附着式升降脚手架不同工况下的预应力模态分析

刘 垚，蔡安江

（1.西安建筑科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710055；2.中国建筑科学研究院有限公司 建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000）

1 引言

附着式升降脚手架具有操作简单、美观度好、施工速度快、效率及机械程度高等优点，在高层及超高层建筑中占据举足轻重的地位，具有很大的应用前景和广泛的经济效益。随着建筑机械的不断进步及发展，人们对附着式升降脚手架的减振、降噪、节能等性能的要求也不断地提高，这就要求研究者不断探索其运行过程中的工作状态，以提高其工作性能。

刘晓旭等采用有限差分法建立了包含支座在内的脚手架模型精细化模型，分析结果表明支座刚度对架体受力及变形具有明显影响；匡怡菁等人对新型附着式升降脚手架的结构构造进一步优化，通过增加上部临时支撑，结构的整体外倾得到有效控制；李秋生等对附着式升降脚手架进行理论分析及有限元分析，验证了有限元分析的可靠性及准确性。潘为民等研究了风载荷对脚手架的影响，推导出四阶AR 模型的参数表达式来模拟脚手架的风速时程，为直观准确的模拟脚手架在脉动风载作用下的动力学特性奠定了基础，并分析了抓取机构的合理运行过程，为后续液气压动力系统的设计提供参考；温雪兵等对附着式升降脚手架的摩擦特性进行分析及研究，结果表明减小整体重量可以有效地减小摩擦力；并对不同附着式升降脚手架水平支承桁架力学性能对比分析研究，通过实验数据验证了影响脚手架力学性能的原因，指出了结构刚度是影响变形的主要因素。

以往在对脚手架进行优化设计及分析时，常常以结构的刚度最大为优化目标，却忽视了结构的刚度质量比对脚手架动力学特性的影响，从而造成结构的结构布局及材料分布不合理，因此有必要对脚手架的模态特性进行分析，避免运行过程中共振现象的发生，保障脚手架安全可靠运行。

为此，本文利用Solidworks 建立附着式升降脚手架的三维模型，然后以ANSYS 为平台，对附着式升降脚手架在不同工况下的模态特性进行仿真和分析，研究脚手架在两种工况下的振动形态及固有频率，为脚手架的安全可靠运行及优化设计提供技术保障。

2 三维模型的建立及工作原理

2.1 三维模型的建立

附着式升降脚手架主要有5 部分构成，即动力提升系统、施工防护系统、附着导向卸荷系统、防坠系统及智能载荷控制系统组成，其构造主要依据建筑结构的外形搭建，由若干个相互独立的主体单元连接而成，本文所设计的附着式升降脚手架的三维模型如图1 所示，分析时以一个单元架体为计算对象，单元架体最大跨度为6.0m，跨度内立杆纵距2.0m，宽度0.64m，步高2.0m，共7 步脚手板，网片高度1.5m，共8 层网片加一单排，每个机位安装3 附墙支座、3 卸荷支顶器、3 防坠装置。脚手架防护总高度13.5m，架体外排立杆高度13.5m，内排立杆总高度12m。

图1 附着式升降脚手架三维模型的建立

2.2 材料参数的设置

附着式升降架手架主体材料均采用Q235-A制成，仿真时所采用的材料参数如下：材料密度为7 800kg/m3，弹性模量为201GPa，泊松比为0.3，分析时把材料参数赋予分析结构上。

2.3 边界条件的设定

2.3.1 约束的施加

附着式升降脚手架在使用工程中主要存在两种工况，即提升工况与使用工况。

提升工况过程下只有4 个防倾装置与导轨相连接，主体机构靠脚手架提升支座支撑，只有在吊点位置含有竖直方向Y位移约束，在ANSYS中通过弹簧单元模拟电动葫芦与底部横梁之间的连接，其它导轨与附着支撑部位含有沿X与Z方向的位移，提升支座部位约束3 个方向的位移。

使用工况过程中，脚手架运行到固定位置，根据实际情况固定底部附墙支座混凝土墙体的竖向和水平向位移，以模拟实际的支座约束情况，对于其他支座仅约束侧向位移。由于底部翻板与墙体接触，因此此部分接触约束其法向位移，在ANSYS 中使用无摩擦支撑以对接实际的约束。

2.3.2 载荷的施加

脚手架在提升工况使用过程中，同时作业的层数为2 层，每层活荷载标准值为0.5kN/m2，本次分析时载荷作用在2 层与3 层，考虑重力加速度的作用9.8m/s2，使风荷载取0.57kN/m2，风向垂直于跨度方向，作用在架体外侧结构上。

脚手架在使用工况施工过程中，同时作业的层数为2 层，每层施加活载荷标准值3.0kN/m2，载荷作用在脚手架的2 层与3 层，除此之后还需考虑重力加速度的作用9.8m/s2，使用工况风荷载取0.57kN/m2，风向垂直于跨度方向，作用在架体外侧结构上。

2.4 仿真参数的设定

2.4.1 静力学分析参数设定

导轨及导轨支撑接触部位的接触类型设为采用摩擦接触，摩擦系数设为0.005，接触行为采用对称形式，接触算法采用增强的拉格朗日，节点探测采用高斯点探测，修剪接触采用打开，轴向接触刚度系数为3，刚度更新采用每一子步更新，切向刚度接触系数采用默认，界面处理选择Adjust to touch，采用基于子步的求解策略，初始子步为50，最小子步为10，最大子步为100，其余参数选择默认；其余各部分之间的接触采用绑定接触，接触算法采用MPC，其它设置采用默认。

2.4.2 模态分析参数设定

在考虑提升工况下静力学分析的基础上，模态分析时载荷及边界条件的设置与静力学分析一致，由于模态分析只考虑线性状态下的分析，因此模态分析时接触类型设定为绑定接触，接触算法为MPC 算法。

3 仿真结果与分析

3.1 不同工况下的静力学分析

参数设置完成后进行非线性静力学分析迭代计算，得到提升工况下的变形结果如图2（a)所示，使用工况下的变形结果如图2（b)所示。

图2 不同工况下的静力学分析

由图2 可知，提升工况下的最大变形发生在架体顶部，最大变形为34.033mm，最大变形发生在脚手架顶部。使用工况下的最大变形为33.498mm，最大变形发生架体底部。由此可知，不同工况下脚手架的变形位置不同，这与其支撑条件有关，由此可知脚手架整体的变形与附墙支座、提升支座及上下吊点关系密切，且载风载荷作用下提升工况下的变形大于使用工况，提升工况对风载荷敏感程度大于使用工况。

3.2 提升工况下的仿真结果及分析

在提升工况静应力分析的基础上，得到脚手架前四阶振动形态如图3 所示，通过对图中数据进行分析处理，得到前四阶固有频率如表1所示。

图3 提升工况下附着式脚手架的前四阶振动形态

由图3 可知，提升工况下附着式升降脚手架的第一阶振动形态为脚手架绕X方向的前后摆动，且模态分析结果最大变形部位发生在脚手架顶部，此部位机构较刚度较小，模态分析结果与静力学分析结果一致，由此可以判定此部位为结构薄弱部位。第二阶振动形态为外侧立杆前侧绕Y方向的左右扭动，第三阶振动形态为脚手架主体绕X方向的弯曲变形，第四阶振动形态为中间部位绕X方向的前后摆动，提升工况下内外立杆及内外横杆的变形最大，此处为结构的薄弱环节。由表1 可知，提升工况下结构的固有频率在0.6871～3.2856Hz 之间，属于低频振动。

表1 提升工况下的附着式升降脚手架固有频率

3.3 使用工况下的仿真结果与分析

在使用工况静应力分析的基础上，得到脚手架前六阶振动形态如图4 所示，通过对图中数据进行分析处理，得到前四阶固有频率如表2所示。

图4 使用下附着式脚手架的前六阶振动形态

表2 使用工况下的附着式升降脚手架固有频率

由图3 可知，使用工况下脚手架主体的第一阶振动形态为水平支承桁架前侧大小绕X方向的弯曲变形；第二阶振动形态为水平支承桁架前侧绕Y方向的扭转变形；第三阶振动形态为脚手架下部绕Y方向的左右摆动；第四阶振动形态为脚手架绕X方向的前后摆动及扭转变形；由使用工况振动形态可知，脚手架的内外立杆及水平横杆为薄弱环节。由表2 可知，使用工况下脚手架前四阶固有频率在1.3079～5.0141Hz。

4 结论

1）运用三维建模软件对附着式升降脚手架结构进行设计和静力学分析，直观地得到脚手架在不同工况下的变形状态，结果表明支撑形式与结构的整体变形关系密切，且风载荷对脚手架在提升工况下的影响大于使用工况。

2）对脚手架在不同工况进行预应力模态分析，直观得到了在两种不同工况下的振动形态，且前四阶固有频率均属于低阶振动，提升工况下脚手架更易发生低频共振。

3）仿真结果与实际情况相吻合，验证了分析结果的准确性和可靠性，为开展脚手架的优化设计及动力学仿真分析提供技术支撑。