新型盤扣式鋼管支架節(jié)點(diǎn)性能的試驗(yàn)研究

羅 恒 李 偉

上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200090

近年來(lái)，承插型盤扣式鋼管支架已成為一種新型鋼管支模架體系，并廣泛應(yīng)用于建筑工程和市政工程，成為了高大支模方案的首選[1-6]。

然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，受梁截面高度影響，在保證連接端面錯(cuò)開率不低于50%的前提下，利用傳統(tǒng)高排架無(wú)法形成統(tǒng)一整體，施工時(shí)需增加普通鋼管套管延長(zhǎng)頂層立桿，繼而采用扣件連接橫向普通鋼管，形成頂層橫桿，大大降低了結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。為此，我們優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種可添加旋轉(zhuǎn)連接盤，可根據(jù)梁下支架高度及自由端限值，在頂托絲桿上加設(shè)旋轉(zhuǎn)連接盤，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，提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

為了驗(yàn)證該新型盤扣式可添加旋轉(zhuǎn)連接盤節(jié)點(diǎn)的受力性能，進(jìn)行了一系列節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)，以得到其在各種受力狀態(tài)下的極限承載力、破壞形態(tài)和荷載-位移曲線，本文將對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以驗(yàn)證這一新型連接節(jié)點(diǎn)的安全可靠性，并為推動(dòng)新型腳手架的發(fā)展和應(yīng)用提供相關(guān)的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)構(gòu)配件均由寧波某構(gòu)件制作加工單位加工制作，主要構(gòu)配件規(guī)格及材質(zhì)如表1 所示。

表1 主要構(gòu)配件規(guī)格及材質(zhì)

1）螺絲盤。如圖1所示，螺絲盤內(nèi)徑為35 mm，外徑為145 mm，厚度為30 mm，其特點(diǎn)在于內(nèi)徑紋有與絲桿相配套的螺紋絲牙6環(huán)，可旋轉(zhuǎn)固定在頂托絲桿的任意位置上，通過(guò)楔形插銷與水平桿和水平斜桿連接，形成螺絲盤節(jié)點(diǎn)。

圖1 螺絲盤示意

2）絲桿及橫桿。絲桿長(zhǎng)度包括1 000 mm和1 500 mm等規(guī)格，在實(shí)際使用中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可調(diào)節(jié)插入頂層鋼管的深度；橫桿長(zhǎng)度包括600、900、1 500 mm等規(guī)格，實(shí)際使用中按照搭設(shè)跨距選用。

在本試驗(yàn)中，對(duì)于圖2～圖5的試驗(yàn)，其試驗(yàn)?zāi)康臑轵?yàn)證節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，絲桿及橫桿的長(zhǎng)度并不影響試驗(yàn)結(jié)果，故為了試驗(yàn)方便，試驗(yàn)用絲桿統(tǒng)一為原廠絲桿構(gòu)件截取300 mm，試驗(yàn)用橫桿統(tǒng)一采用原廠橫桿構(gòu)件從端部截取300 mm。

而對(duì)于絲桿抗壓試驗(yàn)（圖6），由于實(shí)際使用中絲桿插入頂層鋼管深度一般不小于自身長(zhǎng)度的1/3，故選用1 000 mm絲桿進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

圖2 旋轉(zhuǎn)連接盤徑向抗壓試驗(yàn)

圖3 旋轉(zhuǎn)連接盤抗拉試驗(yàn)

圖4 旋轉(zhuǎn)連接盤抗剪試驗(yàn)

圖5 旋轉(zhuǎn)連接盤抗彎試驗(yàn)

圖6 頂托絲桿抗壓試驗(yàn)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)并制作了5組節(jié)點(diǎn)試件，包括連接盤徑向抗壓試件、連接盤抗拉試件、連接盤抗剪試件、連接盤抗彎試件和可調(diào)頂座絲桿抗壓試件（表2）。

表2 試件分組及參數(shù)

1.3 加載裝置與測(cè)量方案

各試驗(yàn)均在1 000 kN的液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，通過(guò)輔助加載裝置，使試件處于目標(biāo)受力狀態(tài)。采用力控加載方式，加載速度如表2所示，連續(xù)勻速加載；當(dāng)試件發(fā)生斷裂或屈服，突然產(chǎn)生變形，荷載無(wú)法繼續(xù)增加時(shí)，停止加載。各試驗(yàn)加載形式如圖2～圖6所示。各試驗(yàn)需測(cè)量的數(shù)據(jù)主要是施加的荷載和產(chǎn)生的位移值，試驗(yàn)全過(guò)程的荷載及相應(yīng)的位移數(shù)據(jù)可通過(guò)萬(wàn)能機(jī)控制系統(tǒng)直接采集。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果與破壞形態(tài)

各節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的結(jié)果如表3所示，破壞形態(tài)如圖7所示。

表3 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖7 破壞形態(tài)

由圖7（a）可以看出，旋轉(zhuǎn)連接盤徑向抗壓試驗(yàn)最終破壞形態(tài)為橫桿接頭處發(fā)生彎折屈曲變形破壞；由圖7（b）可以看出，旋轉(zhuǎn)連接盤徑向抗拉試驗(yàn)最終破壞形態(tài)為插銷彎折破壞；由圖7（c）可以看出，旋轉(zhuǎn)連接盤抗剪試驗(yàn)最終破壞形態(tài)為插銷孔的位置發(fā)生剪切破壞；由圖7（d）可以看出，旋轉(zhuǎn)連接盤抗彎試驗(yàn)最終破壞形態(tài)為圓盤邊緣位置發(fā)生彎曲屈服破壞；由圖7（e）可以看出，頂托絲桿抗壓試驗(yàn)最終破壞形態(tài)為失穩(wěn)破壞。

通過(guò)試驗(yàn)破壞形態(tài)可知，旋轉(zhuǎn)連接盤在承受徑向拉力的情況下，圓盤不會(huì)先于插銷破壞；在承受徑向壓力情況下，圓盤不會(huì)先于橫桿端部破壞；在受彎及受剪的狀態(tài)下，圓盤與絲桿連接緊固，無(wú)相對(duì)滑移。

2.2 荷載-位移曲線分析

同組試件全部發(fā)生同一破壞形態(tài)，且都表現(xiàn)出相似的荷載-位移曲線特性。本文選取各組試驗(yàn)的典型荷載-位移全過(guò)程曲線進(jìn)行分析。各試驗(yàn)的典型荷載-位移曲線如圖8所示。

根據(jù)圖8（a），分析旋轉(zhuǎn)連接盤徑向抗壓試驗(yàn)的荷載-位移曲線可知，試件由最初加載至破壞可分為三階段：彈性變形階段，位移隨荷載線性增長(zhǎng)，該階段持續(xù)至荷載上升到約191 kN；屈服階段，橫桿接頭處開始發(fā)生彎折，荷載-位移曲線的斜率不斷減小，即隨著位移的增長(zhǎng)，荷載增長(zhǎng)速率減小，逐漸達(dá)到試件極限承載力（約244 kN）；破壞階段（下降段），旋轉(zhuǎn)連接盤發(fā)生嚴(yán)重屈曲變形，荷載無(wú)法繼續(xù)增加，試件發(fā)生延性破壞。

圖8 試驗(yàn)荷載-位移曲線

根據(jù)圖8（b），分析旋轉(zhuǎn)連接盤抗拉試驗(yàn)的荷載-位移曲線可知，試件由最初加載至破壞可分為四階段：彈性變形段，加載初期位移隨荷載線性增長(zhǎng)，該階段持續(xù)至約13.4 kN；平緩上升段，構(gòu)件受力薄弱部位——插銷開始發(fā)生彎折變形，該階段持續(xù)至約23.5 kN；二次線性增長(zhǎng)階段，由于插銷彎折后抵住橫桿卡鉗，橫桿卡鉗與插銷共同承擔(dān)受力，荷載-位移曲線的斜率增大，位移隨荷載線性增長(zhǎng)，逐漸達(dá)到試件極限承載力（約57 kN）；破壞階段（下降段），當(dāng)加載到極限荷載時(shí)，插銷突然被拉斷，荷載隨即跌落到極限荷載的50%～60%，試件發(fā)生脆性破壞。

由圖8（c）可知，旋轉(zhuǎn)連接盤抗剪試驗(yàn)的荷載-位移曲線可分為4段折線：加載初期，由于構(gòu)件間存在間隙或偏差，荷載-位移曲線斜率較小，荷載增長(zhǎng)緩慢，該段持續(xù)到約14 kN；隨著荷載的增加，荷載-位移曲線斜率增大，試件處于彈性階段，位移隨荷載線性增長(zhǎng)，該階段持續(xù)到約140 kN；隨著荷載的繼續(xù)增加，試件開始發(fā)生屈服，處于彈塑性階段，曲線斜率減小，即位移隨荷載增長(zhǎng)速率增大，荷載逐漸達(dá)到極限荷載（約186 kN）；一旦荷載達(dá)到極限值，旋轉(zhuǎn)連接盤插銷孔的位置發(fā)生剪切破壞，荷載突然跌落至極限荷載的50%～60%，試件發(fā)生脆性破壞。

由圖8（d）可知，旋轉(zhuǎn)連接盤抗彎試驗(yàn)的荷載-位移曲線可分為三階段：彈性變形階段，位移隨荷載線性增長(zhǎng)，該階段持續(xù)至約25 kN；屈服階段，試件開始屈服，荷載-位移曲線平緩上升，即旋轉(zhuǎn)連接盤彎曲變形快速發(fā)展，荷載隨變形增長(zhǎng)緩慢，逐漸達(dá)到試件極限承載力（約31 kN）；破壞階段（下降段），旋轉(zhuǎn)連接盤完全屈服，彎曲變形過(guò)大，荷載無(wú)法繼續(xù)增加，試件發(fā)生延性破壞。

由圖8（e）可知，頂托絲桿抗壓試驗(yàn)的荷載-位移曲線可分為3段折線：加載初期，荷載-位移曲線斜率較小，荷載增長(zhǎng)緩慢，該階段持續(xù)到約15 kN；隨著荷載的增加，試件處于彈性階段，荷載-位移曲線斜率增大，且位移隨荷載呈線性增長(zhǎng)，荷載逐漸達(dá)到極限荷載（約150 kN）；達(dá)到極限荷載后，絲桿發(fā)生失穩(wěn)破壞，荷載無(wú)法繼續(xù)增加，進(jìn)入下降段。

3 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度對(duì)比分析

目前，國(guó)內(nèi)承插型鋼管支架的節(jié)點(diǎn)存在多種形式，如扣盤式、輪扣式、插銷式等，研究學(xué)者對(duì)各節(jié)點(diǎn)形式也進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究[7-10]。本文選取了與本文盤扣式應(yīng)用條件相似的其他形式節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，如表4所示，旋轉(zhuǎn)連接盤的節(jié)點(diǎn)抗彎極限承載力（等效彎矩）明顯高于輪扣式和插銷式，但低于盤扣式；旋轉(zhuǎn)連接盤的節(jié)點(diǎn)抗剪和徑向抗壓極限承載力均高于扣盤式、輪扣式、插銷式；旋轉(zhuǎn)連接盤的節(jié)點(diǎn)抗拉極限承載力為57.1 kN，約為扣盤式的3倍。

表4 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度對(duì)比

相較于其他形式的節(jié)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)連接盤節(jié)點(diǎn)具有足夠的安全儲(chǔ)備。此外，與扣件式鋼管支架相比，盤扣式鋼管支架節(jié)點(diǎn)在水平傳力方式上由圓盤及橫桿插銷傳力，取代了扣件式中依靠扣件與水平鋼管摩擦傳力；而在豎向傳力方式上，則是螺絲盤與絲桿的螺絲連接，取代了扣件與豎向鋼管的摩擦傳力。

按照J(rèn)GJ 130—2001《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》給出的扣件式的扣件抗滑力承載力為3.2 kN（雙接扣件）和8 kN（直角和旋轉(zhuǎn)扣件），對(duì)旋轉(zhuǎn)連接盤節(jié)點(diǎn)，按照規(guī)范及施工經(jīng)驗(yàn)取安全系數(shù)K＝2，徑向抗壓和抗拉承載力設(shè)計(jì)值分別為122.5 kN和28.6 kN，抗剪承載力達(dá)到93.2 kN，并由破壞形態(tài)可以看出，圓盤破壞時(shí)尚未發(fā)生旋轉(zhuǎn)盤與絲桿的相對(duì)滑移，故可以肯定其抗滑承載力均遠(yuǎn)大于扣件式的抗滑承載力設(shè)計(jì)值，有更大的安全儲(chǔ)備。且旋轉(zhuǎn)連接盤節(jié)點(diǎn)為軸心受力，相較于扣件式鋼管支架，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較高；再則，與焊接在立桿的盤扣式節(jié)點(diǎn)連接盤相比較，JGJ 231—2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》給出的盤扣式節(jié)點(diǎn)連接盤的抗剪承載力設(shè)計(jì)值為40 kN，對(duì)旋轉(zhuǎn)連接盤節(jié)點(diǎn)，按照規(guī)范及施工經(jīng)驗(yàn)，取安全系數(shù)K＝2時(shí)，抗剪承載力設(shè)計(jì)值為93.2 kN，足夠滿足規(guī)范要求[11-12]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)這種經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)連接盤節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，包括旋轉(zhuǎn)連接盤徑向抗壓試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)連接盤抗拉試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)連接盤抗剪試驗(yàn)、連接盤抗彎試驗(yàn)以及可調(diào)頂座絲桿抗壓試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：

1）旋轉(zhuǎn)連接盤在承受徑向拉力的情況下，圓盤不會(huì)先于插銷破壞；在承受徑向壓力情況下，圓盤不會(huì)先于橫桿端部破壞；在受彎及受剪的狀態(tài)下，圓盤與絲桿連接緊固，無(wú)相對(duì)滑移。從而可預(yù)測(cè)其在工程應(yīng)用中的情況，該螺絲盤與絲桿連接穩(wěn)固，不會(huì)優(yōu)先于結(jié)構(gòu)整體發(fā)生破壞。

2）與其他節(jié)點(diǎn)形式數(shù)據(jù)對(duì)比表明，可調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)連接盤節(jié)點(diǎn)相比于其他節(jié)點(diǎn)形式具有足夠的安全儲(chǔ)備。

3）與焊接在立桿的連接盤相比，按現(xiàn)行規(guī)范《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》及《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》，取安全系數(shù)K＝2.0時(shí)，徑向抗壓和抗拉承載力設(shè)計(jì)值分別為122.5 kN和28.6 kN，抗剪承載力設(shè)計(jì)值為93.2 kN，完全滿足規(guī)范及施工要求。

4）旋轉(zhuǎn)連接盤與絲桿連接緊固，無(wú)相對(duì)滑移，且安裝拆卸簡(jiǎn)捷方便，可根據(jù)工程實(shí)際情況調(diào)整旋轉(zhuǎn)連接盤在絲桿上的位置，靈活性強(qiáng)，適用性廣。