周轉(zhuǎn)后直角扣件鋼管節(jié)點(diǎn)抗滑性能的試驗(yàn)研究

莊金平，蔡雪峰，吳建亮

(福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院，福建福州 350108)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對建筑的功能要求也越來越高，建筑結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，如大型體育館、跨海大橋和超高建筑中的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)等.模板支撐體系的設(shè)計與施工是保證建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量及施工安全的關(guān)鍵技術(shù).然而，模板支撐體系倒塌事故仍時有發(fā)生，其原因也較復(fù)雜，主要有:模板支撐體系設(shè)計不合理、施工誤差大、控制不嚴(yán)格和材料缺陷等原因［1－3］.對于扣件式鋼管支撐體系，扣件連接程度對支撐體系的承載能力起著決定性的作用.目前，一些研究者對扣件連接性能的研究，主要還是進(jìn)行一次性的破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)主要是扣件的擰緊扭矩.袁雪霞［4］的調(diào)查表明:扣件螺栓擰緊扭矩的離散性很大，大多數(shù)螺栓的擰緊扭矩小于10 N·m，同時進(jìn)行了擰緊扭矩為20、30、40、50和60 N·m下的抗滑試驗(yàn)，以研究擰緊扭矩對抗滑承載力的影響.肖熾［5］進(jìn)行了一組舊扣件的抗滑試驗(yàn)，扣件的擰緊扭矩為20、30和40 N·m，試驗(yàn)結(jié)果表明對于舊扣件低擰緊扭矩是不安全的，建議在施工中的擰緊扭矩要達(dá)到40 N·m以上.宋建學(xué)［6］進(jìn)行了5組直角扣件的抗滑試驗(yàn)，扣件擰緊扭矩分別為20、30、40、50和60 N·m.試驗(yàn)結(jié)果表明:在擰緊扭矩小于50 N·m時，隨著擰緊扭矩增大，扣件抗滑極限承載力也相應(yīng)增大，最終發(fā)生節(jié)點(diǎn)滑移破壞;當(dāng)擰緊扭矩達(dá)到50 N·m時，一部分扣件螺栓會發(fā)生滑絲，此時抗滑承載力出現(xiàn)峰值;擰緊扭矩達(dá)到60 N·m時，大部分扣件會出現(xiàn)脆性斷裂，抗滑承載力下降.

扣件和鋼管都屬于周轉(zhuǎn)性材料，在周轉(zhuǎn)過程中可能受到損傷而影響其連接性能的可靠性.目前，在相關(guān)規(guī)范中并沒有明確規(guī)定施工中扣件可以周轉(zhuǎn)使用的次數(shù).為了解扣件周轉(zhuǎn)后的損傷程度，本研究針對直角扣件周轉(zhuǎn)后抗滑性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討直角扣件鋼管節(jié)點(diǎn)豎向承載力(P)–橫桿位移(Δ)的關(guān)系，為后續(xù)進(jìn)行扣件式鋼管支撐體系的整體有限元模擬分析提供依據(jù).

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在福建工程學(xué)院施工實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)裝置按照《鋼管腳手架扣件試驗(yàn)》(GB15831－2006)［7］的要求，采用鋼管扣件試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，如圖1所示.扣件型號GKZ48A，單件重為1.02 kg，螺栓規(guī)格為M12的T形螺栓，橫桿、立桿采用φ48 mm×3.2 mm，鋼材的材性列于表1，橫桿長度為300 mm，立桿長度為400 mm.

表1 鋼管材性Tab.1 Properties of steel pipe

圖1 試驗(yàn)裝置圖(單位:mm)Fig.1 Test device(unit:mm)

共進(jìn)行了9組18個直角鋼管扣件抗滑性能的周轉(zhuǎn)試驗(yàn).試驗(yàn)參數(shù)主要有扣件擰緊扭矩Tr、周轉(zhuǎn)次數(shù)N和周轉(zhuǎn)加載幅度ΔP，每組包括2個試件.

考慮到目前施工中，扣件的擰緊扭矩往往不受到重視，遠(yuǎn)低于規(guī)范的要求［1，4］，扣件擰緊扭矩參數(shù)包括20、30和40 N·m，以期了解各種擰緊扭矩下，扣件周轉(zhuǎn)后抗滑承載力的變化情況.《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》［8］規(guī)定單個扣件的抗滑承載力為8 kN;袁雪霞［4］通過試驗(yàn)得到:扣件擰緊扭矩為40 N·m時，抗滑承載力呈正態(tài)分布，其中抗滑承載力主要分布在11～17 kN的范圍.因此，加載幅度考慮了設(shè)計承載力8 kN的情況，同時也考慮了超出和未達(dá)到設(shè)計承載力的情況，即4和12 kN的情況.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時，在橫桿的兩側(cè)分別同步施加豎向集中荷載.先預(yù)加載1 kN，持荷2 min，檢驗(yàn)加載裝置是否正常，然后重新平衡采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)歸零，再繼續(xù)加載.根據(jù)《鋼管扣件腳手架規(guī)范》(GB15831－2006)的規(guī)定，加載速度控制為300～400 N·s－1左右，停止加載的標(biāo)準(zhǔn)為橫桿位移Δ≥20 mm或試件發(fā)生破壞的兩者之一.每個試件分別按所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行周轉(zhuǎn)試驗(yàn)，最后再一次性加載到破壞.例如20－8－25，扣件擰緊扭矩Tr為20 N·m，第一次先加載到8 kN，然后把扣件、立桿、橫桿都拆卸開來，重新安裝擰緊后進(jìn)行第二次加載到8 kN，這樣反復(fù)25次后，再將扣件、橫桿、立桿重新安裝好后一次性加載到破壞為止.豎向力(P)－橫桿位移(Δ)的關(guān)系曲線均指經(jīng)多次周轉(zhuǎn)加載后，最后一次性加載至破壞所測得.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

圖2給出扣件擰緊扭矩為40 N·m時，未加載前立桿表面突出的油漆顆粒對立桿與扣件接觸的影響.從圖2中可以看出，由于油漆顆粒的影響，在扣件擰緊扭矩為40 N·m的情況下，立桿與扣件的結(jié)合并不緊密.圖3給出經(jīng)多次加載后立桿表面的磨損情況.從圖3中可以看出，立桿表面的油漆有被刮擦的痕跡，油漆脫落.

圖2 典型試件試驗(yàn)前鋼管表面及扣件情況Fig.2 Characteristics surface and contact between steel pipe and coupler

圖3 典型試件循環(huán)后立桿表面的情況Fig.3 Characteristics steel pipe surface after turnover test

試驗(yàn)典型的破壞形式有4種:扣件變形、螺桿滑絲、扣件脆裂和螺栓孔脹裂等.由于橫桿一側(cè)螺栓的側(cè)向拉力作用，使得扣件發(fā)生向外偏離立桿的變形(圖4(a));經(jīng)多次周轉(zhuǎn)后或因擰緊扭矩較大，扣件螺桿出現(xiàn)滑絲破壞(圖4(b));扣件與立桿的相互作用，扣件處于徑向受壓，環(huán)向受拉，豎向受剪的狀態(tài)，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力較大時，導(dǎo)致扣件發(fā)生劈裂破壞(圖4(c));由于扣件加載過程中螺桿張拉力過大導(dǎo)致螺桿被拉出，扣件上的螺栓孔脹裂(圖4(d)).

圖4 典型的破壞模態(tài)Fig.4 Characteristics fracture of couplers

2.2 豎向承載力－橫桿位移關(guān)系

圖5為各試件豎向承載力－橫桿位移關(guān)系曲線，橫坐標(biāo)為橫桿的位移(Δ)，縱坐標(biāo)為豎向承載力(P).從圖5中可以看出，各種參數(shù)下2個試件的試驗(yàn)曲線較為接近，試驗(yàn)離散性較小，表明試驗(yàn)結(jié)果是可信的.圖5中，粗線表示各組2個試件按最小二乘法擬合的曲線.

從圖5中還可以看出，隨著橫桿位移的增加，曲線的斜率逐漸變小，即抗滑剛度逐漸變小，大致在橫桿位移達(dá)到5 mm左右時，曲線的斜率有較明顯的降低.

圖5 豎向力(P)－橫桿位移(Δ)關(guān)系Fig.5 Load － slide responses of specimens

2.3 參數(shù)分析

在進(jìn)行參數(shù)分析時，為方便各參數(shù)之間比較分析，利用擬合后的試驗(yàn)曲線進(jìn)行對比.同時，表2列出了初始抗滑剛度EP和橫桿位移等于10 mm時所對應(yīng)的豎向承載力P10.

表2 初始抗滑剛度EP和抗滑承載力P10匯總表Tab.2 Summary of initial stiffness and bearing capacity of specimens

續(xù)表2

2.3.1 擰緊扭矩Tr的影響

圖6給出了擰緊扭矩Tr對豎向承載力－橫桿滑移關(guān)系的影響.結(jié)合圖6和表2可以看出:扣件擰緊扭矩對抗滑剛度和承載力的影響，大體上呈先增大后減小的趨勢.當(dāng)擰緊扭矩Tr=30 N·m時，豎向承載力P10和初始抗滑剛度EP最大;當(dāng)Tr=40 N·m時，豎向承載力P10和初始抗滑剛度EP最小，而且后期剛度降低得更快，在橫桿位移為8 mm時，豎向承載力即達(dá)到了峰值僅17 kN.Tr=30 N·m時，初始抗滑剛度比Tr為20和40 N·m時增大了41.3%;而峰值承載力分別比Tr為20和40 N·m時增大了21.7%和64.7%.這主要是因?yàn)椋奂Q緊扭矩過小，扣件與立桿之間的徑向擠壓力小，相互之間的摩擦力較小，故承載力和抗滑剛度也較小;但扣件擰扭緊扭矩越大，在周轉(zhuǎn)過程中，扣件和立桿之間的磨損較大，相互之間的摩擦系數(shù)減小，周轉(zhuǎn)后的剛度和承載力反而也減小.

圖6 擰緊扭矩Tr的影響Fig.6 Influence of tightening torque

2.3.2 周轉(zhuǎn)次數(shù)N的影響

圖7給出了周轉(zhuǎn)次數(shù)N對豎向承載力－橫桿滑移關(guān)系的影響.結(jié)合圖7和表2可以看出:隨著周轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，抗滑剛度和豎向承載力呈先增大，后減小的趨勢.當(dāng)周轉(zhuǎn)次數(shù)N=25時，抗滑剛度和承載力均達(dá)到最大值.N=25時，抗滑剛度分別比N為10和50時大31.4%和64.3%;豎向承載力比N為10和50時大27.8%.這主要是因?yàn)橹苻D(zhuǎn)次數(shù)較少的情況下，由于扣件和鋼管涂有油漆，鋼管和扣件表面可能存在一些突出的油漆顆粒，在相同擰緊扭矩的情況下，扣件與鋼管之間存在空隙，徑向擠壓力變小，從而導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)抗滑剛度和豎向承載力的降低;當(dāng)扣件周轉(zhuǎn)達(dá)到一定次數(shù)后，突出的油漆顆粒被磨平，在相同擰緊扭矩的情況下，扣件與鋼管結(jié)合緊密，徑向擠壓力增大，抗滑剛度和豎向承載力增大;但周轉(zhuǎn)次數(shù)進(jìn)一步增加時，扣件和鋼管的損傷增大，相互之間的摩擦系數(shù)變小，抗滑剛度和豎向承載力反而降低.

2.3.3 周轉(zhuǎn)加載幅度ΔP的影響

從圖8給出了周轉(zhuǎn)加載幅度ΔP對豎向承載力－橫桿滑移關(guān)系的影響.結(jié)合圖8和表2可以看出:隨著周轉(zhuǎn)加載幅度的增加，抗滑剛度EP呈先增大后減小的趨勢，而豎向承載力呈逐漸減小的趨勢.周轉(zhuǎn)加載幅度ΔP為8 kN時，抗滑剛度EP分別比ΔP為4和12 kN時大21.1%和9.5%;周轉(zhuǎn)加載幅度ΔP為4 kN時，豎向承載力分別比ΔP為8和12 kN大8.7%和31.6%.這主要是因?yàn)橹苻D(zhuǎn)加載幅度越大，扣件和立桿的損傷越大，導(dǎo)致承載力下降更快;而初始剛度受扣件和立桿磨合程度的影響較大，加載幅度較小時，扣件與立桿磨合尚未完全，導(dǎo)致徑向壓力小，初始剛度小.

圖7 周轉(zhuǎn)次數(shù)N的影響Fig.7 Influence of turnover times

圖8 加載幅度的影響Fig.8 Influence of turnover loading amplitude

綜合以上3個影響因素的分析，并且考慮安全技術(shù)規(guī)范［8］對扣件擰緊扭矩的要求為40～65 N·m，對單扣件的抗滑承載力的限制為8 kN.因此，建議在施工中扣件的周轉(zhuǎn)次數(shù)以不超過25次為宜.

3 直角扣件鋼管節(jié)點(diǎn)豎向承載力－橫桿位移關(guān)系回歸

利用Matlab軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸，得到的直角扣件鋼管節(jié)點(diǎn)豎向承載力－橫桿位移的關(guān)系，如式(1)所示:

其中:

式中:P為豎向承載力(kN);Δ為橫桿位移(mm);ΔP為加載幅度(kN)，ΔP＜12 kN;Tr為扣件擰緊扭矩(N·m);N為周轉(zhuǎn)次數(shù).

從圖5可知，用回歸方程(1)所計算的曲線與試驗(yàn)曲線的對比情況，總體上吻合較好.

4 結(jié)語

1)試驗(yàn)中扣件的破壞形態(tài)有扣件脆裂、螺栓孔脹裂、螺桿滑絲等.因此，施工中要確?？奂谋诤瘢瑫r要經(jīng)常更換螺桿，以避免螺桿滑絲導(dǎo)致抗滑剛度和豎向承載的降低.

2)試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著扣件擰緊扭矩的增大，扣件節(jié)點(diǎn)的抗滑剛度和承載力大體上呈先增大后減小的趨勢;隨著周轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，扣件節(jié)點(diǎn)的抗滑剛度和豎向承載力呈先增大，后減小的趨勢;隨著周轉(zhuǎn)加載幅度的增加，扣件節(jié)點(diǎn)的抗滑剛度呈先增大后減小的趨勢，而扣件節(jié)點(diǎn)的豎向承載力呈逐漸減小的趨勢.

3)綜合各種因素和規(guī)范要求，建議在施工中扣件的周轉(zhuǎn)次數(shù)以不超過25次為宜.

［1］蔡雪峰，周繼忠，莊金平.鋼管扣件節(jié)點(diǎn)抗滑性能研究［J］.土木工程學(xué)報，2009，42(3):67－71.

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［3］莊金平，蔡雪峰.直角扣件鋼管節(jié)點(diǎn)抗滑本構(gòu)關(guān)系研究［J］.施工技術(shù)，2011，40(5):79－81.

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［6］宋建學(xué)，史瑞.腳手架扣件抗滑移試驗(yàn)及分析［J］.建筑技術(shù)，2011，42(10):937－938.

［7］中國建筑科學(xué)研究院.GB15381－2006鋼管腳手架扣件［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［8］JGJ130－2011建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.