新型盤扣式鋼管支架單元體受力性能研究

王 婧，鄭七振，讓 夢，龍莉波

（1. 上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2. 上海建工二建集團(tuán)有限公司，上海 200080）

承插型盤扣式鋼管支架體系具有承載力大、可靠度高、適用性廣和環(huán)保美觀的優(yōu)點(diǎn)，已列入住建部建筑業(yè)十項(xiàng)新技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于各種工程施工，并成為高大支模方案的首選[1-5]。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于受到構(gòu)件定型化和規(guī)范頂部自由端限值的影響[6]，支架體系在梁板交匯處、異形結(jié)構(gòu)處和大截面梁下等復(fù)雜施工環(huán)境下無法完全形成整體。本文通過基本單元體試驗(yàn)，研究螺絲盤節(jié)點(diǎn)的連接可靠性，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立節(jié)點(diǎn)半剛性有限元模型，通過對比分析試驗(yàn)值和理論值，確定節(jié)點(diǎn)剛度值的取值范圍，提出合理的建議值，為實(shí)際分析設(shè)計(jì)提供參考，為該新型全工況適應(yīng)型盤扣式鋼管模板支架的應(yīng)用提供有效的技術(shù)和理論依據(jù)，大力推動(dòng)新型腳手架的發(fā)展和應(yīng)用。

1 基本單元體試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

普通鋼管腳手架支撐體系的現(xiàn)存問題有：施工時(shí)需增設(shè)普通鋼管套管延長頂層立桿，繼而采用扣件連接橫向普通鋼管，形成頂層橫桿，如圖1～2 所示，這樣極大降低了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。為解決這個(gè)問題，本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種可添加旋轉(zhuǎn)連接盤（簡稱“螺絲盤”），見圖3～4。根據(jù)梁下支架高度及頂部自由懸臂端限值，在頂托絲桿上加設(shè)螺絲盤，可突破立桿固定標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的限制，以方便工程施工時(shí)模板支架體系的布置安裝，從而提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性[7-8]。

圖 1 模板支架示意圖Fig.1 Sketch map of steel pipe support formwork

圖 2 模板支架實(shí)圖Fig.2 Real map of the steel pipe support formwork

圖 3 螺絲盤節(jié)點(diǎn)組件Fig.3 Joint assembly of the screw plate

圖 4 新型盤扣式鋼管支架體系Fig.4 New type of disk lock steel pipe scaffold system

本試驗(yàn)不考慮豎向斜撐，以支架受力形式、縱橫跨距和頂層水平加強(qiáng)層為主要參數(shù)，共設(shè)計(jì)了5 組規(guī)格的新型盤扣式基本單元體試驗(yàn)，試驗(yàn)架體步距均為1 000 mm，掃地桿距離地面均為300 mm，頂部懸臂自由端長度為760 mm。試件參數(shù)如表1 所示，試驗(yàn)桿件規(guī)格和材性參數(shù)如表2所示。

表 1 試件參數(shù)Tab.1 Specimen parameters

1.2 試驗(yàn)裝置

圖5 為試驗(yàn)加載圖，荷載首先由500 t 千斤頂通過反力架施加在分配梁上，然后再由槽鋼均勻分配到頂托內(nèi)的雙鋼管上。為確保所有測量設(shè)備正常工作，預(yù)加載50 kN，分級加載，每級加荷25 kN后持荷3 min，使結(jié)構(gòu)變形趨為穩(wěn)定。在結(jié)構(gòu)臨近破壞時(shí)，密切關(guān)注采集儀的數(shù)據(jù)變化，并觀測記錄試驗(yàn)現(xiàn)象，直至整體結(jié)構(gòu)破壞喪失承載力，停止加載。

表 2 主要桿件規(guī)格及材性參數(shù)Tab.2 Main components specifications and material properties parameters

圖 5 試驗(yàn)加載圖Fig.5 Test loading

為量測逐級加載過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化與變形情況，本試驗(yàn)共布置應(yīng)變測點(diǎn)8 個(gè)，為觀測基本單元體的各桿件受力均勻性，4 根立桿和頂層4 根水平桿的中部皆布置1 個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，每個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)處均貼2 片單向應(yīng)變片。在試驗(yàn)架體外圍搭設(shè)一層輔助支架，用以安裝位移計(jì)，位移測點(diǎn)共布置4 個(gè)，每個(gè)測點(diǎn)安置2 個(gè)位移計(jì)，分別測量x，y 方向水平側(cè)移，如圖6 所示。圖7 為試驗(yàn)中螺絲盤與加長絲桿的詳細(xì)尺寸圖，圖8 為測點(diǎn)布置詳圖。

圖 6 測點(diǎn)布置圖Fig. 6 Layout of measuring points

圖 7 主要構(gòu)件尺寸詳圖Fig. 7 Main components details

圖 8 測點(diǎn)布置詳圖Fig. 8 Detailed layout of measuring points

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

分級加載，當(dāng)施加荷載增加，采集儀數(shù)據(jù)不再增加反而減小，表明基本單元體不能繼續(xù)受荷，或是結(jié)構(gòu)突然產(chǎn)生大變形時(shí)，宣告結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞。試件的破壞形態(tài)如圖9 所示，試驗(yàn)架體的破壞主要是雙鋼管被壓扁，U 形頂托彎曲，最終結(jié)構(gòu)發(fā)生有側(cè)移整體彎扭失穩(wěn)破壞，而螺絲盤節(jié)點(diǎn)并沒有明顯的破壞現(xiàn)象。基本單元體試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。試驗(yàn)過程中，試件破壞形態(tài)均為側(cè)移整體彎扭失穩(wěn)。失穩(wěn)破壞前，雙鋼管被壓扁，頂托發(fā)生壓彎變形。螺絲盤節(jié)點(diǎn)沒有明顯破壞，且螺絲盤與絲桿連接可靠，沒有產(chǎn)生相對滑移。橫桿應(yīng)變波動(dòng)較大，無明顯規(guī)律，且橫桿應(yīng)變數(shù)值很小，最大應(yīng)變不超過40 με（鋼材屈服應(yīng)變?yōu)? 140 με）。橫桿幾乎不參與承重，故重點(diǎn)分析立桿的受力，各立桿荷載-應(yīng)力曲線圖結(jié)果如圖10 所示。

圖 9 破壞形態(tài)Fig. 9 Failure mode

表 3 基本單元體試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of the basic unit

圖 10 各試件中立桿荷載-應(yīng)力曲線圖Fig.10 Load-stress patterns of neutral bars for each specimen

對比分析不同規(guī)格單元體的試驗(yàn)現(xiàn)象，應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

a. 對比JD1 和JD2 試件，在梁式支模架工況下，采用水平剪刀撐為頂層水平加強(qiáng)層的JD1 其極限承載力為370 kN，最大水平位移為3.99 mm；采用水平橫桿為頂層水平加強(qiáng)層的JD2 其極限承載力為250 kN，最大水平位移為13.43 mm。試件JD1 比JD2 的承載力提高了48%，且整體彎扭變形較小，表明結(jié)構(gòu)頂層水平加強(qiáng)層僅設(shè)置“螺絲盤+水平桿”時(shí)整體穩(wěn)定性較弱，建議采用“螺絲盤+水平桿+水平剪刀撐”，進(jìn)一步提高頂層水平抗側(cè)移剛度。

b. 對比JD3 和JD4 試件，在板式支模架工況下，縱橫跨距為1 200 mm 的JD3 其極限承載力為200 kN，最大水平位移為12.78 mm；縱橫跨距為900 mm 的JD4 其極限承載力為294 kN，最大水平位移為14.9 mm。試件JD4 比JD3 的極限承載力提高了47%，說明適當(dāng)減小立桿縱橫跨距可有效提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。

c. 對比JD4 和JD5 試件，在板式支模架工況下，縱橫跨距同為900 mm，頂部懸臂自由端長度為760 mm，采用水平剪刀撐的JD4 其極限承載力為294 kN，最大水平位移為14.9 mm；采用水平橫桿的JD5 其極限承載力為240 kN，最大水平位移為8.89 mm。試件JD4 的極限承載力比JD5 的提高了22.5%，建議在工程應(yīng)用中可采用“螺絲盤+水平桿+水平剪刀撐”頂部雙層加固形式，有效提高結(jié)構(gòu)承載力。

2 有限元分析

2.1 模型建立

盤扣式鋼管支架的節(jié)點(diǎn)既不是理想剛接也不是理想鉸接，而是介于兩者之間的半剛接[9-14]。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者研究成果，本文采用有側(cè)移半剛性鋼框架計(jì)算模型，運(yùn)用SAP2000 有限元軟件建立空間有限元模型[15-20]。通過控制加在線單元端部的彈簧剛度，靈活地改變端部各自由端的釋放來模擬節(jié)點(diǎn)半剛性[21-24]。對比分析試驗(yàn)值和理論值，驗(yàn)證有限元分析及試驗(yàn)結(jié)果的合理性，并確定節(jié)點(diǎn)剛度值的取值范圍。

選取基本單元體JD5 的模型為計(jì)算模型，假定有限元計(jì)算模型的單元體為空間框架單元，線對象類型為框架，假定橫桿與立桿為半剛性連接。材料的屬性選擇鋼材，具體參數(shù)詳見表4～5?？蚣苓吔鐥l件為底端鏈接、頂端自由，施加荷載的方式為由端部進(jìn)行集中力加載。假定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍處于彈性受力階段，不考慮桿件的初始缺陷和材料缺陷的影響。整個(gè)加載過程中，只考慮豎向荷載的影響，不考慮其他荷載的影響?；締卧w計(jì)算模型如圖11 所示。

表 4 鋼管的幾何參數(shù)Tab.4 Steel pipe geometric parameter

表 5 鋼管的材料性質(zhì)Tab.5 Steel pipe material properties

圖 11 計(jì)算模型Fig. 11 Calculation model

2.2 節(jié)點(diǎn)半剛性的影響

基本單元體試件實(shí)際上為有側(cè)移半剛性框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》中給出的盤扣節(jié)點(diǎn)抗彎剛度建議值86 kN·mm/rad，假設(shè)半剛性節(jié)點(diǎn)抗彎剛度K 為10，20，30，40，50，60，70，80，90，100，110，120，150，200，300，400，500，單位為kN·mm/rad。以JD5 基本單元體為例，計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)剛度值架體的臨界荷載。

圖12 是基本單元體整體穩(wěn)定承載力與節(jié)點(diǎn)剛度值的關(guān)系曲線。整體穩(wěn)定承載力與節(jié)點(diǎn)剛度的關(guān)系表現(xiàn)為非線性關(guān)系，與一般半剛性鋼框架的連接特性相一致。剛性連接的穩(wěn)定承載力約為10 kN·mm/rad 的10 倍左右，表明節(jié)點(diǎn)半剛性是影響模板支架承載力的重要因素。節(jié)點(diǎn)剛度值在0～200 kN·mm/rad 之間時(shí)，整體穩(wěn)定荷載增長較快，當(dāng)超過200 kN·mm/rad 后，整體穩(wěn)定荷載增長速率變小。這表明當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度值較小時(shí)，剛度值K 是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的關(guān)鍵因素之一，但當(dāng)剛度值超過一定值后，K 對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力影響不太明顯。

在試驗(yàn)測量過程中，由于應(yīng)力的測量相比位移受到的人為干擾因素更小一些，選取應(yīng)力為模擬參考標(biāo)準(zhǔn)；再則立桿為架體的主要受力桿件，且立桿的應(yīng)變片測點(diǎn)為2 個(gè)方向，由立桿應(yīng)力平均值換算的軸力值較為精確，故選取立桿平均軸力作為參考標(biāo)準(zhǔn)。圖13（a）～（d）分別為JD5 架體立桿1～4 的試驗(yàn)值與節(jié)點(diǎn)剛度K 取不同數(shù)值時(shí)立桿理論值的對比圖。

圖 12 整體穩(wěn)定承載力與節(jié)點(diǎn)剛度值的關(guān)系曲線Fig. 12 Relationship between overall stability bearing capacity and joint stiffness

圖 13 不同K 值下立桿試驗(yàn)值與理論值對比Fig.13 Comparison of experimental and theoretical values with different K

通過對比試驗(yàn)值和理論值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)半剛性剛度值K 取值范圍為70～95 kN·m/rad 時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與理論值吻合良好?？紤]在實(shí)際工程應(yīng)用中材料缺陷、構(gòu)件的周轉(zhuǎn)重復(fù)使用和施工工人的人為過失等，建議設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)節(jié)點(diǎn)半剛性剛度值K 取70 kN·m/rad 較為安全，確保模板支架結(jié)構(gòu)有足夠的安全儲備。

3 結(jié)束語

通過對新型盤扣式鋼管支架進(jìn)行基本單元體試驗(yàn)研究和有限元分析，可以得到以下結(jié)論：

a. 螺絲盤與絲桿連接可靠，試驗(yàn)過程中不產(chǎn)生相對滑移，且螺絲盤節(jié)點(diǎn)具有較高強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生明顯破壞，節(jié)點(diǎn)不會(huì)先于構(gòu)件發(fā)生破壞，建議應(yīng)用于實(shí)際工程中。

b. 頂層水平加強(qiáng)層是影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，增設(shè)水平剪力撐可大幅度提高框架的極限承載力，建議在工程應(yīng)用中可采用“螺絲盤+水平桿+水平剪刀撐”頂部雙層加固形式，有效提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

c. 適當(dāng)減小立桿縱橫跨距可有效提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力，縱橫跨距減小25%，極限承載力可提高近50%，但結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)移性略微減小。

d. 有限元分析結(jié)果表明，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度取值在0～200 kN·mm/rad 之間時(shí)，節(jié)點(diǎn)半剛性值是影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定承載力的重要因素，對模板支架體系進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)半剛性的影響，以更準(zhǔn)確地計(jì)算模型各項(xiàng)指標(biāo)。

e. 對比分析試驗(yàn)值和理論值后，確定節(jié)點(diǎn)半剛性值的取值范圍為70～95 kN·mm/rad，建議在工程應(yīng)用中，考慮人工周轉(zhuǎn)、材料缺陷等不利因素的影響，半剛性節(jié)點(diǎn)的剛度值K 取70 kN·mm/rad較為安全。