引言

近年来，随着城市化进程的加速，高层及超高层建筑的数量不断增加，风致振动问题日益突出。附着式升降脚手架作为一种广泛应用于高层建筑施工的临时支撑体系，其在风荷载作用下的结构安全性至关重要。在强风或台风等极端天气条件下，风致振动可能导致脚手架构件疲劳、结构失稳，甚至坍塌，引发安全事故。因此，对附着式升降脚手架进行风振响应分析，研究其在风荷载作用下的效应，对于确保安全、优化设计参数以及提升施工效率具有重要意义。

目前，研究人员针对附着式升降脚手架已经开展了多方面的研究。王秀丽等^[1]通过有限元模拟与现场试验相结合的方法，研究了附着节点位置与钢梁截面属性对抗风性能的影响，发现当节点附着在钢梁端部且梁高较大时，节点和建筑结构的应力变形最小，同时指出钢梁抗扭性能对节点破坏具有决定性作用。刘晓旭等^[2]采用有限差分法建立精细化模型，揭示了支座刚度与架体应力位移的关联性，研究表明支座刚度增大可使架体应力及位移显著减小。王宇航等^[3]通过6组防护网板连接试验发现，销轴连接与螺栓连接对架体刚度产生差异化影响，其中连接件受力机制对刚度影响显著但对承载力影响有限。潘为民等^[4]基于Davenport谱与AR模型开发的风速时程模拟方法，实现了脚手架风荷载功率谱与目标谱的精确匹配，而王立颖^[5]进一步通过三维建模技术量化了常规载荷与风致响应的耦合效应。刘国文^[6]通过参数化分析指出，在风荷载主导工况下，支座刚度对弯矩传递效率的影响系数可达0.67，这一数值显著高于静载工况的0.38。吴思怡^[7]的对比试验数据表明，采用弹性支座的架体在台风工况下的动力放大系数比刚性支座高1.8-2.3倍。由此可见，风荷载是影响附着式升降脚手架力学性能的主要荷载之一。

本文以西安市某24层建筑工程的附着式升降脚手架为对象，基于有限元方法分析了考虑风荷载后附着式升降脚手架的整体变形特点，位移和应力的变化情况。

1 有限元模型建立

1.1 附着式升降脚手架概况

西安市某民用建筑工程，地上部分为24层剪力墙结构，施工过程中采用了附着式升降脚手架体系。架体总高14m、宽度0.6m、支撑跨度6m、立杆纵距2m、步距2m。竖向主框架、内外立杆均采用截面尺寸为50mm×50mm×3mm的矩形钢管；水平支承桁架高度0.6m，上下弦杆、腹杆均采用截面尺寸为50mm×50mm×3mm的矩形钢管；走道板的纵向边框采用50mm×50mm×3mm的矩形钢管，横向边框采用50×32×4mm的角钢，面板采用3mm厚花纹钢板。架体材料采用Q235级钢。图1所示为该附着式升降脚手架的立面布置图。

图1 附着式升降脚手架立面布置图

1.2 有限元分析模型

运用有限元软件Midas/Gen建立附着式升降脚手架的有限元分析模型。架体的立杆、横杆、内外连接支撑、走道板框架、水平支承桁架等采用梁单元进行建模，走道板采用薄板单元进行建模。图2所示为附着式升降脚手架的有限元分析模型。

图2 附着式升降脚手架有限元模型

2 计算结果及分析

2.1 模态分析

附着式升降脚手架的前五阶频率为3.6139Hz、4.3841Hz、4.8975Hz、6.0068Hz、6.2985Hz、8.1994Hz。图所示为附着式升降脚手架的前六阶振型图。从图中可以看出，第一阶振型和第三阶振型表现为面内弯曲振动，第二阶振型和第四阶振型表现为面外弯曲振动，第五阶振型和第六阶振型表现为扭转振动。

图3 附着式升降脚手架前六阶振型

2.2 效应分析

作用于附着式升降脚手架的荷载分为永久荷载和可变荷载两类。永久荷载包括架体自重，防护栏杆、脚手板、翻板、挡脚板、钢板网等防护设施自重，固定在架体上的升降机构与升降设备自重以及其他永久荷载；可变荷载包括施工荷载、风荷载以及其他可变荷载。

表1所列为使用工况下，在进行结构施工时附着式升降脚手架的施工活荷载标准值。

表1 使用工况施工活荷载标准值

风荷载标准值w_k按式（1）计算：

                             （1）

式中：w_k——风荷载标准值；

β_z——风振系数，一般取1.0；

μ_z——风压高度变化系数，按表2取用；

μ_s——风载体型系数，按表1规定采用；

w₀——基本风压值，取重现期n=10对应的风压值，不低于0.3。

查阅现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009^[8]可知w₀取0.25kN/m²。

表1 附着式升降脚手架风载体型系数

注:φ为挡风系数，φ=1.2A_n/A_w。其中A_n为附着式升降脚手架迎风面挡风面积（m²），A_w为附着式升降脚手架迎风面面积（m²）。

表2 风压高度变化系数

图4所示为不考虑风荷载时附着式升降脚手架的整体变形形态，图5所示为考虑风荷载后附着式升降脚手架的整体变形形态。对比图4和图5可知，风荷载对脚手架的整体变形影响较大。观察侧视图可以发现，不考虑风荷载时脚手架的整体变形呈现出顶部向外侧偏离、底部向内侧靠近的趋势；考虑风荷载后脚手架的整体变形表现为顶部和底部均向内侧靠近的趋势。

（a）正视图  （b）侧视图                    （a）正视图  （b）侧视图

图4 不考虑风荷载的脚手架整体变形            图5 考虑风荷载的脚手架整体变形

表3所列为脚手架在不考虑风荷载和考虑风荷载两种工况下的位移和应力。分析可知，考虑风荷载后，脚手架Y方向的位移显著增大，最大位移由6.31mm增至15.45mm，增幅达145%；X方向和Z方向的位移略有减小；考虑风荷载后，脚手架应力显著增大，最大应力由82.6MPa增至208MPa，增幅达152%。

表3 脚手架在不同荷载组合下的位移和应力

结论

本文采用有限元软件Midas/Gen对附着式升降脚手架的风荷载效应进行了分析，得到主要结论如下：

（1）考虑风荷载后附着式升降脚手架的整体变形形态与不考虑风荷载时的区别明显。

（2）考虑风荷载后，脚手架沿风荷载作用方向的位移显著增大，脚手架整体的应力水平显著提高，安全储备明显降低。

参考文献

[1] 王秀丽,崔健,赵涛,.附着式升降脚手架新型钢结构附着节点应用研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2020,36(02):273-281.

[2] 刘晓旭,马治民,赵明,等.支座形式对附着式升降脚手架影响分析[J].施工技术,2017,46(18):70-73.

[3] 王宇航,安毅,程欣,等.考虑防护网板作用的附着式升降脚手架试验研究[J].太原理工大学学报,2022,53(06):1108-1116.

[4] 潘为民,孔宁宁,李国华,等.附着式整体升降脚手架的风荷载研究[J].机械设计与制造,2018(09):33-35.10.

[5] 王立颖.附着式升降脚手架的设计及风致响应分析[D].华北理工大学.2023.

[6] 刘国文.连墙件设置缺陷对脚手架立杆弯矩的影响[D].沈阳建筑大学.2019.

[7] 吴思怡.连墙件位置对脚手架系统杆件受力性能的影响[D].沈阳建筑大学.2017.

[8] GB 50009-2012.建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.