有限元分析驗(yàn)證彎曲變形的腳手架鋼管調(diào)直重復(fù)使用安全隱患

作為“基建狂魔”，當(dāng)前我國每年腳手架工程總費(fèi)用已達(dá)5000億元以上，體量十分巨大，但同時(shí)，腳手架坍塌事故也頻頻發(fā)生，幾乎每個(gè)月都有。調(diào)查顯示，腳手架坍塌事故中材料質(zhì)量問題是最常見原因之一，其中就包括使用劣質(zhì)、不合格的鋼管。

腳手架坍塌事故

  01. 腳手架鋼管調(diào)直機(jī)  

腳手架行業(yè)里有一種奇葩機(jī)器叫“腳手架鋼管調(diào)直除銹刷漆一體機(jī)”，它的作用是把彎曲變形的腳手架鋼管調(diào)直，以重復(fù)使用，因?yàn)槭┕ひ髮?duì)腳手架鋼管的直線度有明確規(guī)定，這種機(jī)器就出現(xiàn)了。

腳手架鋼管調(diào)直機(jī)

現(xiàn)在這種調(diào)直機(jī)在腳手架租賃圈十分搶手，很多租賃站為了節(jié)省成本，用它來“修復(fù)”各種彎管，由于它也有刷漆功能，只要你愿意，調(diào)直后的鋼管看起來可以像新的。

我國的腳手架鋼管年產(chǎn)量近1000萬噸，存量達(dá)幾千萬噸。有關(guān)專家在《我國建筑施工腳手架坍塌事故分析》中指出，劣質(zhì)、超期使用和壁厚不合格的鋼管占80%以上，扣件總量有10億個(gè)～12億個(gè)，其中90%左右為不合格產(chǎn)品。

搜狐網(wǎng)·建設(shè)施工安全·分享文章《應(yīng)建立腳手架質(zhì)量安全追溯體系》

盡管網(wǎng)上已經(jīng)有不少人在質(zhì)疑這種調(diào)直機(jī)，呼吁監(jiān)管部門介入調(diào)查，但是目前來看，它仍然暢銷，而且主要銷往腳手架租賃站。

使用調(diào)直后的鋼管搭設(shè)腳手架有很大的安全隱患，想必有力學(xué)或材料學(xué)常識(shí)的人都自然明白。下面就數(shù)值模擬得到的結(jié)論來支持一下這些有良知的質(zhì)疑聲音。

  02. 調(diào)直機(jī)原理  

腳手架鋼管調(diào)直機(jī)又叫雙曲線輥矯直機(jī)，最早由蘇聯(lián)人設(shè)計(jì)，輥輪是雙曲線的回轉(zhuǎn)體，在軸線夾角合適的情況下，理論上能與鋼管完美貼合，通過幾組成對(duì)出現(xiàn)的輥輪碾壓，可以使彎管發(fā)生塑性變形，將其“捻”成直管。

雙曲線輥原理

在一些對(duì)管道直線度要求比較高的行業(yè)，可以用雙曲線輥矯直機(jī)來解決管道生產(chǎn)過程中的微小彎曲問題，比如一些油氣管道的生產(chǎn)，就需要用到它或者其他更先進(jìn)的調(diào)直機(jī)，因?yàn)橹本€度將直接影響管箍的加工、對(duì)接，以及管道工作狀態(tài)下的變形。

實(shí)際調(diào)直過程中，雙曲線輥和鋼管接觸起作用的區(qū)域是輥輪的中部和兩端。有的機(jī)器每個(gè)輥可以繞自身軸向旋轉(zhuǎn)，這種調(diào)直精度高，造價(jià)也比較高；有的機(jī)器所有輥同時(shí)繞一個(gè)公共軸轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)直精度差，造價(jià)低廉，腳手架鋼管調(diào)直機(jī)上用的就是這種。

兩類雙曲線輥矯直機(jī)

棉簽的包絡(luò)面為雙曲線回轉(zhuǎn)體

由于雙曲線回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的一些特殊性質(zhì)，在很多現(xiàn)代建筑或工業(yè)冷卻塔上也能看到它的影子。

雙曲線回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)

  03. 鋼管調(diào)直的數(shù)值模擬與虛擬試驗(yàn)  

腳手架鋼管材料為Q235鋼，材料描述定義為彈性+塑性+韌性損傷+損傷演化，在前4個(gè)分析中，使用Abaqus分析連續(xù)性技術(shù)將鋼管的材料狀態(tài)（應(yīng)力、應(yīng)變、損傷等）在Explicit和Standard之間傳遞，在開始時(shí)做一個(gè)具有較大塑性變形的彎管（有凹陷），最終用它來獲得一個(gè)包含前工序影響的調(diào)直管。

在第5個(gè)分析中，利用這個(gè)調(diào)直管進(jìn)行抗壓測試（存在側(cè)向力），并在工況完全一致的情況下與新管的承載能力進(jìn)行對(duì)比。

前4個(gè)分析材料狀態(tài)的傳遞

第3個(gè)分析-調(diào)直過程（18秒-2米）

計(jì)算結(jié)果表明，調(diào)直過程會(huì)導(dǎo)致鋼管剛度折減區(qū)域擴(kuò)大，可以通過SDEG來觀察到這一現(xiàn)象，另外局部壁厚也會(huì)發(fā)生變化。

調(diào)直過程鋼管SDEG變化

第5個(gè)分析使用顯式準(zhǔn)靜態(tài)方法計(jì)算鋼管的抗壓性能，結(jié)果表明，調(diào)直后的鋼管在虛擬抗壓試驗(yàn)中表現(xiàn)很差，與新管相比，幾乎喪失掉一半的抗壓能力。

第5個(gè)分析-調(diào)直管與新管的抗壓測試對(duì)比

理論上講，對(duì)于已發(fā)生較小塑性應(yīng)變的鋼管（彎曲后整體平滑），使用這種機(jī)器調(diào)直可以在一定程度上增大其屈曲時(shí)的臨界失穩(wěn)載荷，這也是它存在的全部意義。然而，即便如此，也要謹(jǐn)慎使用，因?yàn)檫@種廉價(jià)機(jī)器也會(huì)帶來的肉眼不易發(fā)覺的幾何缺陷（例如仿真觀察到鋼管的厚度變化和外壁表面節(jié)點(diǎn)偏移），抵消掉它僅有的優(yōu)點(diǎn)。

可以確定地說，對(duì)于大塑性應(yīng)變的情況（彎管局部凹陷），調(diào)直后再次使用會(huì)非常危險(xiǎn)。但是現(xiàn)在來看，租賃站的一部分工人在使用的時(shí)候，面對(duì)這個(gè)“神奇”的機(jī)器很亢奮，已經(jīng)到了“見彎就調(diào)”的地步，甚至有裂紋的彎管也不放過，調(diào)直后租給建筑施工隊(duì)的另一幫工人，安全隱患巨大！

來源：USim 作者 鄧怡超