基于EN74标准的钢管脚手架扣件设计及力学性能分析

基于EN74标准的钢管脚手架扣件设计及力学性能分析姓名：姬建菲导师：王凯一、综述建筑业和大型装备制造业是我国经济发展的支柱产业，其高速发展为扣件行业的发展提供了大有作为的广阔空间，有市场需求是扣件行业发展难得的机遇，但是由于价格竞争、利益驱动等等原因，国内扣件的生产使用非常混乱，由于扣件质量原因而引起的伤亡事故时有发生。图一扣件在大型装备制造业应用在建的054B护卫舰近年重大安全事故案例1.2002年10月25日南京电视台演播中心施工过程中,发生一起模板支撑系统整体坍塌事故,造成6人死亡,11人重伤,24人轻伤。2.2003年2月18日,在某研究发展中心工程施工中当浇筑门厅(结构高度为28.1m,净跨24m)混凝土时,晚上20:00左右发生支模架坍塌,造成13人死亡,17人受伤的重大伤亡事故。3.2004年2月26日,河南省某工地在浇筑跨度15m、宽8m、高15m的办公楼大门檐顶混凝土时,模板支撑系统发生坍塌,造成5人死亡、9人受伤。4.2005年4月17日下午,上海松江区某在建厂房脚手架及房顶发生坍塌,25人被埋,造成重大伤亡5.2005年9月北京西单西西工程四号地综合楼项目，浇筑20多米高楼板时，支撑架失稳，坍塌面积400m‘，造成8人死亡，16人重伤6.2005年10月21日下午5时50分，位于西安南郊天坛路的一处城市集中供暖工地发生脚手架坍塌事故，周长80米、高20米的四方型脚手架轰然倒塌，造成4死16伤。今年重大安全事故案例1.2008年1月6日上午10时左右，广州南海大沥河西村一座七层在建楼房阳台的护墙突然坍塌，造成1死1伤2.2008年5月9日15时左右，牡丹江市太平路原时代广场门前工地的脚手架顶部突然坠落，6名行人被砸，其中3人抢救无效死亡3.2008年２９日１０时４５分许，上海新国际博览中心Ｅ６馆的杭州某公司展台附近约６米高的脚手架突然倒塌，致使１名正在撤展的工人高空坠亡，另有３名工人受伤4.2008年11月29日上午9时40分许，武昌市洪山卓刀泉北路上，一酒店外的脚手架整体倒塌，拉倒6根电线杆，致附近3000多家用户停电，一辆过路轿车被砸坏5.2008年12月21日上午，上海市奉贤区金汇镇一处正在进行改扩建施工的厂房顶层结构脚手架突然倒塌，3名工人伤重不治身亡，9名施工人员不同程度受伤6.2009年1月3日10时40分许，深圳市南山区蛇口公园路一在建工地的脚手架发生坍塌，5名工人被埋，共造成6人受伤，其中4人伤势较重。倒塌事故原因分析1.钢管壁厚变薄在市场上采购钢管,名义上是Φ48×3.5钢管,实际测量时,不少钢管壁厚实为2.8～3.0mm,其轴向抗压能力降低18.7%～13.3%。钢管使用多年,局部壁厚也变薄。2.扣件合格率低《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130—2001)表5.1.7规定对接扣件抗滑承载力为3.2kN,直角与回转扣件抗滑承载力为8kN,从现场检查发现,很难达到此规定。某工地发生重大事故后,对扣件进行检查,其合格率为0扣件力学性能试验：根据GB15831－2006，设计抗破坏实验和抗滑移试验方案，在市场上购买了三种常见的扣件，并对其进行试验产地价格材质工艺扣件A山西晋玛5.0KTH330-08铸造扣件B河北孟村4.8KTH330-08铸造扣件C武汉张湾4.6KTH330-08铸造抗滑性能试验：当施于横管上竖向等速增加的载荷P达到规定值时，测量位移值Δ1和Δ2图1抗滑性能试验Fig.1Anti2slidingtest1.横管2.竖管3.扣件抗破坏性能试验：抗滑性能试验后，未损坏的扣件可用作抗破坏性能试验，当P为25.0KN时，扣件各部位不得破坏。图2抗破坏性能试验Fig.2Anti2destructivetest1.横管2.竖管3.支承垫4.扣件采用试验仪器：电子试验拉力机（中国科学院试验仪器研究所生产）图1扣件实验设备（抗破坏实验）试验结果数据：图一扣件A抗破坏实验曲线发现该扣件抗拉能力达到45KN,国家标准是不小于25KN，达标。图二扣件B抗破坏实验曲线发现，曲线在AB段，斜率很小，说明在较小的载荷下已经发生大的位移，这是典型的接触不良现象；BC段斜率较大，受力后变形正常；CD段是垂直下降，表示发生破坏，扣件失效；DE段斜率较高，表示受力后正常变形；E点以后，曲线下降很快，扣件完全失效。图三扣件C抗破坏实验曲线OA段，扣件正常变形；AB段，发生滑移，表示接触不好；BC段扣件正常变形；C点后扣件不能承受载荷，完全失效。试验结论：抗破坏性试验抗滑移试验扣件A合格不合格扣件B不合格不合格扣件C不合格不合格通过大量实验和分析，发现大多数的铸造扣件产品不合格。扣件在安装时，由于铸造精度差不可避免地存在接触不良问题。尽管扣件本身的强度不太差，但是接触不良会造成一定量的滑移，若将此类扣件用于复杂钢管支撑架，会引起很大的危险。在某些条件下，要求扣件组合的钢管支撑结构的稳定性较高，这种大的变形使得稳定性完全丧失。历年来，涉及到扣件的事故多次表明，由于铸造扣件的精度较差，在大的载荷下，造成钢架整体结构失稳，坍塌。新型扣件3D结构图将pro/E文件导入ANSYS课题的主要目的设计出符合EN74标准的新型扣件并对其进行结构优化。传统扣件采用铸造工艺其结构精度差，滑移量大，并且采用螺栓螺母上紧结构施工操作效率低，螺纹长期暴露在外容易受现场施工物附着导致无法拆卸，施工中螺母与扳手容易掉落，因此有待进一步的改进。根据某课题要求，参照EN74标准，本论文研究设计一种通用性好、安装简便、一体性好，并便于大量生产的扣件。课题的主要内容：a、设计符合EN74标准的新型扣件。b、利用ANASYS软件对新型扣件的进行建模和受力分析。c、对扣件的设计进行优化。d、依据EN74标准，设计出实验方案，并对扣件进行实际测试。e、设计出能适宜大批量生产时的实验检验工具。f、将软件模拟分析结果与实际测试结果进行对比分析，对扣件的设计方案进一步优化。预期效果a、设计出扣件的三维模型。b、依据EN74标准，利用ANSYS软件对设计出的扣件模型进行模拟实验分析，并对扣件结构进行优化。c、根据设计图纸与制造工艺，制造出样件，并依据EN74标准设计出实际的实验方案，完成实际测试。对比软件模拟分析结果与实际实验结果，调整软件模拟研究时的各项参数。d、完成扣件的优化与设计。论文中新见解a、依据EN74标准，设计出一种结构可靠、操作简单新型扣件。b、设计出能满足批量生产的扣件检验装置。c、所设计的扣件一体性好，不会掉落零件。d、用榔头敲击锁紧，回避螺纹连接，提高工作效率。课题的主要难点及解决办法：扣件静态破坏实验、滑移实验的模拟受力分析解决方案：模拟实验中各参数的合理调整解决方案：采用正交实验法抗破坏试验为非线性大变形，断裂试验中裂纹区域的断裂参数的确定抗滑移试验为瞬态动力学分析，抗滑移试验的滑动摩擦参数的确定结束谢谢各位老师！