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有限元分析验证 弯曲变形的脚手架钢管调直重复使用,安全隐患巨大

发布者:admin   发布时间: 2020-09-09 浏览次数:

 作为“基建狂魔”,当前我国每年脚手架工程总费用已达5000亿元以上,体量十分巨大,但同时,脚手架坍塌事故也频频发生,几乎每个月都有。调查显示,脚手架坍塌事故中材料质量问题是最常见原因之一,其中就包括使用劣质、不合格的钢管。

脚手架坍塌事故

 

  01. 脚手架钢管调直机  

脚手架行业里有一种奇葩机器叫“脚手架钢管调直除锈刷漆一体机”,它的作用是把弯曲变形的脚手架钢管调直,以重复使用,因为施工要求对脚手架钢管的直线度有明确规定,这种机器就出现了。

 

脚手架钢管调直机

 

现在这种调直机在脚手架租赁圈十分抢手,很多租赁站为了节省成本,用它来“修复”各种弯管,由于它也有刷漆功能,只要你愿意,调直后的钢管看起来可以像新的。

 

我国的脚手架钢管年产量近1000万吨,存量达几千万吨。有关专家在《我国建筑施工脚手架坍塌事故分析》中指出,劣质、超期使用和壁厚不合格的钢管占80%以上,扣件总量有10亿个~12亿个,其中90%左右为不合格产品。
搜狐网·建设施工安全·分享文章《应建立脚手架质量安全追溯体系》

 

尽管网上已经有不少人在质疑这种调直机,呼吁监管部门介入调查,但是目前来看,它仍然畅销,而且主要销往脚手架租赁站。

使用调直后的钢管搭设脚手架有很大的安全隐患,想必有力学或材料学常识的人都自然明白。下面就数值模拟得到的结论来支持一下这些有良知的质疑声音。

  02. 调直机原理  

脚手架钢管调直机又叫双曲线辊矫直机,最早由苏联人设计,辊轮是双曲线的回转体,在轴线夹角合适的情况下,理论上能与钢管完美贴合,通过几组成对出现的辊轮碾压,可以使弯管发生塑性变形,将其“捻”成直管。

 

双曲线辊原理

在一些对管道直线度要求比较高的行业,可以用双曲线辊矫直机来解决管道生产过程中的微小弯曲问题,比如一些油气管道的生产,就需要用到它或者其他更先进的调直机,因为直线度将直接影响管箍的加工、对接,以及管道工作状态下的变形。

实际调直过程中,双曲线辊和钢管接触起作用的区域是辊轮的中部和两端。有的机器每个辊可以绕自身轴向旋转,这种调直精度高,造价也比较高;有的机器所有辊同时绕一个公共轴转动,调直精度差,造价低廉,脚手架钢管调直机上用的就是这种。

 

两类双曲线辊矫直机

 

棉签的包络面为双曲线回转体

 

由于双曲线回转体结构的一些特殊性质,在很多现代建筑或工业冷却塔上也能看到它的影子。

双曲线回转体结构

 

  03. 钢管调直的数值模拟与虚拟试验  

脚手架钢管材料为Q235钢,材料描述定义为弹性+塑性+韧性损伤+损伤演化,在前4个分析中,使用Abaqus分析连续性技术将钢管的材料状态(应力、应变、损伤等)在Explicit和Standard之间传递,在开始时做一个具有较大塑性变形的弯管(有凹陷),最终用它来获得一个包含前工序影响的调直管。

 

在第5个分析中,利用这个调直管进行抗压测试(存在侧向力),并在工况完全一致的情况下与新管的承载能力进行对比。

 

前4个分析材料状态的传递

 

第3个分析-调直过程(18秒-2米)

 

计算结果表明,调直过程会导致钢管刚度折减区域扩大,可以通过SDEG来观察到这一现象,另外局部壁厚也会发生变化。

 

调直过程钢管SDEG变化

 

第5个分析使用显式准静态方法计算钢管的抗压性能,结果表明,调直后的钢管在虚拟抗压试验中表现很差,与新管相比,几乎丧失掉一半的抗压能力。

 

第5个分析-调直管与新管的抗压测试对比

 

理论上讲,对于已发生较小塑性应变的钢管(弯曲后整体平滑),使用这种机器调直可以在一定程度上增大其屈曲时的临界失稳载荷,这也是它存在的全部意义。然而,即便如此,也要谨慎使用,因为这种廉价机器也会带来的肉眼不易发觉的几何缺陷(例如仿真观察到钢管的厚度变化和外壁表面节点偏移),抵消掉它仅有的优点。

 

可以确定地说,对于大塑性应变的情况(弯管局部凹陷),调直后再次使用会非常危险。但是现在来看,租赁站的一部分工人在使用的时候,面对这个“神奇”的机器很亢奋,已经到了“见弯就调”的地步,甚至有裂纹的弯管也不放过,调直后租给建筑施工队的另一帮工人,安全隐患巨大!

来源:USim 作者 邓怡超

 

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