超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析

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       脚手架是建筑结构施工或外墙装饰作业中一种较为重要的辅助施工设施。超高层建筑脚手架架体构造部分由传统的扣件式钢管脚手架发展而来,然而与传统脚手架不同的是,超高层建筑中的附着脚手架在作业中除了承受竖向荷载作用外,水平风荷载亦起主要作用。

        为考察此类脚手架在风荷载作用下的动力响应,本文以某实际工程为例,选取典型的脚手架区间,采用ANSYS软件进行有限元建模和动力响应分析。

        单元架体跨度取5.3m,跨度内立杆纵距1.5m,横距0.8m,步高1.9m,共9步半,支架离墙距离0.4m,脚手架总高度19m,楼层高度110m,宽度33.4m,项目所在地风压是0.35kN/m2,地面粗糙度为D类。

        拉杆采用link8单元;框架采用beam189单元,硬拉结约束采用弹簧单元combin14,其中弹簧刚度取10000N/mm,材料属性:弹性模量2.1e5N/mm,泊松比0.3,密度7850kg/m3,结构有限元模型如下:

【案例分享】超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析

        首先对该结构进行了常规的静力分析,静力分析时的主要荷载包括结构的自重,活荷载按作业水平投影面积0.5KN/m2考虑,风荷载按照荷载规范P58-59计算,荷载组合取1.2恒+1.4风+1.4*0.7活,最后得到的位移云图如下,可见静力分析情况时,结构最大位移大约34mm。

【案例分享】超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析

        风荷载按照成分来分一般分为平均分和脉动风,在静力计算时,脉动风按风振系数加到平均风压上考虑,而在进行动力时程分析时,则应把脉动风按随机荷载来考虑,利用谐波叠加法采用Matlab编制响应程序,即可得到迎风面不同标高处的风速时程曲线。

       生成风荷载的参数如下:

 由于考虑脚手架在爬升过程中的动力响应,爬升过程中允许的最大风等级为六级,此时按前文可知,风压为0.11kN/m2,对应的风速为13.27m/s,地面粗糙度度系数取0.013,时间间隔取0.2s,持续时间取200s,脚手架顶部高度为110m,采用Davenport风速谱,模拟的回归阶数取4阶。下图列出了标高110米处的风速时程曲线、模拟功率谱与目标谱的对比曲线。【案例分享】超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析

风荷载计算公式如下:【案例分享】超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析
【案例分享】超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析

本项目考虑有安全板以及档板左右,体型系数按规程取0.55,按上式即可计算得到风荷载时程曲线,对应上述风速时程曲线的风荷载时程曲线如下:【案例分享】超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析
结果展示:

首先确定观测点,横向观测点如下:【案例分享】超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析

竖向观测点如下:【案例分享】超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析

横向观测点时程响应结果,典型点4573,4986,4828响应曲线如下【案例分享】超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析

竖向观测点时程响应结果,典型点4770,5851,5613响应曲线如下:

【案例分享】超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析

        以节点4572的横向坐标为参考点,则各个节点响应最大值随相对坐标的变化情况如下:

【案例分享】超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析
    
以节点183的竖向坐标为参考点,则各个节点响应最大值随相对坐标的变化情况如下:

【案例分享】超高层建筑附着脚手架在爬升过程中的动力响应分析

        对比上述横向和竖向的结果可以看出,在风荷载时程作用下,结构各个节点位移响应以顶部响应最为强烈,其中在顶部距离端部大概四分之一跨度处达到最大值,这与静力计算的结果相一致

        在竖向上,结构位移响应最大值成凹形分布,在导座附近达到最小值,在顶部达到最大值,与静力分析结果相一致。

        对比动力分析结果与静力分析结果,发现最大值相差较大,静力全结构最大值约33.8mm,而动力分析的结果大约在91mm附近,两者相差近3倍,这也说明脚手架在爬升过程中风荷载的影响较大,除了按照静力分析之外,适当的动力分析也必不可少。

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