鋼木組合腳手板構(gòu)造形式的探討

劉玉中，程 金，胡牡香

(蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇蘇州 215000)

腳手架是建筑施工及造船等行業(yè)中不可缺少的重要施工工具，而與之配套的腳手板同樣也是不可缺少的重要器材。腳手板又稱腳手片，是在腳手架、操作架上鋪設(shè)，便于工人在其上行走、轉(zhuǎn)運(yùn)材料和施工作業(yè)的一種臨時(shí)周轉(zhuǎn)使用的建筑材料。腳手板種類主要有木腳手板，竹腳手板以及鋼腳手板三大類。木腳手板由于存在易潮濕、易蟲蛀、易翹曲等問題，大大降低了其周轉(zhuǎn)次數(shù)，經(jīng)濟(jì)性難以得到保障，目前的應(yīng)用已越來越少。竹腳手板雖然價(jià)格低廉，但其使用舒適性遠(yuǎn)不及木腳手板，且極易附著建筑垃圾，存在強(qiáng)度較差、周轉(zhuǎn)次數(shù)少等缺點(diǎn)，目前僅在南方地區(qū)有所應(yīng)用。鋼腳手板是目前常見的一種腳手板，尤其是由冷彎薄壁型鋼加工形成的鋼腳手板具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，現(xiàn)已大規(guī)模地投入生產(chǎn)使用；但冷彎薄壁型鋼構(gòu)件由于其壁厚較薄，構(gòu)件中板件的寬厚比較大，且截面大多開口，使得構(gòu)件在受力過程中容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此，其在生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行復(fù)雜的構(gòu)造處理以避免發(fā)生失穩(wěn)破壞，這樣便提高了生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)性仍難以保證。

而將冷彎薄壁型鋼與木材進(jìn)行有效地組合，形成鋼-木組合腳手板，同樣可有效地提高鋼材穩(wěn)定性，防止其過早屈曲失穩(wěn)，進(jìn)而提高腳手板的承載性能；早在20世紀(jì)60年代，我國就開始研發(fā)鋼木混合腳手板[1]。另外，通過三十多年的建設(shè)，我國森林覆蓋率已從改革開放之初的12 %提高到目前的21.63 %，森林資源已經(jīng)得到極大地恢復(fù)，木材的生產(chǎn)和利用將逐步進(jìn)入良性循環(huán)階段，木材的環(huán)保優(yōu)勢也已更為突出。

1 我國鋼木組合構(gòu)件的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 鋼木組合構(gòu)件受力性能研究

目前，我國學(xué)者主要針對不同截面形式的鋼木組合梁，組合柱以及組合樓蓋的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

其中，東南大學(xué)的潘福婷等人[2]對鋼-木組合懸臂梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其組合形式是在鋼板兩側(cè)疊放木板，并通過螺栓進(jìn)行連接固定；試驗(yàn)結(jié)果表明，組合梁具有較好的整體穩(wěn)定性能，木板的側(cè)限作用保證了鋼板在達(dá)到材料屈服強(qiáng)度之前不會發(fā)生整體和局部屈曲破壞。同時(shí)，在組合梁試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過有限元分析軟件對鋼-木組合梁以及十字形組合柱的受力性能進(jìn)行了分析，最后對組合構(gòu)件在理論上進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。

北京交通大學(xué)的陳愛國等人[3-5]對H型鋼-木組合梁的抗彎性能及連接靜力性能進(jìn)行了研究，組合梁構(gòu)造形式見圖1。研究結(jié)果表明，H型鋼和木板整體工作性能良好，組合效應(yīng)顯著，構(gòu)件跨中橫截面應(yīng)變呈線性分布，試件荷載-跨中撓度曲線呈彈性和彈塑性兩個(gè)階段，最終以下翼緣木材跨中斷裂而破壞；且隨著木板厚度、鋼梁翼緣厚度及寬度、腹板高度的增大，試件的承載力呈現(xiàn)不同程度的提高；最后提出了該種鋼-木組合梁跨中撓度及受彎承載力的簡化計(jì)算式，并將其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明計(jì)算式精度較高，可以為該種鋼-木組合梁的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖1 H型鋼-木組合梁截面示意

同濟(jì)大學(xué)的何敏娟等人[6-7]對輕型鋼木混合樓蓋的抗側(cè)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，由于鋪設(shè)木材的原因，樓蓋側(cè)向剛度得到增強(qiáng)；且與木材相連接的C型鋼擱柵上翼緣未出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，證明了木材對其有明顯的加強(qiáng)作用。

根據(jù)以上學(xué)者對鋼木組合構(gòu)件的研究表明，木材對鋼材有明顯的加強(qiáng)作用，避免了鋼材發(fā)生整體屈曲破壞，同時(shí)有效延緩了鋼材的局部屈曲，進(jìn)而使鋼材的力學(xué)性能得到了更充分的發(fā)揮。

1.2 鋼木組合構(gòu)件在實(shí)際工程中的應(yīng)用

中國美術(shù)學(xué)院風(fēng)景建筑設(shè)計(jì)研究院的申屠團(tuán)兵等人[8]依附交叉編織異形鋼木組合屋架的實(shí)際工程案例，對代表榀屋架進(jìn)行了機(jī)構(gòu)分析，獲得了優(yōu)化后的無明確下弦桿異形鋼木組合屋架結(jié)構(gòu)體系(圖2)，其中鋼木組合桿件的構(gòu)造形式見圖3；并通過對3種節(jié)點(diǎn)以及整體足尺結(jié)構(gòu)的受力試驗(yàn)研究，得到了鋼木組合桿與木桿混搭時(shí)連接問題的解決方案，且結(jié)構(gòu)體系既可實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)想又能夠滿足結(jié)構(gòu)的安全及使用要求。

圖2 無明確下弦桿異形鋼木組合屋架結(jié)構(gòu)體系

圖3 鋼木組合桿件(單位：mm)

2 鋼木組合腳手板構(gòu)造形式探討

我國在20世紀(jì)60年代曾研究開發(fā)過一批鋼木混合腳手板(圖4)。采用鋼板、角鋼或槽鋼，與木板拼裝而成，這種腳手板可充分利用小木板作板面，板面的防滑和耐熱性能較好。但其剛度偏小，且重量較大，同時(shí)，木板裸露在外，仍會出現(xiàn)木腳手板常見的易潮濕、易蟲蛀、易翹曲等問題。

圖4 鋼木混合腳手板

針對以上問題，為了避免木材易受外界環(huán)境影響的問題，同時(shí)，需要木材為鋼材提供有效的側(cè)向支撐，提出了一種外包鋼式的鋼木組合腳手板(圖5)。該腳手板的特征在于，整片腳手板由若干根截面小、質(zhì)量輕的冷彎薄壁鋼木組合梁連接形成。

圖5 鋼木腳手板的結(jié)構(gòu)示意

而這種鋼木組合梁的特征在于，組合梁的組合形式與鋼管混凝土相似(圖6)，組合梁的主體為矩形截面冷彎薄壁型鋼鋼管；冷彎薄壁型鋼鋼管因其截面封閉，剪心與形心重合，相比于C形和U形等開口截面構(gòu)件具有更好的抗扭性能及更大的抗彎剛度，構(gòu)件形式更為安全。同時(shí)鋼管內(nèi)部的木材能夠?yàn)槔鋸澅”谛弯撲摴芴峁┮欢ǖ膫?cè)向支撐，防止鋼材過早的屈曲失穩(wěn)，進(jìn)而可提高組合梁的承載能力；且木材被包裹于鋼管內(nèi)部，其耐久性也得到了進(jìn)一步的提高。

圖6 鋼木組合梁剖面

在組合梁的底面兩端設(shè)有C形卡槽，以便于將其搭設(shè)在腳手架的縱向水平桿上，并防止腳手板在腳手架上滑動，以避免工人在腳手板上作業(yè)時(shí)發(fā)生腳手板滑落的危險(xiǎn)；組合梁底面兩端的C形卡槽并非與組合板焊接成為整體，其是通過螺栓或套箍等方式進(jìn)行連接，可拆卸更換；同時(shí)，為了防止工人在腳手板上作業(yè)時(shí)滑倒，還在組合板的表面設(shè)有橡膠防滑墊。組合梁各方向的平面圖見圖7。

圖7 鋼木組合梁各方向的平面

而鋼木組合梁通過兩根柔性鋁條進(jìn)行連接，且各組合板之間留有一定的間隙，以便于板上的沙土等雜物漏下，方便清洗；連接鋁條只受水平方向拉力，不承擔(dān)豎向荷載，各鋼木組合板可沿鋁條方向卷起，鋪設(shè)與拆卸工作僅需一名工人即可完成，操作簡便，且鋪拆效率高；同時(shí)，鋁條質(zhì)量輕，價(jià)格比鋼條低，且不易銹蝕，耐久性好，可大大提高腳手板的周轉(zhuǎn)次數(shù)。連接各鋼木組合板的鋁條中間設(shè)有可移動的固定螺栓，其不僅可以固定組合板，還可以根據(jù)不同板寬的尺寸要求進(jìn)行更換，或在某片組合板發(fā)生過大變形等問題不能繼續(xù)使用時(shí)進(jìn)行更換。其連接構(gòu)造見圖8。

圖8 鋼木組合梁連接構(gòu)造示意

該鋼木組合腳手板可充分利用冷彎薄壁型鋼和木材各自的優(yōu)點(diǎn)，輕質(zhì)、高強(qiáng)。一方面冷彎薄壁型鋼將木材包裹，可對其施加約束，提高木材強(qiáng)度，還可對其形成保護(hù)，起到防潮、防蟲的效果，提高了木材的耐久性，延長了其使用壽命；另一方面，木材填充到冷彎薄壁型鋼管內(nèi)，對其起到了很好的支撐作用，增大了構(gòu)件截面剛度，提高了構(gòu)件的穩(wěn)定性。兩種材料的相互作用使得構(gòu)件具有了輕質(zhì)、高強(qiáng)的優(yōu)勢。同時(shí)，其組裝靈活、簡便，拆卸快捷，工作效率高；使用過程中，可根據(jù)需要進(jìn)行組裝、調(diào)整，拼裝、連接與拆卸均較為簡單，不需要大型或特殊的設(shè)備，工作效率高。

3 結(jié)束語

鋼木組合構(gòu)件中的木材對鋼材有明顯的加強(qiáng)作用，可避免鋼材發(fā)生整體屈曲破壞，同時(shí)有效延緩鋼材的局部屈曲，進(jìn)而使鋼材的力學(xué)性能得到充分的發(fā)揮。而將這種組合形式運(yùn)用到腳手板中，可克服目前市場上所銷售腳手板的缺點(diǎn)。文中所提出的鋼木腳手板具有輕質(zhì)、高強(qiáng)，組裝與拆卸簡便，施工快捷，耐銹蝕，循環(huán)次數(shù)多，綜合效益好等優(yōu)點(diǎn)，將具有良好的市場前景。