如图3所示。

图3 加速度测点布置

1.4 试验装置

在模拟架体制停过程前，需采用手动脱钩的方式让架体坠落。手动拉动杠杆时，附着在建筑主体上的扣环脱离，导致一端连接扣环的钢丝绳松弛，下承重梁失去原有支承，使架体发生坠落。

2 有限元模型验证及试验结果分析

2.1 有限元模型的建立

为高效地模拟试验过程，对附着式升降脚手架进行简化，架体构件截面尺寸如表2所示。

钢材具有各向同性和均匀性，当应变较小时，其应力-应变关系呈线性；当钢材屈服时，应力-应变关系出现非线性特性。考虑动力荷载下材料的应变率效应至关重要[10]。在ABAQUS中同时作用Rate Dependent选项和Plastic选项，以便引入应变率：

表2 架体构件截面参数

(1)

模型为7层框架结构，前3层作为主要结构层，层高2m，导轨间距从左往右依次为6，6，4m，立杆间距为2m，辅助立杆距导轨和外立杆0.5m，内、外立杆相隔0.6m。数值模型与试验架体保持一致，有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型

脚手架处于升降阶段时，支顶器对架体无约束，架体通过提升动力设备进行升降。由于防倾装置的存在，限制了导轨在x，z方向的平动和转动，保证各导轨运动过程中架体不会发生倾覆。坠落时架体在y方向近似为自由落体运动，冲击高度80mm，架体接触防坠钢板时的速度为1.252m/s。对防坠挡板进行完全固定，以保证有效制停架体冲击过程。

图5 应力时程对比曲线(工况1)

图6 应力时间对比曲线(工况2)

2.2 试验结果及数值模拟对比分析

2.2.1应力对比分析

试验通过选取各应变测点构件中间截面对应的应力时程曲线，研究杆件的应力响应情况。各测点应力时程曲线试验值与模拟值的对比如图5,6所示。由图5,6可知，有限元响应与试验虽存在偏差，但各测点应力时程曲线的趋势基本一致，故拟合结果是可靠的。各工况下动态应力峰值、响应时间、残余应力试验值与模拟值的对比如表3所示。SP-8为防坠落支座部分，受力情况较复杂，采用架体整体的有限元研究准确性较差，后续建立精细化有限元模型进行单独模拟研究，故该部分的试验结果和有限元结果不列出。

由表3可知，试验值与模拟值的差率均控制在30%以内，证明使用有限元模型进行架体冲击响应分析是可行的。峰值应力随荷载的施加增幅较明显，说明荷载工况是影响架体应力响应的主要因素；其中，SP-9冲击应力最大，达到167.688～196.987MPa；试验冲击响应时间均大于模拟值，主要原因为试验制停瞬间存在接触偏心，模拟中均为对心碰撞。偏心碰撞瞬间，接触面积较对心碰撞更小，所以产生的应力峰值较对心碰撞更大。对比SP-1，SP-9可发现，SP-1距防坠落装置更远，工况2相对于工况1下应力峰值增加13.16%；SP-9离防坠落装置更近，工况2下应力峰值增加16.87%，证明偏心碰撞对试验有重要影响。同时，在架体导轨制停过程中，并不是所有防坠落装置同时发挥制动作用，所以制停存在随机性，这也在一定程度上影响了冲击响应时间。设有测点的附墙支座发生损坏，证明所设测点处的附墙支座在防坠落过程中充分发挥了制停作用。

表3 应力峰值、响应时间、残余应力试验值与模拟值的对比

2.2.2加速度对比分析

竖向加速度时程曲线模拟值与试验值对比如图7，8所示。

图7 加速度时间对比曲线(工况1)

图8 加速度时间对比曲线(工况2)

由图7，8可知，试验与数值模拟得出的加速度时程曲线趋势基本相同。加速度峰值的分布从端部导轨A向中间导轨B递减，且减弱程度明显。由于架体端部导轨与中间导轨的构件连接方式存在差异，使刚度分配不均衡，端部挡杆接触到防坠钢板时产生的加速度峰值较中间档杆更大。此外，制停过程接触的复杂性及不确定性均会对加速度响应造成不同程度的影响。加速度峰值、响应时间试验值和模拟值对比如表4所示。

由表4可知，试验值和模拟值的差率低于30%，证明有限元与试验结果能较好地吻合。工况1，2的试验(模拟)加速度峰值沿端部导轨至中间导轨分别减小49.93%(46.73%)，31.39%(45.36%)，说明竖向振动加速度响应在架体长度方向上分布差异明显。架体冲击响应时间稳定在45.0～71.5ms，在实际制停过程中，架体回弹并不是理想状态下的竖直向上回弹，而是存在一定角度的偏心碰撞。偏心碰撞受各导轨脱钩速度不同、升降不同步等因素影响较明显，故在试验中不可避免，且碰撞角度随机性较大。同时，冲击时间极短，回弹方向测量难度很大，单次试验的重复性也存在差异，且在模拟中(对心碰撞)较难控制。对心碰撞时，架体上各杆件受力均匀，冲击时能获得较大的加速度；且构配件抵御冲击荷载的能力更强，故作用时间较偏心碰撞更少，存在一定的响应时间偏差。

表4 加速度峰值、响应时间对比

2.2.3冲击系数分析

为反映动力冲击作用引起结构杆件应力的动态变化程度，往往采用动力放大系数(DAF)表征动力冲击效应大小，其值为最大动、静响应的比值[11-13]。冲击系数(IM)定义为最大动态应变和最大静态应变之比:

IM=DAF-1

(2)

根据测点所在截面移动荷载试验时所记录的应变时间曲线和挠度时间曲线，计算移动荷载的冲击系数IM:

(3)

式中：Saver为Sdyn与Ssta的平均值，其中，Sdyn为各测点在冲击过程中的动应变峰值，Ssta为相对应的最小动应变值。

考虑到附着式升降脚手架各类构件的受力性质和截面形式各有不同，分别统计了各测点在不同工况下的冲击系数(见图9)。结果发现影响冲击结果的因素较多，如坠落前相邻导轨升降不同步、导轨梯杆距防坠摆针的距离等，该类误差在试验中无法消除，有待进一步研究。

图9 附着式升降脚手架各构件冲击系数

由图9可知，水平杆为受弯杆件，由于IM与节点约束关系复杂，随着试验次数的增加，IM波动幅度较大。总体来看，该类构件的冲击系数随施工荷载的施加而增大，且IM最大值为1.831，故水平杆冲击系数按规范规定取2.0。刚性支架、水平桁架横杆、水平桁架斜杆在理论上为轴心受力构件，由于此类构件与架体主框架连接方式复杂，构件内部也并非单一杆件，通过螺栓和焊接的方式与架体连接为整体，故下坠时受到制停作用后构件IM会发生剧烈的波动；工况2下的IM值基本大于工况1，此类构件受冲击影响较大，导致冲击系数偏大。为满足构件的正常使用要求，冲击系数应分别保守取值为8.0，7.0，3.0，同时应结合后续有限元分析进行取值。副框架内立杆与主框架外立杆为压弯构件，制停过程中IM波动幅度很小，IM应偏安全取值。IM均随施工荷载而增加，但未超过规范规定，故IM采用2.0作为立杆冲击系数。

制停过程具有随机性，因此IM在测点支座处波动较大。该测点是试验过程中唯一发生损坏的构件，考虑IM取2.0。此外，从导轨上布置的不同测点与其对应IM值可知，IM随距支座距离的增加而逐渐减小，但下降程度并无明显规律。考虑冲击系数时，导轨的IM值采用2.0更可靠。试验中仍出现部分空载工况下冲击系数较升降工况大的现象，可能与制停过程的随机性及多次防坠落试验后每个防坠落装置的耐久性能有关。

3 有限元分析

按《建筑施工工具式脚手架安全技术规范》[9]进行全工况模拟分析，加载方案如表5所示。

表5 加载方案

3.1 加速度

各工况峰值加速度对比曲线如图10所示。

图10 各工况峰值加速度对比

由图10可知，荷载作用层数一定时，峰值加速度随施工活荷载的增加而增大；当施工活荷载保持不变，峰值加速度随荷载施加层数的增大而减小。说明荷载及其作用层数是影响竖向加速度响应的主要因素。同时，在端部导轨向中间导轨发展过程中，加速度呈递减规律，架体设计时应按最不利工况进行整体分析，即取工况4端部导轨加速度峰值JSD-1为最不利位置，此时峰值为-19.861g，应保证在该工况下发生坠落时，防坠落装置能最大限度地发挥制动效果。

3.2 应力

各工况下测点峰值应力对比曲线如图11所示。

图11 各工况峰值应力对比曲线

由图11可知，工况1，2中各构件的峰值应力均在弹性范围内，最大峰值为175.859MPa；冲击结束后可恢复到冲击前的稳定状态，但杆件内部仍有一定残余应力。工况4，5中施工荷载增加导致架体受冲击影响增大，桁架和导轨等主要受力杆件受冲击进入弹塑性状态，冲击过程中杆件易发生变形甚至失效。因此，对桁架和导轨进行设计时，须考虑该类构件受冲击影响后仍能满足正常使用的要求。

3.3 冲击系数

在实际测试中，冲击端采用不同的施工活荷载进行冲击试验，冲击端及被冲击端各测点动态冲击系数如表6所示。

表6 冲击端及被冲击端各测点动态冲击系数

在有限元分析中，模拟不同工况冲击时，冲击系数与架体上的施工活荷载有关。由表6可知，随着施工荷载的增大，IM值逐渐增大，总体呈正相关关系。各测点的IM值存在明显的差异，体现在主要受力杆件的冲击系数明显偏大，考虑IM取值时，出于安全需要对其按最不利工况取值。其中，水平杆(SP-1，SP-2)为受弯杆件，受冲击影响相对较小，IM值可取2.0；刚性支架(SP-3)和水平桁架(SP-4，SP-5)在制停过程中受冲击作用较明显，且作为主要受力构件，对架体安全影响较大，IM取值时应考虑最不利工况将系数调整为4.0，以保证构件满足正常使用要求；立杆(SP-6，SP-7)作为压弯杆件在试验及有限元分析时IM相对稳定，现有规范取值可满足立杆安全使用要求，IM取2.0；导轨(SP-9～SP-11)在试验架体构件中受冲击影响较大，波动幅度较剧烈，且数值模拟的冲击系数IM也存在超过2.0的情况，故综合考虑导轨冲击系数应偏保守估计为3.0。

附墙支座(SP-8)作为被冲击端，受冲击影响较冲击端架体上各构件更大，且IM随施工荷载的增加而增大。规范按使用工况下承受荷载最大处的支座进行计算，冲击系数取2.0。显然，出于安全考虑，附墙支座的冲击系数按3.0考虑较合理。

4 结语

1)整个冲击过程架体产生巨大声响，并伴随剧烈振动，制停过程中架体出现明显的竖向位移，出于安全考虑，竖向位移不宜大于80mm。试验过程中，除需更换发挥制动作用而损坏的附墙支座外，未出现其他失效构件，结构可继续承载，证明架体在实际工程中具有一定的可重复使用性。

2)制停过程中冲击响应时间极短，制动瞬间防坠落装置发挥作用，并反作用在架体上，架体会产生相当大的竖向加速度，对结构产生剧烈的影响。加速度峰值与施工荷载呈正相关关系，随荷载作用层数增大而减小，且在水平方向上受刚度影响明显，由端部导轨至中间导轨呈规律性减弱。

3)冲击荷载是影响冲击应力响应的关键因素之一，应力时程曲线符合荷载传递路径的规律。架体在试验时制停具有随机性，即单次防坠落试验每个导轨至少有1个防坠落装置参与制停，而其他防坠落装置未发挥作用。

4)各测点冲击系数随施工荷载的增加呈正相关趋势。水平杆及立杆受冲击影响较稳定，按IM为2.0取值可满足正常使用要求，刚性支架、水平桁架、导轨及受冲击端的IM均超出了规范的取值，出于安全考虑，水平桁架、刚性支架可考虑增大冲击系数至8.0，7.0，附墙支座和导轨可考虑增大至3.0。