蟹鉗式自鎖三角形鋼管支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用

鄭競(jìng)友，劉燕燕，韓學(xué)明，葉水標(biāo)，蘆博文（.浙江金筑交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州　　005；.浙江順暢高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江 杭州　　005；.浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州　　005）

蟹鉗式自鎖三角形鋼管支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用

鄭競(jìng)友1，劉燕燕2，韓學(xué)明3，葉水標(biāo)1，蘆博文1
（1.浙江金筑交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州310051；2.浙江順暢高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江 杭州310051；3.浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州310051）

通過(guò)對(duì)現(xiàn)行模板鋼管支架在現(xiàn)澆橋梁應(yīng)用過(guò)程中頻繁出現(xiàn)倒塌事故的研究，發(fā)現(xiàn)其自身結(jié)構(gòu)的缺陷是主要原因之一。根據(jù)現(xiàn)澆橋梁支撐結(jié)構(gòu)的組合類型分析，設(shè)計(jì)了一種新型鋼管支架——蟹鉗式自鎖三角形鋼管支架。通過(guò)軟件模擬、力學(xué)試驗(yàn)確定了鋼管支架的4種細(xì)部連接組成結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了試驗(yàn)室破壞試驗(yàn)。結(jié)果表明:單元由三角形構(gòu)件組成，通過(guò)三角形支架首尾依次連接，形成的正方體空間結(jié)構(gòu)鋼管支架最為穩(wěn)定，也是承載力最高的支架之一，可以在公路大荷載現(xiàn)澆橋梁臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)中使用。

現(xiàn)澆橋梁；三角形鋼管支架設(shè)計(jì)；破壞試驗(yàn)；工程應(yīng)用

現(xiàn)澆橋梁具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、工期短、技術(shù)成熟、施工方便、運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，因此我國(guó)大型樞紐中的小半徑橋梁通常采用現(xiàn)澆形式。現(xiàn)澆橋梁所采用的支架選型問(wèn)題是施工行業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)之一［1-2］。我國(guó)近年來(lái)建筑施工支架坍塌事故頻發(fā)，2014年支架坍塌事故52起、死亡人員217人，這不僅造成了人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，而且還在社會(huì)上引起了極大的負(fù)面影響。支架坍塌事故的主要原因除表現(xiàn)在施工管理、支架施工設(shè)計(jì)驗(yàn)算及搭設(shè)施工質(zhì)量外，支架結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性至關(guān)重要［3-4］。研究開(kāi)發(fā)并推廣一種安全可靠、質(zhì)量穩(wěn)定、強(qiáng)度高、剛度及穩(wěn)定性好、施工簡(jiǎn)便快捷、適用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)且符合人體工程學(xué)的新型支架顯得尤為迫切。

本文從支架的自身材質(zhì)、主要結(jié)構(gòu)形式以及連接接頭結(jié)構(gòu)入手，融入人體工程學(xué)理念，通過(guò)軟件模擬、力學(xué)試驗(yàn)，并輔以試驗(yàn)室破壞性試驗(yàn)和工程實(shí)例，研發(fā)一種滿足上述要求的新型支架——蟹鉗式自鎖三角鋼管支架［5］。

1　支架設(shè)計(jì)研究

1.1支架材料

支架材料選用Q345，摒棄傳統(tǒng)的Q235，使支架強(qiáng)度更有保障；主立桿選用φ48的鋼管，橫桿及斜桿分別選用φ40，φ34的鋼管。

1.2支架結(jié)構(gòu)形式

分析以往所有支架的結(jié)構(gòu)和組合類型，融入三角形的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。不僅單片支架以三角形結(jié)構(gòu)為主，其搭設(shè)形成的滿堂支架所有空間都將劃分為三角形結(jié)構(gòu)。接頭采用獨(dú)特的蟹鉗式自鎖結(jié)構(gòu)，具有自鎖防脫、連接便捷、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。所形成的支架在保證豎向承載力的同時(shí)，大大提升了承重時(shí)的橫向抗變形能力，彌補(bǔ)了以往支架自身穩(wěn)定弱引起的整體支架失穩(wěn)問(wèn)題。支架單元由三角形構(gòu)件組成，通過(guò)三角形支架首尾依次連接，形成穩(wěn)定的正方體空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

1.3支架連接接頭

蟹鉗式自鎖三角鋼管支架主要有4種連接接頭：C形卡、U形卡、楔形插銷和弧形插銷（見(jiàn)圖2）。

1）C形卡。設(shè)置于水平連接桿、水平對(duì)角拉桿、豎向?qū)切睏U的桿端，用于與立桿上的U形卡相連接。

2）U形卡。設(shè)置于立桿上，用于與其他桿件的 C形卡相連接。

3）楔形插銷。設(shè)置于水平連接桿、水平對(duì)角拉桿、豎向?qū)切睏U的桿端，用于固定C形卡與U形卡。

4）弧形插銷。設(shè)置于套接管處，用于上下兩立桿的連接。

1.4人體工程學(xué)因素

支架設(shè)計(jì)過(guò)程中融入了人體工程學(xué)因素，當(dāng)三腳架合圍時(shí)，水平桿和斜向桿為站在四邊形內(nèi)部的工人提供安全操作環(huán)境，起到水平安全圍欄的作用。如圖3所示。

圖2　連接接頭示意

圖3　安全圍欄

2　支架設(shè)計(jì)驗(yàn)證

2.1應(yīng)用邁達(dá)斯有限元軟件計(jì)算分析

在選材和結(jié)構(gòu)選型的基礎(chǔ)上，從鋼管壁厚、三角形大小，到考慮了工人頻繁操作的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全性的因素，挑選出最合適的尺寸和重量，利用邁達(dá)斯有限元軟件計(jì)算分析其結(jié)構(gòu)豎向承載能力（單組豎向極限承載力）［6］，并對(duì)接頭細(xì)部進(jìn)行力學(xué)分析，見(jiàn)圖4。

通過(guò)軟件計(jì)算模擬分析得出單根鋼管極限承載力為160 kN，承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)支架，其承載力在25 m高度之內(nèi)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖4　接頭細(xì)部有限元分析

表1　25 m高度內(nèi)合理變形范圍承載能力

2.2實(shí)驗(yàn)室破壞試驗(yàn)

在完成設(shè)計(jì)、計(jì)算分析的基礎(chǔ)上將電算模擬的數(shù)據(jù)用于實(shí)驗(yàn)室做極限破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)分級(jí)加載時(shí)每級(jí)荷載為40 kN，直至極限破壞。在支架上部的4根水平桿件兩端各布置1個(gè)水平方向百分表，在支架東、西兩個(gè)對(duì)角布置了2個(gè)豎向百分表。豎向和東北向荷載-變形曲線見(jiàn)圖5和圖6。試驗(yàn)得出單組支架的極限破壞荷載為621 kN，均分至單根立桿的極限承載力為155.25 kN［7］，與軟件模擬計(jì)算值160 kN非常接近。

圖5　荷載-豎向變形曲線

圖6　荷載-東北向水平桿變形曲線

3　工程應(yīng)用

3.1工程概況

蟹鉗式自鎖三角鋼管支架已成功應(yīng)用在杭新景高速公路第16標(biāo)淵底樞紐E2匝道橋現(xiàn)澆箱梁施工中。E2匝道橋下部結(jié)構(gòu)依次為鉆孔灌注樁、系梁、方形柱式墩和蓋梁，其中最高墩柱為2-1，高約19.5 m；上部結(jié)構(gòu)為1聯(lián)（3孔20 m，共計(jì)60 m）單箱單室非預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁（箱梁高1.4 m，頂板寬8.5 m），平面位于緩和曲線和圓曲線上。斷面尺寸見(jiàn)圖7。

圖7　E2匝道橋單箱單室斷面示意（單位：cm）

3.2支架搭設(shè)與拆除

搭設(shè)步驟包括：施工準(zhǔn)備→地基處理→底座位置放樣→立底座、基桿→三腳架標(biāo)準(zhǔn)層搭設(shè)→各標(biāo)準(zhǔn)層水平連接→套入（頂桿）頂托→支架驗(yàn)收。

1）施工準(zhǔn)備。支架施工前應(yīng)編制專項(xiàng)施工方案，并應(yīng)經(jīng)審核批準(zhǔn)后方可實(shí)施，實(shí)施前需進(jìn)行技術(shù)和安全作業(yè)交底。

2）地基處理。支架搭設(shè)場(chǎng)地必須堅(jiān)實(shí)、平整，排水措施得當(dāng)。當(dāng)?shù)鼗卟钶^大時(shí)，需設(shè)置臺(tái)階。

3）底座位置放樣。首先放出箱梁在地基上的豎向投影線，根據(jù)投影線定出縱橫向中心線，再根據(jù)中心線定出可調(diào)底座坐標(biāo)位置。

4）立底座、基桿。根據(jù)布設(shè)好的坐標(biāo)位置安放可調(diào)底座，套入基桿配裝水平橫桿，用水平尺整體調(diào)水平，水平高差不得超過(guò)5 mm，隨即將插銷敲緊鎖牢。

5）三腳架標(biāo)準(zhǔn)層搭設(shè)。在調(diào)平底座裝好基桿后安裝首層三腳架，每組4片三腳架首尾環(huán)扣蟹鉗式接頭，扣入楔形插銷。待4片三腳架接頭均環(huán)扣好后，利用隨身佩戴的小錘錘緊。為確保安全，可鋪設(shè)金屬腳手板。

6）標(biāo)準(zhǔn)層水平連接。在各單組標(biāo)準(zhǔn)層每搭設(shè)完若干層（3層以下）時(shí)，各組之間采用水平橫桿、豎向斜桿連接形成滿堂支架，逐個(gè)核查插銷是否敲緊鎖牢。

7）套入（頂桿）頂托。在完成標(biāo)準(zhǔn)層搭設(shè)之后，套入（頂桿）頂托，為便于在支架上高空作業(yè)安全省時(shí)，可在地面上大致調(diào)好頂托伸出量，再運(yùn)至支架頂安裝。

8）支架驗(yàn)收。支架搭設(shè)完成后預(yù)壓前必須進(jìn)行驗(yàn)收，重點(diǎn)檢查地基結(jié)合處、頂托與模板結(jié)合處以及各桿件連接處。

支架拆除由上而下逐層進(jìn)行。具體工藝：拆護(hù)欄（懸臂部分）→拆腳手板→拆各組豎向斜連桿→拆水平橫連桿→拆水平對(duì)角拉桿→拆三腳架→傳遞各桿件至地面→清除桿件雜物→按規(guī)格堆碼。

3.3應(yīng)用評(píng)價(jià)

在項(xiàng)目應(yīng)用的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：支架搭設(shè)方便快速、省力，7 m以下高度內(nèi)無(wú)需機(jī)械的配合，工人可自行安裝。配合配套使用的金屬腳手板、安全帶，搭設(shè)每片三腳架全過(guò)程工人好像在四方體內(nèi)工作一樣，施工安全有保障，充分體現(xiàn)出了支架人體工程學(xué)的優(yōu)勢(shì)?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，蟹鉗式自鎖三角鋼管支架比傳統(tǒng)鋼管支架節(jié)約25%左右的成本。

4　結(jié)語(yǔ)

1）蟹鉗式自鎖三角鋼管支架從設(shè)計(jì)入手不僅考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)還考慮不同結(jié)構(gòu)使用的鋼材強(qiáng)度型號(hào)搭配，以發(fā)揮材料最大的性能，其設(shè)計(jì)承載能力是常規(guī)支架的2倍［7-8］。

2）工人搭設(shè)施工安全、便捷。支架設(shè)計(jì)融入人體工程學(xué)，單片質(zhì)量約9 kg，方便工人頻繁移動(dòng)傳遞，在大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)有效預(yù)防工程事故的發(fā)生和人員傷亡，加快工程工期進(jìn)度。

3）蟹鉗式自鎖三角鋼管支架，引入一體式設(shè)計(jì)，所有接頭自鎖插銷都含防脫滑功能。

4）蟹鉗式自鎖三角鋼管支架經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①橫向剛度大，穩(wěn)定性好，承載能力高；②操作簡(jiǎn)單、搭設(shè)便捷，接頭連接可靠，勞動(dòng)強(qiáng)度低；③模數(shù)式設(shè)計(jì)及特定組合，可適用于不同荷載及工況；④支架兼作安全圍欄，配合腳手板，提供良好的施工安全保障；⑤經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此蟹鉗式自鎖三角鋼管支架可以在公路大荷載現(xiàn)澆橋梁臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)中推廣使用。

［1］謝其盛，金國(guó)光，王月?tīng)N.我國(guó)建筑腳手架現(xiàn)狀及其發(fā)展方向［J］.建筑機(jī)械化，2006，27（9）：17-21.

［2］余宗明.腳手架及模板技術(shù)發(fā)展之路［J］.中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2008（1）：38-40.

［3］杜榮軍.腳手架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載能力［J］.施工技術(shù)，2001，（4）：1-6.

［4］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 130—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(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［5］賈建國(guó).ADG插銷式腳手架穩(wěn)定承載能力的研究分析［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2014.

［6］林玉成.新型腳手架在大型混凝土梁板支撐工程上的應(yīng)用［C］//中國(guó)建筑學(xué)會(huì)施工學(xué)術(shù)委員會(huì)模板與腳手架專業(yè)委員會(huì)2010年會(huì)論文集.北京：中國(guó)建筑學(xué)會(huì)施工學(xué)術(shù)委員會(huì)模板與腳手架專業(yè)委員會(huì)，2010：10-12.

［7］回憶.ADG裝配式腳手架的應(yīng)用性能研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2008.

［8］浙江大學(xué)土木工程測(cè)試中心.蟹鉗式三角鋼管支架力學(xué)性能試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告［Z］.杭州：浙江大學(xué)土木工程測(cè)試中心，2014.

（責(zé)任審編趙其文）

Structural Design and Engineering Application of Crab-claw-type Self-locking Triangle Steel Pipe Scaffolding

ZHENG Jingyou1，LIU Yanyan2，HAN Xueming3，YE Shuibiao1，LU Bowen1
（1.Zhejiang Jinzhu Engineering Construction Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310051，China；2.Zhejiang Shunchang Advanced-grade Highway Maintenance Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310051，China；3.Zhejiang Provincial Transportation Engineering Construction Group Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310051，China）

T he defect of the structure is the main failure reason through the analysis of the frequent collapse accidents of current steel pipe formwork during cast-in-situ bridge construction.A new crab-claw-type self-locking triangle steel pipe scaffolding was designed according to analysis on the components types of the scaffolding used for cast-in-situ bridge construction.T hrough the simulation and experimental test，four joints in the structure were determined and tested.At the same time，laboratory failure test was carried out.T he results show that the unit is constituted of triangle components and connected by triangle scaffolding，forming cubic space.T he cubic space structure units are of the highest stability and bearing capacity.It can be applied in the temporary structure of heavyloading cast-in-situ bridges.

Cast-in-situ bridge；T riangle steel pipe scaffolding design；Failure test；Engineering application

鄭競(jìng)友（1973— ），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。

TU731.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.09

1003-1995（2016）07-0035-04

2015-11-27；

2016-03-28