悬挑式脚手架抗风性能及风振响应研究

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脚手架工程作为施工技术重要的一部分对施工过程中人员和结构的安全起到了非常重要的作用,而风荷载是决定脚手架整体稳定性与安全性最关键的因素之一,所以研究脚手架的抗风性能和风振响应具有重要的理论意义和实践应用价值。本文研究对象是高层建筑中常用的脚手架形式即型钢悬挑式脚手架,基于某一工程所设计使用的脚手架形式进行有限元建模分析,模拟脚手架在风荷载作用下的受力性能和风振响应,并结合我国现行的脚手架规范对结果进行分析讨论。主要工作内容如下:(1)根据以往的试验研究结果,建立了型钢悬挑脚手架的半刚性节点模型,并将模型的计算结果与按照现行脚手架规范计算的结果进行了对比讨论。(2)对脚手架不同构造形式即不同纵距、跨距和步距的八种型钢悬挑脚手架模型进行了静力风荷载加载,分析讨论了风荷载大小和架体构造形式对脚手架各部分构件的内力、变形以及脚手架整体稳定性的影响。(3)以模型一构造形式的脚手架为研究对象,在静风荷载的作用下研究悬挑脚手架位于不同的出挑高度时其杆件的受力差异和变化规律。(4)通过软件编程模拟脉动时程风荷载,并对不同构造形式即不同纵距、跨距和步距的八种型钢悬挑脚手架模型进行了时程风荷载加载,针对时程风荷载对脚手架的风振响应包括杆件受力情况和结点位移进行了分析讨论。通过对以上内容的研究得出的主要结论如下:(1)通过半刚性节点模型和规范规定方法计算的结果进行对比分析,发现前者计算的杆件的应力值明显高于后者,说明在计算杆件应力时应该考虑风荷载对杆件应力的影响,而规范方法则没有考虑。同时发现半刚性节点模型计算的杆件应力值随模型的不同而变化明显,说明半刚性节点模型能更加准确地反映出脚手架构造形式改变而引起的杆件应力变化。所以半刚性节点模型的计算结果更加贴近工程实际情况。(2)根据脚手架在静风荷载作用下的计算结果,发现脚手架的最大应力发生在大横杆端部靠近主节点位置;最大节点位移发生在端部两列连墙件中间的节点处,连墙件处结点位移最小为0;脚手架大横杆、小横杆和立杆的应力大小由风荷载产生的弯矩控制,杆件设计时应该计算风荷载弯矩,所以规范计算公式需要进一步完善。(3)根据不同构造形式即不同纵距、跨距和步距的八个脚手架模型的受力分析情况,得到了构造形式对脚手架杆件受力的影响,即:大横杆弯矩受纵距的影响较大;小横杆弯矩受跨距的影响较大;立杆弯矩受纵距的影响较大。同时针对以上的脚手架受力特性提出了施工的建议。(4)根据脚手架屈曲分析可知,风荷载的存在虽然会使脚手架局部位置的应力增大从而导致局部失稳,但是却能增加脚手架整体的稳定承载力,且按半刚性节点模型和规范方法计算的立杆极限稳定承载力会受到风荷载大小和脚手架构造形式的影响,两种方法差值最大代数值为45.494%,最小代数值为-80.942%,可见差别较大,所以设计时应分别使用两种方法对架体整体稳定性进行计算对比,然后再确定设计值。(5)悬挑式脚手架不同的出挑高度对其杆件受力有一定的影响,随着脚手架出挑位置的增高,杆件内力和应力会直线上升,出挑高度低的脚手架较出挑高度高的脚手架受力偏小,相较于IV号脚手架,I号脚手架杆件应力最大减小了33.875%,II号脚手架杆件应力最大减小了19.554%,III号脚手架杆件应力最大减小了8.935%。根据此特性给出了悬挑式脚手架在风荷载未0.25KM/m~2、0.35KN/m~2和0.45KN/m~2典型地区的适用高度,也可以利用此特征来指导工程中脚手架的灵活应用。(6)根据型钢悬挑脚手架在脉动风和静力风作用下的计算结果对比研究发现,在脉动风荷载的作用下,脚手架大横杆弯矩值最大增加了85%,小横杆弯矩值最大增加了55%,立杆弯矩值最大增加了95%,因此在设计计算脚手架杆件时应该考虑对弯矩值乘上适当的放大系数,来考虑风振效应的影响。(7)在时程风荷载的作用下,脚手架顶部横向节点位移在连墙件处最小为0,在脚手架端部两列连墙件之间的结点位移最大;脚手架竖向节点位移从顶部向中部逐渐增大,最中间位置的节点位移最大,然后向底部逐渐减小,最低处的节点位移最小为0。
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