《智能化全钢集成式爬架结构可靠性分析》
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摘 要：智能化全钢集成式爬架是一种用于高层或超高层建筑的新型智能化外脚手架,在高度的城镇化建设中具有重要的意义.本文以某城市高层建筑项目为例,采用智能化全钢集成式爬架,对智能化全钢集成式爬架施工技术性能进行介绍,并选取爬架中的框架立杆和附墙支座等处采用有限元分析的方法进行验算,并对升降设备、提升支座、防坠装置和 卸荷装置进行验算.通过分析有效实现方案优化,验证了智能化全钢集成式爬架施工应用中的可靠性性和可行性.
关键词：爬架;有限元分析;ANSYS;可靠性
Abstract： Intelligent all steel integrated climbing frame is a new type of intelligent external scaffold for high-rise or super high-rise buildings, which is of great significance in high-level urbanization construction. Taking a high-rise building project in a city as an example, this paper introduces the construction technical performance of the intelligent all steel integrated climbing frame, and selects the frame pole and wall attached support in the climbing frame to use the finite element analysis method for checking calculation, and checks the lifting equipment, lifting support, anti falling device and unloading device. Through the analysis of the scheme optimization, the reliability and feasibility of the intelligent all steel integrated climbing frame construction application are verified.
Key words：Climbing frame;Finite element analysis; ANSYS; Reliability
中圖分类号：TU603 文献标识码：A
0 引言
改革开放以来,我国经济迅猛发展,城镇化率不断加大,城市人口密度加大,房屋用地越来越少,楼层原来越高.随着建筑逐渐增高,常规脚手架已不再适应现在建筑速度.如何提高建筑工程施工效率和实现绿色环保施工已成为建筑行业迫切问题.智能化全钢集成式脚手架具有巨大的优势,不仅加快建筑工程施工步伐,而且在施工安全方面也自带防范装置.同时爬架在施工过程中受到多种静荷载、动荷载和认为活动等不利因素的影响,因此,研究施工技术性能和荷载稳定性对脚手架的影响,对指导脚手架设计施工、保证脚手架安全具有重要的工程意义.
1 智能化全钢集成式爬架设计概况
1.1 智能化全钢集成式爬架简介
能化全钢集成式爬架是新一代附着式升降脚手架,巧妙的将承力机位和架体结合在一起,产品全部工厂化预制,标准化安装,安全文明.具有安全、快捷、经济、美观等优点.
1.2 智能化全钢集成式爬架的架体构成
智能化全钢集成式爬架按流水段等工程实际情况以组为提升单位,由架体单元、附着支承系统、提升系统、控制系统、防坠落装置和荷载同步控制检测系统等六部分组成[1].
1.3 智能化全钢集成式爬架的架体单元
架体单元主要由定型的立杆、型钢脚手板、三角支撑架、水平桁架、内挑密封翻板、防护网等组成;前立杆和后立杆前后通过和脚手板连接,纵向通过水平桁架连接,型钢脚手板连接立杆连接杆或三角支撑架,水平支撑桁架和立杆及外钢网形成空间桁架结构,架体荷载通过该水平支撑桁架将力传递到导轨主框架上.
1.4 附着式升降脚手架的附着支撑系统
包括导轨,附墙支座,承载螺栓,垫片等.其大样如所示：
该支座构造特征为：附墙支座的防坠摆块上同轴安装了触发条,防坠摆块头轻尾重仰头,侧面同轴安装触发条,支座上部设置有.
工作原理为：利用摆块复位的时间差实现防坠落.
脚手架提升时,导轨上升,导轨横杆与防坠摆块无接触,导轨横杆碰上触发条转动,脚手架正常提升.
脚手架正常下降时,导轨下降,导轨横杆碰上触发条,带动摆块转动;脚手架继续缓慢下降,导轨横杆脱离触发条,防坠摆块在尾部重力作用下复位,导轨正常缓慢下降,脚手架正常下降.
脚手架坠落时,导轨横杆撞击触发条转动,带动防坠摆块转动,当导轨横杆脱离触发条时,防坠摆块来不及复位,防坠摆块尾部撞击支座后横隔板,防坠摆块立即制动,防坠摆块头上部卡住导轨横杆,导轨立即制动,防止脚手架继续坠落.
1.5 提升系统
一般采用电动葫芦,下吊点设吊点桁架与导轨立杆用螺栓连接,上吊点固定在结构上.
1.6 智能化全钢集成式爬架的控制系统
控制系统包括：重力传感器,电气线路和总控箱,分控箱.架体的升降采用电动葫芦升降,并配设专用电气控制线路.该控制系统设有漏电保护、错断相保护、失载保护、正、反转、单独升降、整体升降和接地保护等装置,且有指示灯指示.线路绕建筑物一周布设在架体内.
1.7 附着式升降脚手架的防坠落装置
摆块式防坠器、和智能控制系统相结合,极大地提高了附着式升降脚手架的安全防坠效果.
附着式升降脚手架的防倾覆措施：附着支座具有导向、承载、防倾、防坠作用,每榀导轨主框架均配三个附着支座,架体使用中,必须按审定的操作规程及施工方案进行施工,保证在提升和使用工况下至少有两个附着支座与结构连接.
1.8 荷载同步控制检测系统
由检测显示仪、中间站、载荷传感器、九芯线、三芯线组成.检测显示仪为单板计算机,可同时监视、分析40个提升机位的载荷状况,一旦机位载荷超出预设范围,发生欠载或超载现象,检测显示仪可发出声光报警信号、指示故障地址、切断动力电源,待故障排除后方可继续使用;中继站可中转来自检测显示仪与载荷传感器的信息,并简化信号传输线路;载荷传感器可将机位载荷转化为电信号;九芯线、三芯线用于各电子装置间的电信号传输[2].
2 工程实例
2.1项目概况
本工程为某市锦祥花园二期棚户区改造项目,该项目分为三个地块,主要有22栋主楼和若干个附属楼,楼栋单体较多,总投资大概18.35亿元,项目周期较短,工程合同工期为22个月,该项目采用EPC模式（即设计、采购、施工、试运行）,本文将以宗地三建筑4#楼为例进行智能化集成式爬架稳定性分析,4#楼为地上33层、地下2层,采用框架剪力墙结构,建筑面积23042.93m2.建设项目使用TL-06型附着式全钢爬架搭配铝模进行施工,大部分楼栋从 1 层开始使用铝模,2层开始安装爬架,3 层底板开始使用爬架与铝模进行组合搭配.
2.2爬架相关技术参数
3 荷载计算
3.1静荷载标准值
3.1.1主框架自重
主框架由方管焊接架体及导轨组成
主框架自重为：
3.1.2中间支撑框架自重计算
中间支撑框架由内外立杆及横撑、斜撑组成.
单个框架自重：1.652KN,一个计算跨度内包含两个中间框架.
两个合计自重：
3.1.3底部水平支撑桁架自重
3.1.4防护网自重
架体采用定型防护网,包括正面及两侧护网,合计自重：
3.1.5脚手板自重
脚手板包括底部脚手板及以上各层脚手板（含主脚手板和副脚手板及翻板）
自重合计：
3.1.6上下吊点自重：
3.1.7升降设备（一个7.5t电动葫芦900N）
3.2 施工活荷载标准值
根据施工具体情况,按使用、升降及坠落三种工况确定活荷载标准值.
3.2.1施工活荷载
根据《建筑施工工具式脚手架安全技术规范》（JGJ202-2010）：
结构施工时按二层同时作业计算,使用状况下施工荷载按每层3 kN/m2,升降及坠落状况下按每层0.5 kN/m2计算;装修施工时按三层同时作业计算,使用状况下施工荷载按每层2 kN/m2计算,升降及坠落状况下按每层0.5 kN/m2计算.
1）结构施工
使用状态
升降、坠落状态
2）装修施工
使用状态
升降、坠落状态
施工活荷载标准值QK取21.24KN（施工状态）;5.31KN（升降状态）
3.2.2风荷载
根据《建筑施工工具式脚手架安全技术规范》（JGJ202-2010）,风荷载计算公式为：
其中为风振系数,取1.0
风压高度变化系数,按现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）的规定采用,按照D类地区,150m高建筑取值1.33
脚手架风荷载体型系数,应按背靠建筑物状况选取,全封闭时取,敞开开洞时,其中为挡风系数,应为脚手架挡风面积与迎风面积之比;密目式安全立网的挡风系数应按网等于0.8计算.
基本风压值,应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）的附表D.4中n等于10年的规定采用.工作状态应按本地区的10年风压最大值选用,取0.50KN/m2,升降、坠落工况时,可取0.25KN/m2.
4 计算模型与分析
4.1 计算模型
计算软件选用ANSYS通用有限元分析软件,考虑到结构条件,在爬架升降过程中,架体立杆和附墙支座为最不利.并基于这两个部位进行荷载计算.
4.2 框架立杆的稳定性验算
该型号工具式脚手架采用定型框架替代碗扣式脚手架立杆,压弯杆件稳定性应满足钢结构规范对框架杆的稳定性要求.框架与水平桁架连接的底部框架立杆受力大,稳定性较差,可以对该处框架立杆进行稳定性校核.框架承受两侧按一纵距范围内的荷载,包括静荷载、活荷载,荷载总和平均施加到内外立杆上.静荷载标准值包括以下内容：
施工荷载为施工荷载标准值产生的轴向力总和,立杆施工荷载按一纵距内施工荷载总和平均施加到内外两排立杆上.经计算得到,施工荷载标准值：
結构施工：
不考虑风荷载时,框架内外侧轴向荷载设计值为：
考虑风荷载时,立杆的轴向压力设计值为：
利用计算软件ANSYS10.1计算各杆的内力,计算简图如图：
计算结果：
根据计算结果,各杆端刚性连接,考虑斜撑作用,只需校核杆1、2的稳定性.由钢结构规范GB50017公式进行验算.
满足要求.
4.3 附墙支座验算
每个附墙支座按使用工况验算,且每个支座均应能承受该机位范围内全部设计荷载.并将荷载设计值乘以不均匀系数2或冲击系数2进行计算.通过ANSYS有限元计算得到最不利组合作用在支座上的反力.支座荷载设计值
NX等于29000N,NY等于63080N
乘以荷载不均匀系数2或冲击系数2：
2NX等于58000N,2NY等于126200N
三角附墙支座验算,支座材料选择两根6.3#槽钢,受力如图.
利用有限元软件Ansys10.1计算结果如下：
按照最不利状态验算,选②杆进行稳定验算：
满足要求.
4.4 升降设备验算
荷载计算
恒载：26.34KN
活载（升降工况）：6×0.59×2×0.5等于3.54KN
荷载设计值：N等于1.2×26.34+1.4×3.54等于36.5KN
提升设备
本工程采用的两部7.5T提升电动葫芦额定起重量为：
N0等于7500×9.8等于73500N等于73.5KN
设计值
其中—附加荷载不均匀系数
故满足要求.
4.5 提升支座验算
提升支座与附墙支座分开,单独受力,由两块厚10mm的钢板焊接而成,升降工况下,考虑附加荷载不均匀系数,钢索施加在支座上的力为：NS等于78KN
（1）销轴抗剪验算：
满足要求.
（2）支座强度验算
近似按照受拉构件,取最小受力截面面积验算：
满足要求.
（3）焊缝验算
满足要求.
（4）连接螺栓验算
连接螺栓受力小于穿墙螺栓受力,根据穿墙螺栓验算结果故同样满足要求.
4.6防坠装置验算
（1）受力简图：
防坠块钢板制成,根据实际工作情況取其最小截面以悬臂构件进行验算.
（2） 荷载计算
按照实际使用情况验算防坠块强度.
使用工况下,考虑冲击系数下单个防坠块荷载设计值：
升降工况下,考虑冲击系数单个防坠块荷载设计值：
（3） 悬臂梁计算
选用最不利情况,即按使用工况进行悬臂梁验算,
满足要求.
（4） 销轴计算
4.7 卸荷装置验算
考虑冲击系数2,每个卸荷装置承担的荷载：
（1）卸荷螺杆验算：
卸荷装置采用直径30mm螺杆,与支座铰支连接,按照轴心受压杆验算：
其中：为考虑轴心受压的稳定系数.
满足要求.
（2）与支座连接销抗剪计算
卸荷装置通过直径24mm销与支座连接,验算其抗剪性能：
满足要求.
5结语
本文针对新型智能化集成式爬架在实际工程项目中,介绍和分析爬架原理和使用过程.采用ANSYS软件进行有限元建模,对爬架框架立杆、附墙支座、升降设备、提升支座、防坠装置和 卸荷装置等处进行验算,有利于分析该爬架在升降过程中的可靠性,保证施工安全.通过分析和研究,验证爬架的稳定性和可靠性.
参考文献
[1]陈强.附着导轨式升降脚手架在高层住宅楼施工过程中的研究与应用.[D]合肥：安徽建筑大学,2019.
[2]谢永超.附着升降脚手架在超高层建筑施工中的应用.[J].施工技术,2006,35（08）：77-80.
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爬架和可靠性分析引用文献:
[1] 爬架和可靠性分析论文范文检索 爬架和可靠性分析方面有关大学毕业论文范文8000字
[2] 经典供电可靠性论文题目 供电可靠性论文题目选什么比较好
[3] 优秀机械可靠性设计论文题目 机械可靠性设计专业论文题目怎样拟
