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1、基于EN74标准的钢管脚手架扣件设计及力学性能分析Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望一、综述综述 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。图一图一 扣件在大型装备制造业应用扣件在大型装备制造业应用 在建的在建的054B054B护卫舰护卫舰 近年重大安全事故案例n1. 20
2、02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。n2. 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。n3. 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。n n4. 20054. 2005年年4 4月月1717日下午日下午, , 上海松江区某在建厂房脚上海松江区某在建厂房
3、脚手架及房顶发生坍塌手架及房顶发生坍塌, 25, 25人被埋人被埋, , 造成重大伤亡造成重大伤亡n n5. 5. 20052005年年9 9月月北北京京西西单单西西西西工工程程四四号号地地综综合合楼楼项项目目，浇浇筑筑2020多多米米高高楼楼板板时时，支支撑撑架架失失稳稳，坍坍塌塌面面积积400m400m，造成，造成8 8人死亡，人死亡，1616人重伤人重伤n n6. 6. 20052005年年1010月月2121日日下下午午5 5时时5050分分，位位于于西西安安南南郊郊天天坛坛路路的的一一处处城城市市集集中中供供暖暖工工地地发发生生脚脚手手架架坍坍塌塌事事故故，周周长长8080米米、高高
4、2020米米的的四四方方型型脚脚手手架架轰轰然然倒倒塌塌 ，造成，造成4 4死死1616伤。伤。今年重大安全事故案例n n1. 1. 20082008年年1 1月月6 6日日上上午午1010时时左左右右，广广州州南南海海大大沥沥河河西西村村一一座座七七层层在在建建楼楼房房阳阳台台的的护护墙墙突突然然坍坍塌塌 ，造造成成1 1死死1 1伤伤 n n2. 2. 20082008年年5 5月月9 9日日1515时时左左右右，牡牡丹丹江江市市太太平平路路原原时时代代广广场场门门前前工工地地的的脚脚手手架架顶顶部部突突然然坠坠落落，6 6名名行行人人被被砸，其中砸，其中3 3人抢救无效死亡人抢救无效死亡
5、 n n3. 3. 20082008年年日日时时分分许许，上上海海新新国国际际博博览览中中心心馆馆的的杭杭州州某某公公司司展展台台附附近近约约米米高高的的脚脚手手架架突突然然倒倒塌塌，致致使使名名正正在在撤撤展展的的工工人人高高空空坠亡，另有名工人受伤坠亡，另有名工人受伤n n4. 4. 20082008年年1111月月2929日日上上午午9 9时时4040分分许许，武武昌昌市市洪洪山山卓卓刀刀泉泉北北路路上上，一一酒酒店店外外的的脚脚手手架架整整体体倒倒塌塌，拉拉倒倒6 6根根电电线线杆杆，致致附附近近30003000多多家家用用户户停停电电，一一辆辆过过路路轿车被砸坏轿车被砸坏 n n5.
6、 20085. 2008年年1212月月2121日上午，上海市奉贤区金汇镇一处日上午，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正在进行改扩建施工的厂房顶层结构脚手架突然倒塌，倒塌，3 3名工人伤重不治身亡，名工人伤重不治身亡，9 9名施工人员不同名施工人员不同程度受伤程度受伤 n n6. 20096. 2009年年1 1月月3 3日日1010时时4040分许，深圳市南山区蛇口公分许，深圳市南山区蛇口公园路一在建工地的脚手架发生坍塌，园路一在建工地的脚手架发生坍塌，5 5名工人被埋，名工人被埋，共造成共造成6 6人受伤，其中人受伤，其中4 4人伤势较重。人伤势较重。 倒塌
7、事故原因分析倒塌事故原因分析n n1. 1. 钢管壁厚变薄钢管壁厚变薄 在市场上采购钢管在市场上采购钢管, , 名义上是名义上是483.5483.5钢管钢管, ,实际测量时实际测量时, , 不少钢管壁厚实为不少钢管壁厚实为2.82.83.0mm, 3.0mm, 其轴向抗压能力降低其轴向抗压能力降低18.7%18.7%13.3%13.3%。钢。钢管使用多年管使用多年, , 局部壁厚也变薄。局部壁厚也变薄。n n2. 2. 扣件合格率低扣件合格率低 建筑施工扣件式钢管脚手架建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范安全技术规范( JGJ 1302001) ( JGJ 1302001) 表表5.1.75.
8、1.7规定对接规定对接扣件抗滑承载力为扣件抗滑承载力为3.2kN, 3.2kN, 直角与回转扣件抗滑承直角与回转扣件抗滑承载力为载力为8kN, 8kN, 从现场检查发现从现场检查发现, , 很难达到此规定。很难达到此规定。某工地发生重大事故后某工地发生重大事故后, , 对扣件进行检查对扣件进行检查, ,其合格其合格率为率为0 0扣件力学性能试验：扣件力学性能试验：n n根据根据GB15831GB1583120062006，设计抗破坏实验和抗滑移试，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，并对验方案，在市场上购买了三种常见的扣件，并对其进行试验其进行试验产地产地价格价格材质
9、材质工艺工艺扣件扣件A A山西晋玛山西晋玛5.05.0KTH330-08KTH330-08铸造铸造扣件扣件B B河北孟村河北孟村4.84.8KTH330-08KTH330-08铸造铸造扣件扣件C C武汉张湾武汉张湾4.64.6KTH330-08KTH330-08铸造铸造抗滑性能试验：抗滑性能试验： 当施于横管上竖向等速增加的载荷当施于横管上竖向等速增加的载荷当施于横管上竖向等速增加的载荷当施于横管上竖向等速增加的载荷P P达到规定值时，测量达到规定值时，测量达到规定值时，测量达到规定值时，测量位移值位移值位移值位移值11和和和和22图1 抗滑性能试验Fig. 1 Anti2sliding te
10、st1. 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. 2 Anti2destructive test1. 横管2. 竖管3. 支承垫4. 扣件采用试验仪器：采用试验仪器：电子试验拉力机电子试验拉力机电子试验拉力机电子试验拉力机 （中国科学院试验仪器研究所生产）（中国科学院试验仪器研究所生产）（中国科学院试验仪器研究所生产）（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
11、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。 试验结论试验结论 ：抗破坏性试验抗破坏性试验抗滑移试验抗滑移试验扣件扣件A A合格合格不合格不合格扣件扣件B B不合格不合格 不合格不合格扣件扣件C C不合格不合格不
12、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。新型扣件新型扣件3D结构图结构图将将pro/E文件导入文件导入ANSYS课题的主要目的课题的主要目的 设计出符合设计出符合EN74EN74标准的新型扣件并对其进行结构标准的新型扣件并对其进
13、行结构优化。传统扣件采用铸造工艺其结构精度差，滑优化。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，参照此有待进一步的改进。根据某课题要求，参照EN74EN74标准，本论文研究设计一种通用性好、安装标准，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。简便、一体性好，并便于大量生产的扣件。 课题的主
14、要内容：课题的主要内容：n na a、设计符合、设计符合EN74EN74标准的新型扣件。标准的新型扣件。n nb b、利用、利用ANASYSANASYS软件对新型扣件的进行建模和受软件对新型扣件的进行建模和受力分析。力分析。n nc c、对扣件的设计进行优化。、对扣件的设计进行优化。n nd d、依据、依据EN74EN74标准，设计出实验方案，并对扣件标准，设计出实验方案，并对扣件进行实际测试。进行实际测试。n ne e、设计出能适宜大批量生产时的实验检验工具。、设计出能适宜大批量生产时的实验检验工具。n nf f、将软件模拟分析结果与实际测试结果进行对比、将软件模拟分析结果与实际测试结果进行
15、对比分析，对扣件的设计方案进一步优化。分析，对扣件的设计方案进一步优化。预期效果预期效果n na a、设计出扣件的三维模型。、设计出扣件的三维模型。n nb b、依据、依据EN74EN74标准，利用标准，利用ANSYSANSYS软件对设计出的软件对设计出的扣件模型进行模拟实验分析，并对扣件结构进行扣件模型进行模拟实验分析，并对扣件结构进行优化。优化。n nc c、根据设计图纸与制造工艺，制造出样件，并依、根据设计图纸与制造工艺，制造出样件，并依据据EN74EN74标准设计出实际的实验方案，完成实际测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，调试。对比软件模拟分
16、析结果与实际实验结果，调整软件模拟研究时的各项参数。整软件模拟研究时的各项参数。n nd d、完成扣件的优化与设计。、完成扣件的优化与设计。论文中新见解论文中新见解n na a、依据、依据EN74EN74标准，设计出一种结构可靠、操作标准，设计出一种结构可靠、操作简单新型扣件。简单新型扣件。n nb b、设计出能满足批量生产的扣件检验装置。、设计出能满足批量生产的扣件检验装置。n n c c、所设计的扣件一体性好，不会掉落零件。、所设计的扣件一体性好，不会掉落零件。n n d d、用榔头敲击锁紧，回避螺纹连接，提高工作、用榔头敲击锁紧，回避螺纹连接，提高工作效率。效率。课题的主要难点及解决办法：课题的主要难点及解决办法：n扣件静态破坏实验、滑移实验的模拟受力分析 解决方案：n模拟实验中各参数的合理调整 解决方案： 采用正交实验法n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n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结束谢谢各位老师！谢谢各位老师！
