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基于EN74標(biāo)準(zhǔn)的鋼管腳手架扣件設(shè)計(jì)及力學(xué)性能分析,姓名：姬建菲 導(dǎo)師：王 凱,一、綜述,建筑業(yè)和大型裝備制造業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，其高速發(fā)展為扣件行業(yè)的發(fā)展提供了大有作為的廣闊空間，有市場(chǎng)需求是扣件行業(yè)發(fā)展難得的機(jī)遇，但是由于價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)、利益驅(qū)動(dòng)等等原因，國(guó)內(nèi)扣件的生產(chǎn)使用非常混亂，由于扣件質(zhì)量原因而引起的傷亡事故時(shí)有發(fā)生。,圖一 扣件在大型裝備制造業(yè)應(yīng)用 在建的054B護(hù)衛(wèi)艦,近年重大安全事故案例,1. 2002年10月25日南京電視臺(tái)演播中心施工過(guò)程中, 發(fā)生一起模板支撐系統(tǒng)整體坍塌事故, 造成6人死亡, 11人重傷, 24人輕傷。 2. 2003年2月18日, 在某研究發(fā)展中心工程施工中當(dāng)澆筑門廳( 結(jié)構(gòu)高度為28.1m, 凈跨24m)混凝土?xí)r, 晚上20: 00左右發(fā)生支模架坍塌, 造成13人死亡, 17人受傷的重大傷亡事故。 3. 2004年2月26日, 河南省某工地在澆筑跨度15m、寬8m、高15m的辦公樓大門檐頂混凝土?xí)r,模板支撐系統(tǒng)發(fā)生坍塌, 造成5人死亡、9人受傷。,4. 2005年4月17日下午, 上海松江區(qū)某在建廠房腳手架及房頂發(fā)生坍塌, 25人被埋, 造成重大傷亡 5. 2005年9月北京西單西西工程四號(hào)地綜合樓項(xiàng)目，澆筑20多米高樓板時(shí)，支撐架失穩(wěn)，坍塌面積400m‘，造成8人死亡，16人重傷 6. 2005年10月21日下午5時(shí)50分，位于西安南郊天壇路的一處城市集中供暖工地發(fā)生腳手架坍塌事故，周長(zhǎng)80米、高20米的四方型腳手架轟然倒塌 ，造成4死16傷。,今年重大安全事故案例,1. 2008年1月6日上午10時(shí)左右，廣州南海大瀝河西村一座七層在建樓房陽(yáng)臺(tái)的護(hù)墻突然坍塌 ，造成1死1傷 2. 2008年5月9日15時(shí)左右，牡丹江市太平路原時(shí)代廣場(chǎng)門前工地的腳手架頂部突然墜落，6名行人被砸，其中3人搶救無(wú)效死亡 3. 2008年２９日１０時(shí)４５分許，上海新國(guó)際博覽中心Ｅ６館的杭州某公司展臺(tái)附近約６米高的腳手架突然倒塌，致使１名正在撤展的工人高空墜亡，另有３名工人受傷,4. 2008年11月29日上午9時(shí)40分許，武昌市洪山卓刀泉北路上，一酒店外的腳手架整體倒塌，拉倒6根電線桿，致附近3000多家用戶停電，一輛過(guò)路轎車被砸壞,5. 2008年12月21日上午，上海市奉賢區(qū)金匯鎮(zhèn)一處正在進(jìn)行改擴(kuò)建施工的廠房頂層結(jié)構(gòu)腳手架突然倒塌，3名工人傷重不治身亡，9名施工人員不同程度受傷 6. 2009年1月3日10時(shí)40分許，深圳市南山區(qū)蛇口公園路一在建工地的腳手架發(fā)生坍塌，5名工人被埋，共造成6人受傷，其中4人傷勢(shì)較重。,倒塌事故原因分析,1. 鋼管壁厚變薄 在市場(chǎng)上采購(gòu)鋼管, 名義上是Φ48×3.5鋼管,實(shí)際測(cè)量時(shí), 不少鋼管壁厚實(shí)為2.8～3.0mm, 其軸向抗壓能力降低18.7%～13.3%。鋼管使用多年, 局部壁厚也變薄。 2. 扣件合格率低 《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》( JGJ 130—2001) 表5.1.7規(guī)定對(duì)接扣件抗滑承載力為3.2kN, 直角與回轉(zhuǎn)扣件抗滑承載力為8kN, 從現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn), 很難達(dá)到此規(guī)定。某工地發(fā)生重大事故后, 對(duì)扣件進(jìn)行檢查,其合格率為0,扣件力學(xué)性能試驗(yàn)：,根據(jù)GB15831－2006，設(shè)計(jì)抗破壞實(shí)驗(yàn)和抗滑移試驗(yàn)方案，在市場(chǎng)上購(gòu)買了三種常見(jiàn)的扣件，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn),抗滑性能試驗(yàn)： 當(dāng)施于橫管上豎向等速增加的載荷P達(dá)到規(guī)定值時(shí)，測(cè)量位移值Δ1和Δ2,圖1 抗滑性能試驗(yàn) Fig. 1 Anti2sliding test 1. 橫管 2. 豎管 3. 扣件,抗破壞性能試驗(yàn)： 抗滑性能試驗(yàn)后，未損壞的扣件可用作抗破壞性能試驗(yàn)，當(dāng)P為25.0KN時(shí)，扣件各部位不得破壞。,圖2 抗破壞性能試驗(yàn) Fig. 2 Anti2destructive test 1. 橫管 2. 豎管 3. 支承墊 4. 扣件,采用試驗(yàn)儀器： 電子試驗(yàn)拉力機(jī) （中國(guó)科學(xué)院試驗(yàn)儀器研究所生產(chǎn)）,圖1 扣件實(shí)驗(yàn)設(shè)備（抗破壞實(shí)驗(yàn)）,試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù) ：,圖一 扣件A 抗破壞實(shí)驗(yàn)曲線 發(fā)現(xiàn)該扣件抗拉能力達(dá)到45KN,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是不小于25KN，達(dá)標(biāo)。,圖二 扣件B 抗破壞實(shí)驗(yàn)曲線發(fā)現(xiàn)，曲線在AB段，斜率很小，說(shuō)明在較小的載荷下已經(jīng)發(fā)生大的位移，這是典型的接觸不良現(xiàn)象；BC段斜率較大，受力后變形正常；CD段是垂直下降，表示發(fā)生破壞，扣件失效；DE段斜率較高，表示受力后正常變形；E點(diǎn)以后，曲線下降很快，扣件完全失效。,圖三 扣件C 抗破壞實(shí)驗(yàn)曲線 OA段，扣件正常變形；AB段，發(fā)生滑移，表示接觸不好；BC段扣件正常變形；C點(diǎn)后扣件不能承受載荷，完全失效。,試驗(yàn)結(jié)論 ：,通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的鑄造扣件產(chǎn)品不合格?？奂诎惭b時(shí)，由于鑄造精度差不可避免地存在接觸不良問(wèn)題。盡管扣件本身的強(qiáng)度不太差，但是接觸不良會(huì)造成一定量的滑移，若將此類扣件用于復(fù)雜鋼管支撐架，會(huì)引起很大的危險(xiǎn)。在某些條件下，要求扣件組合的鋼管支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較高，這種大的變形使得穩(wěn)定性完全喪失。歷年來(lái)，涉及到扣件的事故多次表明，由于鑄造扣件的精度較差，在大的載荷下，造成鋼架整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，坍塌。,新型扣件3D結(jié)構(gòu)圖,將pro/E文件導(dǎo)入ANSYS,課題的主要目的,設(shè)計(jì)出符合EN74標(biāo)準(zhǔn)的新型扣件并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。傳統(tǒng)扣件采用鑄造工藝其結(jié)構(gòu)精度差，滑移量大，并且采用螺栓螺母上緊結(jié)構(gòu)施工操作效率低，螺紋長(zhǎng)期暴露在外容易受現(xiàn)場(chǎng)施工物附著導(dǎo)致無(wú)法拆卸，施工中螺母與扳手容易掉落，因此有待進(jìn)一步的改進(jìn)。根據(jù)某課題要求，參照EN74標(biāo)準(zhǔn)，本論文研究設(shè)計(jì)一種通用性好、安裝簡(jiǎn)便、一體性好，并便于大量生產(chǎn)的扣件。,課題的主要內(nèi)容：,a、設(shè)計(jì)符合EN74標(biāo)準(zhǔn)的新型扣件。 b、利用ANASYS軟件對(duì)新型扣件的進(jìn)行建模和受力分析。 c、對(duì)扣件的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。 d、依據(jù)EN74標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)扣件進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。 e、設(shè)計(jì)出能適宜大批量生產(chǎn)時(shí)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)工具。 f、將軟件模擬分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)扣件的設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步優(yōu)化。,預(yù)期效果,a、設(shè)計(jì)出扣件的三維模型。 b、依據(jù)EN74標(biāo)準(zhǔn)，利用ANSYS軟件對(duì)設(shè)計(jì)出的扣件模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)分析，并對(duì)扣件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。 c、根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙與制造工藝，制造出樣件，并依據(jù)EN74標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出實(shí)際的實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)際測(cè)試。對(duì)比軟件模擬分析結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整軟件模擬研究時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)。 d、完成扣件的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。,論文中新見(jiàn)解,a、依據(jù)EN74標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)可靠、操作簡(jiǎn)單新型扣件。 b、設(shè)計(jì)出能滿足批量生產(chǎn)的扣件檢驗(yàn)裝置。 c、所設(shè)計(jì)的扣件一體性好，不會(huì)掉落零件。 d、用榔頭敲擊鎖緊，回避螺紋連接，提高工作效率。,課題的主要難點(diǎn)及解決辦法：,扣件靜態(tài)破壞實(shí)驗(yàn)、滑移實(shí)驗(yàn)的模擬受力分析 解決方案： 模擬實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)的合理調(diào)整 解決方案： 采用正交實(shí)驗(yàn)法 抗破壞試驗(yàn)為非線性大變形，斷裂試驗(yàn)中裂紋區(qū)域的斷裂參數(shù)的確定 抗滑移試驗(yàn)為瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，抗滑移試驗(yàn)的滑 動(dòng)摩擦參數(shù)的確定,結(jié)束 謝謝各位老師！,