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摘要：为揭示下撑式悬挑脚手架施工平台的受力机理，通过对下撑式脚手架施工平台的缩尺静力模型试验与有限元模拟分析相结合的方法，研究了在支撑点位置变化过程中，施工平台在设计荷载作用下的受力和变形特点。试验与模拟结果均表明，施工平台竖向最大位移有着明显变化的三个阶段，且存在最小位移;施工平台在锚固点、支撑点及跨中处存在危险截面，且均有可能出现最大弯矩。

随着经济建设和城市化的高速发展，许多具有艺术表现力和强烈视觉冲击感且造型复杂的高层建筑如雨后春笋般大量涌现[1-3]。高空悬挑造型作为常见的建筑形体之一，能够实现建筑立面和空间的凹凸效果和丰富变化，被广泛应用于高层建筑中[4-5]。悬挑造型往往处于高空，且跨度较大，安装时需搭接脚手架施工平台，施工平台设计的可靠性是保证悬挑结构安装及施工安全的关键。

1模型试验

1.1模型设计与制作

基于下撑式脚手架施工平台规格和尺寸，严格按照结构静力试验相似理论，设计了模型试件，由于原型结构尺寸较大，采用的几何相似比为=1/10，可确保试验加载能力及试验精度要求。工字钢梁长度由原来的4.1m缩尺为0.41m，悬挑段长度由3.5m缩尺到0.35m，立杆总高度由3m缩尺到0.3m，各部位都缩小到原来1/10。图1为试验模型图，试验中所用钢材均为Q235钢，考虑工字钢模型截面尺寸过小，采用激光切割板材，通过压缝焊焊接成型。可伸缩下撑杆设计为压杆，可调节范围为360-420mm。脚手架立杆搁置在悬挑钢梁上的联梁上，架体一共搭设18根立杆，搭成52的体系，立杆通过定位螺栓固定。

1.2荷载布置

图2为坡屋面荷载布置图，坡屋面分前后两道浇筑成型，第二道浇筑在第一道混凝土初凝后进行，初凝后的混凝土具有一定承载力，且与建筑主体结构相连，导致第二道混凝土浇筑完成后，脚手架传递到施工平台上的力反而减少，故荷载设计时只考虑第一道浇筑时产生的荷载。针对坡屋面构造特点，将上部荷载划分为4个分区，实现与实际工程近似加载，各分区面荷载已在图中标示。分区面荷载通过堆载施加，通过计算，1-4分区荷载对应质量分别为4.9kg、6.2kg、51.8kg、24.1kg。为确保试验精度，试验过程中采用标准砝码进行加载，加载前均使用电子秤进行称量，重量不足时采用干沙充填。

1.3测点布置

由于结构对称，仅在中间和左侧工字钢及下撑杆上布置测点。测点布置如图3所示，应变测点分别布置在锚固点、跨中各立杆、支撑点及下撑杆上，监测关键点应力;位移计布置在钢梁跨中及梁端，监测其挠度。各立杆间距已在图3中标示，立杆编号从右往左依次增加，其中应变测点8上的立杆6距离梁边缘0.01m，第一道锚固点距离钢梁边缘0.01m，两道锚固间相距0.08m。试验中工字钢上翼缘测点受木联梁影响，测点位置同时受到弯矩和轴力的共同影响，导致测量弯曲应变时只能采用半桥的连接方法。由《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011可知[6]，下撑杆与地面的倾角应在45°～60°之间，设置四组模型试验，支撑点与钢梁自由端的距离由70mm依次变化到130mm，每组位置变量取20mm。

2ANSYA有限元模型的建立

2.1整体模型

与模型试验不同，本次建立数值模型时，使用ANSYS软件对悬挑脚手架施工平台进行足尺建模。对于脚手架顶面的传力板选取shell181单元，其余的工字钢、下撑杆、立杆以及水平杆等均采用beam189单元，整体分析模型如图4所示。模型整体采用六面体网格划分，网格尺寸均为25mm，可以比较准确模拟。

2.2边界条件与荷载

除立杆与工字钢和横杆的边界条件为固接外，其余边界条件均为铰接。荷载施加方式与模型试验相同，荷载步设置为50，不限制下撑杆侧向变形，求解时打开大变形。

3试验与模拟结果对比分析

3.1变形结果对比分析

图5给出了不同支撑点位置的工字钢梁变形云图，图中钢梁最大位移已框出，可以看出，钢梁最大位移逐渐从跨中向梁端转化，当支撑点距离梁端0.9m时，跨中和梁端均出现最大位移。图6为钢梁试验与模拟位移对比图，可以看出，试验与数值模拟位移有相同变化规律，随着支撑点位置增大，跨中位移逐渐减小，梁端位移不断增大，图中交点表示支撑点变化过程中钢梁最小位移，数值模拟跨中与梁端竖向位移分别比模型试验小22.2%和25.5%，可能的原因是实际加载过程重心不断前移，而ANSYS模拟时重心不变。在支撑点变化过程中，钢梁跨中最大挠度仅为1.8mm，不到跨度的3/1000;梁端最大挠度仅为3.9mm，小于最大允许挠度L/250=10.4mm，满足刚度要求。

3.2应变结果对比分析

试验测得了钢梁锚固点、跨中各立杆以及支撑点位置上关键点的应变。从图7可以看出，尽管试验测点受到结构的影响，但试验和模拟的应变结果具有相同变化规律，关键点上应变值均呈现先增大后减小，最后再增大的特点，且有限元计算的结果与试验数据较为拟合，同时也验证了试验中应变片采用半桥布置的可靠性。钢梁在锚固点、跨中及支撑点位置应变值较大，而跨中应变最大值在跨内几根立杆位置变化;锚固点及支撑点位置钢梁上部受拉，出现较大的支座负弯矩，而在跨中位置钢梁下部受拉，受脚手架传来的集中荷载作用，产生较大的跨中弯矩。

图8为工字钢梁危险截面对比图，通过提取九组模拟数据的应变绝对值绘制。可以看出，随着支撑点位置逐渐增大，锚固点与跨中应变值明显减小，而支撑点应变值明显增大。其中支撑点应变在1.2m处出现陡增，是因为此时测点6与测点5重合，同时悬挑段长度增加，导致支撑点应变出现突变;跨中应变在1.1m处出现转折，原因是跨中最大应变从测点4转变到测点5，由于相对位置的改变，使应变出现转折;而锚固点应变值呈较强规律性，稳定减小。其中锚固点与支撑点应变折线于0.8m处相交，综合三个危险截面应变考虑，交点处为钢梁最佳支撑点。

4结论

通过改变施工平台支撑点的位置，分析了施工平台的受力和变形，并将试验与模拟结果进行对比，验证了施工平台设计的可靠性，得到了施工平台的最佳支撑角度为48°。

参考文献

[1]徐建设，张卉，南建林，等.多高层建筑大悬挑结构的悬挑方案及适用范围[J].建筑科学，2014，30（07）：125-8.

[2]汪大绥，包联进.我国超高层建筑结构发展与展望[J].建筑结构，2019，49（19）：11-24.

[3]贾海涛，杜岩，宋红克，等.悬挑式脚手架在高层建筑施工的应用研究[J].施工技术，2017，46（S1）：382-4.

[4]罗晓玲，简军，欧阳文乐，等.高空大跨度悬挑型钢平台高支模施工技术[J].江苏建材，2019，S2）：73-5.

[5]黄赛，徐磊，张学伟，等.商务大厦屋顶造型及立面改建工程关键施工技术[J].建筑技术开发，2019，46（01）：42-3.

[6]JGJ 130—2011建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范[S].