附着式升降脚手架的脉动风风致响应分析.pdf

第5期（总第2 40 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O MA T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 413（2 0 2 3)0 5-0 113-0 3附着式升降脚手架的脉动风风致响应分析王立颖，王彦凤（华北理工大学机械工程学院，河北唐山0 6 3 2 10)摘要：附着式升降脚手架在高空作业时主要承受风载荷，实际中风载荷是十分复杂的动函数。为了提升附着式升降脚手架在高空工作时的安全性设计水平，以河北唐山某地升至6 0 m高空作业时的附着式升降脚手架为研究对象，根据Davenport风谱在MATLAB中模拟了6 0 m高空的脉动风载荷，将模拟的风载荷值导入ANSYS对脚手架进行了脉动风致响应分析，得到在2 0 0 s脉动风激励时程内脚手架的顺风向最大位移为11.651mm，该方法及分析结果对于工程中抗风设计具有很大的参考价值。关键词：附着式升降脚手架；脉动风；风致响应分析中图分类号：TP391.7文献标识码：A0引言附着式升降脚手架是搭建在高层建筑施工结构的外围，在施工过程中用来进行垂直运输的大型建筑机械。脚手架一般工作在室外，受环境影响大，风载荷一直是脚手架结构安全设计中需要考虑的重要因素。阙子义1研究了在高空风载荷下附着式升降脚手架的刚度、强度及稳定性，指出高空作业时风载荷是导致结构发生变形、造成人员伤亡的主要原因。西安建筑科技大学刘垚 把附着式升降脚手架的使用过程分为提升工况和使用工况，并对这两个工况下的附着式脚手架进行静力学特性分析和仿真模拟，得出了脚手架在静风载荷下的应力、应变以及位移情况。张毅等3 对处于使用工况和工作工况的附着式升降架进行系统的研究，得到了附着式升降脚手架在两种工况下的自振频率，并指出水平风载荷是影响脚手架安全的主要因素。潘为民等4认为在研究脚手架的载荷时风载荷是主要的设计载荷之一，对脚手架进行了风速时程模拟，更直观准确地指出了风载荷下脚手架的动力特性。工程上对风载荷的研究常常是将风载等效为一个静风载荷，将风载荷视为一个不变的力加载到结构上，对该结构进行静风响应分析。但实际工程中风载荷是十分复杂的动函数，直接将风载荷等效为一个不变的力加载到模型上去求解与实际情况不符，为此本文以齿轮齿条附着式升降脚手架作为研究对象，对升到最顶端6 0 m高空作业时的附着式升降脚手架进行脉动风风致响应分析，此研究方法可为大型柔性化结构的抗风设计提供理论基础。1模型的建立本文采用SolidWorks绘图软件绘制一个单元脚手架，其结构如图1所示。脚手架工作原理如下：驱动收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 0；修订日期：2 0 2 3-0 8-2 8作者简介：王立颖（1994-），女，河北唐山人，在读硕士研究生，主要研究方向：机构学与机械动力学。车轨道5靠附墙支座3 固定在墙体2 上，驱动提升车4靠电机带动齿轮与驱动车轨道上的齿条啮合进行爬行，从而拖动脚手架1垂直向上移动，驱动提升车上还附有拉杆6 对脚手架进行稳定，工人登在脚手架最上两层递进式逐步进行施工，随着墙体的增高，脚手架的高度也不断增高5。5-41一脚手架；2 一墙体；3 一附墙支座；4一驱动提升车；5一驱动车轨道；6 一拉杆图1单元脚手架结构示意图2脉动风载荷模拟2.1线性滤波法线性滤波法（AR法)也被称为白噪声滤波法6 ，其原理是将随机过程的脉动风抽象化，并将其表示成特定条件的白噪声，再经过一系列的变换拟合将随机过程转变成时域模型。对于空间M个点相关脉动风速时程V(X,Y,Z,t)采用AR法进行模拟，模拟多维风速过程的随机列向量可以用下式表示：V(t)=ZdV(X,Y,Z,t-kAt)+N(t).(1)其中：V(t)为风速时程向量；P为AR模型的阶数，这里p=4；为AR模型自回归矩阵，这里为MXM阶23114方阵;V(X,Y,Z,t一kt)为空间脉动风速点的向量坐标矩阵，k为模型的回归系数,k=1,2，p,t 为脉动风模拟时选择的时间步长；N(t)为随机过程向量，服从标准正态分布。2.2Davenport 风谱脉动风速谱主要是对脉动风中处于不同频率的成分所具有的能量大小进行分布。Davenport风速谱能合理估算风致响应分析的结果，故得到了广泛的应用7。Davenport谱的数学经验表达式为：(2)n(I+)4/3.其中：S(n)为Davenport谱函数；ki为地面粗糙度系数；U10为结构在10 m高度处的平均风速，m/s；n 为脉动风速的频率,Hz;=1 200=n0102。2.3脉动风载荷时程模拟结果对升至6 0 m高空的附着式升降脚手架采用线性7060F50403010020406080100120140160180200图2 脉动风风速时程曲线有了风压时程曲线，再根据风压和风载荷的关系，即可求出附着式升降脚手架上的风荷载时程曲线。风压和风载荷的关系为：F;(t)=sw(t)A;:其中:F;(t)为某一时刻风载荷,N;s为结构的体型系数，根据建筑结构荷载规范查表取s=1.35;A；为节点i处的从属面积。所以根据风压时程曲线得出的脉动风风载荷时程曲线如图5所示。12001000F800H6004002000204060880100120140160180200时间/s图5脉动风风载荷时程曲线3基于ANSYS的脚手架风致响应分析由图2 图5可知，脉动风是一种不断随着时间变化的风，周期短，当其作用在结构上时性质是脉动的。为了避免附着式升降脚手架在风荷载作用下发生危险，需要对脚手架结构做脉动风下的风致响应分析。本文对升到6 0 m高空的单元脚手架进行风载荷分机械工程与自动化滤波法和Davenport风速谱编制程序，经过MATLAB模拟得到的脉动风风速时程曲线如图2 所示。对模拟得出的脉动风风速时程结果进行模拟风速功率谱与目标风速功率谱拟合对比，验证结果如图3所示。由图3 可知，模拟的风速功率谱与目标风速功率谱在统计特性上保持一致，说明编制的MATLAB程序正确，证明了基于AR模型采用Davenport风速谱的附着式升降脚手架的风速时程模拟的正确性。2求出风速时程后，再根据风压与风速的关系求出结构上的风压时程曲线8 ：)=20(t)w(t)其中：w(t)为结构某点处的风压,Pa;p为空气密度，kg/m,在一个标准大气压下，空气密度大约为1.25 kg/m。脉动风风压时程曲线如图4所示。2.500(r-s 叫)/氯率联区模拟风速功率谱10目标风速功率谱10010时间/s图3 模拟风速功率谱和目标风速功率谱对比(4)2023年第5期(3)2000区10 0 050010-1100频率/Hz析，单元架体横向跨度为6.7 m，纵向高度为12 m，分为7列，共8 层，每小层高1.5m、宽0.9 m。将MATLAB中完成的脉动风载荷模拟结果导入ANANSYSWorkbench有限元模型（如图6 所示）中，脉动风垂直于单元脚手架，作用在架体外侧结构上。图6 升降脚手架三维有限元模型通过瞬态动力学分析可得脚手架顺风向即架体正面迎风的方向位移响应时程曲线，如图7 所示。由图7可知：脚手架顺风向最大位移为11.6 51mm，出现在66 s时。4结论以6 0 m高空位置的附着式升降脚手架为研究对象，基于线性滤波法在MATLAB中模拟了6 0 m高空的脉动风载荷谱，并将模拟的脉动风载荷导入ANSYSWorkbench脚手架瞬态动力学分析模型中，最终得出1010200406080100120140160180200时间/s图4脉动风风压时程曲线2023年第5期脚手架顺风向最大位移为11.6 51mm，本文的研究为脚手架的抗风设计工作提供了理论基础。1210/8420图7附着式脚手架顺风向位移响应结果Analysis of Pulsating Wind-Induced Response of Attached Lifting Scaffold(College of Mechanical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063210,China)Abstract:Attached lifting scaffolding mainly bears wind load when working at high altitude,and the actual wind load is a verycomplex dynamic function.In order to improve the safety design level of attached lifting scaffolding when working at high altitude,the attached lifting scaffolding working at an altitude of 6Om in Tangshan,Hebei Province is taken as the research object.Thefluctuating wind load at 60m altitude is simulated in MATLAB according to Davenport wind spectrum.The simulated wind loadvalue is introduced into ANSYS to analyze the fluctuating wind-induced response of scaffolding.The maximum radial displacement ofscaffolding during 200s pulsating wind excitation is 11.651mm.The method and the analysis results are of great reference value forwind resistance design in engineering.Keywords:attached lifting scaffold;pulsating wind;wind-induced response analysis(上接第112 页)机械工程与自动化参考文献：1阙子义.附着式升降脚手架在超高层建筑施工中的应用J .城市住宅，2 0 19,2 6（12)：195-198.2刘圭.附着式升降脚手架力学特性分析及其设计D.西安：西安建筑科技大学，2 0 2 1：2 5-3 4.3张毅，袁勇.超高层建筑附着式升降脚手架的计算分析J.建筑施工，2 0 0 0（6：3 6-3 7.4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，2 0 18（9）：3 3-3 5.5邓勇.基于数值模拟的起重机主梁风致效应特性研究D.成都：西南交通大学，2 0 19:52-6 3.6赵飞.超高层建筑附着升降脚手架施工技术性能研究D.上海：同济大学，2 0 0 8：6 5-6 6.7时光涛.高层建筑结构风致振动数值模拟D.合肥：合肥2040时间/s(2D&-3D)(vonMises.Max)1156080100WANG Li-ying,WANG Yan-fengContourPlotElement Stresses(2D&3D)(vonMisesy-Ma)Giobal SystemAdvancedAverage336E+02工业大学，2 0 12：16-18.8陈伟，秦仙蓉，杨志刚.塔式起重机整机风场模拟下的风载荷特性分析J.机械设计，2 0 193 6（2）：19-2 6.进，为强度失效的解决方法提供了一种思路。8921ENoResultMax-5.749E:02Gids20024151Mi1-A.921E-13C1ds67366No546E+00ReSMax=4.336E-02Grids1291742Min=3.546E-00Grids1648046（a）悬架位置（弯曲工况）图6 骨架结构优化后薄弱区域应力云图参考文献：1韩勇，庄首吉，黄红武，等.中型客车车身结构强度优化及轻量化设计J.厦门理工学院学报，2 0 14,2 2（3）：1-6.2林有准.基于灵敏度分析的客车骨架结构优化设计J.机械工程与自动化，2 0 2 3（3）：6 8-7 1.3朱红军，刘芳忠，吴兵.基于尺寸优化的纯电动客车骨架轻量化设计J.客车技术与研究，2 0 2 0，42（4）：2 0-2 2.4刘合峰，肖以顺，冯正明.客车车身骨架构造与优化分析J.汽车实用技术，2 0 2 0（5）：7 3-7 5.5吴胜军，程梓豪，韦宁，等.混合动力客车车身骨架结构静Analysis and Improvement of Skeleton Structure of Double Decker BusAbstract:Taking a double deck bus as the research object,the finite element modeling of the body frame is first carried out,and thenthe structural analysis under typical working conditions is carried out.The structural improvement and verification of the weakposition are carried out,and finally the mass production standard is reached,providing reliability support for mass production.Keywords:double decker bus;skeleton;strength analysis;structural improvement（b）腰梁位置（左扭转工况）态性能分析J.湖北汽车工业学院学报，2 0 18，3 2（1）：15-18.6郑羿方，肖广朋，李海辉.基于hyperworks的某客车车身结构有限元分析J.汽车实用技术，2 0 14（2）：3 8-41.7张枫.纯电动客车桁架车架模态分析J.汽车实用技术，2017(21):117-118.8方学良，陈靖芯，景科，等.客车车身骨架静态特性分析及优化J.扬州大学学报（自然科学版），2 0 192 2（3）：6 5-68,78.QIN Yuan-bin(Wisdom(Fujian)Motor Co.,Ltd.,Zhangzhou 363000,China)