基于ANSYS有限元分析的卡钳式吊篮悬挂机构对女儿墙受力影响研究

1项目概况

安康万达广场是万达首个陕南商业综合体项目，建筑面积11.86万m ² ，地上4层，地下1层，框架结构。因建筑性质的特殊性，女儿墙设计高度大，高度为2.2?m、3.7?m，女儿墙距离屋面构筑物仅2.1?m，对外墙外装工程施工带来诸多不便，只能使用无配重卡钳式吊篮悬挂机构进行吊篮作业。

根据规GB?19155—2017《高处作业吊篮》要求，采用卡钳式吊篮悬挂机构，女儿墙结构应满足卡钳施加的水平力和垂直力。卡钳形式及女儿墙受力情况如图1所示。

图1?卡钳形式及女儿墙受力示意

按照下式校核女儿墙是否满足强度设计要求：

式中： R _v 为卡钳垂直支撑反作用力； R _h 为卡钳水平支撑反作用力； L _s 为抵抗倾翻力矩的支撑间的距离； C _wr 为卡钳稳定系数，可取值3； W _H 为极限工作荷载； L ₀ 为卡钳外侧长度； S _wr 为卡钳质量； L _b 为支点到卡钳重心的距离。卡钳式悬挂机构对女儿墙结构的影响，可转化为对钢筋混凝土结构的受力分析。因女儿墙配筋为构造配筋，可通过分析混凝土受力情况得出女儿墙强度是否满足吊篮施工的结论。

2钢筋混凝土有限元分析理论

利用有限元分析软件ANSYS对女儿墙结构进行受力分析，分析女儿墙结构混凝土受力情况，评估卡钳悬挂机构对女儿墙结构的影响程度。

2.1?混凝土结构应力–应变模型

混凝土本构关系采用多线性随动强化模型MISO，混凝土强度等级为C30，混凝土抗压强度设计值 f _c =14.3?MPa，抗拉强度设计值1.43?MPa，初始弹性模量 E ₀ =3.0×104?MPa，应力峰值应变 ε _c,r =1?640×10-6。钢筋采用双线性等向强化模型BISO，弹性模量2.0×105?MPa。混凝土受压应力–应变见表1，混凝土轴心抗压应力–应变曲线如图2所示，钢筋应力–应变曲线如图3所示。

表1?混凝土受压应力–应变

图2?混凝土轴心抗压应力–应变曲线

图3?钢筋应力–应变曲线

2.2?钢筋混凝土结构有限元分析方法

利用ANSYS对钢筋混凝土进行分析时，主要有分离式和整体式两种模型。分离式模型把钢筋和混凝土作为不同的单元进行处理，混凝土采用Solid?65实体单元，钢筋采用Link8杆单元。分离式模型优点可考虑钢筋与混凝土之间的粘结和滑移，结果更加符合实际，但建模过程复杂且计算不易收敛，适用于钢筋分布复杂的单个构件。整体式模型将钢筋连续均匀分布于单元中，综合了混凝土与钢筋对刚度的共同贡献，通过设置实常数进行钢筋的分布，适用于钢筋分布简单，结构形式简单的构件。拟采用整体式模型进行分析。

3主要工况

3.1?模型设计

现场吊篮为满布设置，吊篮型号为ZLP630，长度6?m，每台吊篮由两个卡钳悬吊。女儿墙模型按照长6.0?m，高3.0?m，墙身厚度0.2?m进行设计，配筋按照结构图纸设计要求进行实常数赋予。

3.2?荷载设计

吊篮最大施工载荷630?kg，悬吊平台（含提升机、安全锁、电气控制箱、钢丝绳）自重480?kg，悬挂机构如图4所示，女儿墙受力情况如图5所示。相邻吊篮的两个悬挂机构间距200?mm，在水平距离200?mm处具有相同的作用力。

图4?吊篮悬挂机构

图5?女儿墙受力情况

吊篮在正常使用情况下，吊篮自重和施工重量为780?kg，每个卡钳受到的竖向荷载按照3.9?kN计算；吊篮自重和最大施工荷载为11.0?kN，每个卡钳受到的竖向荷载按照5.5?kN计算。拟设计4种工况，见表2。

表2?工况设计

4女儿墙受力情况分析

利用ANSYS经典界面进行模型建立。取6?m长，3?m高的女儿墙作为分析对象，女儿墙两端和根部节点施加全自由度约束，在受力部位分别施加竖向和水平荷载，如图6所示。

图6?女儿墙自由度约束和受力情况（计算机截图 ）

为节约计算时间和利于计算收敛，默认关闭混凝土压碎功能。模型水平位移（墙面法向）位移云图如图7所示，第一主应力云图如图8所示。

图7?水平位移云图（计算机截图）

 图8 第一主应力云图（计算机截图）

女儿墙配筋为构造配筋，主要查看混凝土的受力情况。从应力云图可以得出，受荷载直接作用的部位出现了应力集中现象；提取相应部位的应力值，与混凝土抗压强度设计值和抗拉强度设计值比较，评估混凝土是否被拉裂和压碎。4种工况的墙身应力值如图9~图11所示。

图9?女儿墙内侧应力

 图10?女儿墙外侧应力

图11?女儿墙顶部应力

由女儿墙内侧的混凝土应力图可知：1.5?m以下部分应力很小，吊篮卡钳只对女儿墙的上半部分有明显的作用效果；0.5~2.5?m高度区间内混凝土应力值随墙身高度增大，2.5?m高度处应力值最大；2.5~3.0?m高度区间内混凝土应力值随墙身高度急剧减小，并由受拉状态转变成受压状态，这主要是由于内侧水平荷载作用在靠近墙顶部100?mm位置处，该水平力对混凝土产生直接的压迫所致。由以上应力数据可知墙身内侧混凝土主要承受拉应力；随着施工荷载的逐步增大，拉应力逐步增大；2.5?m高度处应力值达到峰值，工况4情况下的最大拉应力为0.67?MPa，小于混凝土抗拉强度设计值1.43?MPa，可知在最不利工况下，混凝土未被拉裂；2.5?m处与外侧水平荷载的施加部位在高度方向上位置重合，可知该部位混凝土拉应力主要受外侧水平荷载的影响。

由女儿墙外侧的混凝土应力图可知：0~2.0?m区间混凝土所受应力几乎为零；2.0~2.5?m区间内混凝土受压，此处出现应力集中现象，达到应力峰值，工况4情况下的最大压应力为0.57?MPa，小于混凝土抗压强度设计值，可知在最不利工况下，混凝土未被 压碎。

在2.5?m以上部位，随高度增加，由受压态变成受拉态，工况4情况下的最大拉应力为0.64?MPa，小于混凝土抗拉强度设计值，可知在最不利工况下，混凝土未被拉裂。出现最大拉应力的部位，与内侧水平荷载的施加部位在高度方向上位置重合，可知该部位混凝土拉应力主要受是内侧水平荷载的影响。

由女儿墙顶部混凝土应力图可知：随着施工荷载增大，顶部应力增大，最不利工况下混凝土最大压应力为0.28?MPa，小于混凝土抗压强度设计值，混凝土未被压碎。顶部出现应力集中现象，可知该部位混凝土压应力主要收到顶部竖向荷载的影响。

5施工安全技术措施

5.1?减小水平荷载作用效应措施

经过对女儿墙的受力分析，墙体内、外两侧的水平荷载约为施工荷载与自重荷载之和的两倍，集中荷载较大。当施工荷载达到最大限值时，混凝土最大拉应力达到抗拉强度设计值的47?%。由以上分析可知，女儿墙内侧、外侧的混凝土拉应力最大部位，位于水平荷载作用高度处，可采取对水平荷载进行卸荷的措施，以减小水平荷载对混凝土受拉的影响。工程上可在卡钳上张拉卸荷钢丝绳，卸荷钢丝绳一端固定在卡钳横梁上，另一端与已完成主体结构物绑扎牢固。卸荷钢丝绳应绑扎牢固，并以一定的预拉力，由卸荷钢丝绳承担一部分水平荷载。

除了增加卸荷钢丝绳来减小水平作用力的方式外，还可以采取降低压应力的措施。工程上可在水平受力部位增加刚性垫板，目的是增大混凝土受压面积，减小应力集中效应，从而减小水平荷载对女儿墙混凝土受拉效应的影响。

5.2?管理措施

卡钳式吊篮属于无配重吊篮，根据住建部建办质〔2018〕31号文《住房城乡建设部办公厅关于实施〈危险性较大的分部分项工程安全管理规定〉有关问题的通知》要求，项目技术负责人应组织编制专项施工方案，完成审批程序后组织不少于5人的专家组对施工方案进行论证，论证后按照专家意见修改重新报审批后方可按照施工方案组织实施。吊篮安装工程应由具备安装资质的企业实施，安装队伍进场前应审查企业资质、特种作业人员资质等资料。

吊篮安装使用前，项目技术负责人应组织向施工管理人员的方案交底；施工管理人员应在现场对吊篮安装和使用人员进行安全技术交底，交底内容除吊篮安装使用技术要求外，还应将施工过程中可能发生的突发事故和处置措施向工人说明。所有交底采用书面交底形式，被交底人在交底书上签字确认。

6?结论

安装卡钳式吊篮悬挂机构，需对女儿墙强度进行复核。由于女儿墙配筋为构造配筋，可通过分析混凝土受力情况评估女儿墙强度是否能满足吊篮施工需要。

（1）随着施工荷载增大，女儿墙内侧、外侧、顶部最大应力值均增大。在荷载作用部位，均出现应力集中现象。（2）女儿墙外侧最大压应力小于混凝土抗压强度设计值，应力集中是外侧水平荷载的作用效果；最大拉应力小于混凝土抗拉强度设计值，应力集中是内侧水平荷载作用效果。应力集中部位与两侧水平荷载高度位置相同。（3）女儿墙内侧最大拉应力小于混凝土抗拉强度设计值，应力集中主要是外侧水平荷载的作用效果；最大压应力小于混凝土抗压强度设计值，应力集中是内侧水平荷载作用效果。应力集中部位与两侧水平荷载高度位置相同。（4）女儿墙顶部最大压应力小于混凝土抗压强度设计值，应力集中是顶部竖向荷载作用效果；应力集中部位与顶部竖向荷载作用位置相同。（5）最不利工况下，女儿墙强度满足施工荷载要求，结构安全。（6）可通过采取设置卸荷钢丝绳、在水平荷载施加部位增加刚性垫板等措施，减小混凝土应力值，提升施工安全度。