盤扣式鋼管支架自由端絲桿上搭設(shè)“螺絲盤＋水平支撐”體系的受力性能試驗研究

羅 恒 劉戰(zhàn)豪

上海建工二建集團有限公司 上海 200093

隨著近年來的試驗研究和開發(fā)應(yīng)用，建筑施工承插型盤扣式鋼管支架已經(jīng)成為一種新型鋼管支模架體系，并且廣泛應(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]。

承插型盤扣式鋼管支架頂部設(shè)置螺絲桿，可方便地調(diào)節(jié)頂部托盤的高度，從而匹配實際的現(xiàn)場工況；現(xiàn)有規(guī)范中規(guī)定架體頂部的自由端長度不得超過650 mm（圖1）；然而在實際工程應(yīng)用中，受梁截面高度影響，會出現(xiàn)頂部自由端長度無法滿足施工需求的情況，施工時需增加普通鋼管套管，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（圖2），這一做法大大地降低了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

為此，我們優(yōu)化設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)連接盤，當(dāng)鋼管支架 頂部的螺絲桿外露過長而導(dǎo)致自由端超過規(guī)范要求的650 mm規(guī)定時，可以在頂托絲桿上加設(shè)該螺絲盤扣，通過旋轉(zhuǎn)連接盤搭設(shè)橫向及斜向水平支撐，形成“螺絲盤＋水平支撐”體系（圖3），保證此時結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及承載力要求。

圖1 規(guī)范中對于自由端長度的限制

圖2 實際應(yīng)用時超出規(guī)范尺寸的情況

圖3 “螺絲盤＋水平支撐”體系

為驗證采用該體系后整架的受力性能，設(shè)置了2組絲桿外露較長的架體進(jìn)行了試驗研究，即在自由端絲桿上加設(shè)螺絲盤和橫向水平支撐形成的“螺絲盤＋橫向水平支撐”體系，以及在自由端絲桿上加設(shè)螺絲盤和橫向及斜向水平支撐形成的“螺絲盤＋橫向及斜向水平支撐”體系，并限制較長絲桿頂部自由度為700 mm。通過加載試驗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，并將試驗結(jié)論與規(guī)范計算對比。

本文將對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以驗證這一新型連接體系的安全可靠性，并為推動新型腳手架的發(fā)展和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計與分組

為分析螺絲桿超出規(guī)范要求自由端長度后加設(shè)螺絲盤及水平支撐的體系支架承載力和破壞模式，本次共設(shè)計了8組盤扣式鋼管模板支架和1組扣件式鋼管模板支架進(jìn)行承載力試驗。

盤扣式鋼管支架的步距為1 500 mm，掃地桿距地面為300 mm。本試驗在河南城建學(xué)院結(jié)構(gòu)工程實驗室完成。試驗主要構(gòu)配件規(guī)格及材質(zhì)如表1所示，模板支架試驗主要參數(shù)如表2所示。

表1 主要構(gòu)配件規(guī)格及參數(shù)

表2 模板支架試驗主要參數(shù)

1.2 試驗加載方案

試驗加載裝置如圖4所示，采用超高反力架、千斤頂和分配梁組合的方式對整架試件施加集中荷載。荷載首先由反力架施加在分配梁上，然后再由槽鋼均勻地分配到整架試件的頂層水平桿上。加載過程分為預(yù)加載階段和分級加載階段。

為了確保所有測量設(shè)備正常工作，正式加載前對模型施加60 kN的荷載進(jìn)行預(yù)加載。正式施加荷載時，應(yīng)分級加載，每級荷載取100 kN，間歇3 min，使結(jié)構(gòu)變形趨于穩(wěn)定。在結(jié)構(gòu)臨近破壞時，密切關(guān)注采集儀的數(shù)據(jù)變化，并觀測記錄試驗現(xiàn)象，直至整體結(jié)構(gòu)破壞喪失承載力，停止加載。

1.3 測量方案

本試驗對主要受力桿件（立桿、水平桿和水平斜桿）的應(yīng)力進(jìn)行貼應(yīng)變片測量，在架體的頂部四角位置均分別設(shè)置了x、y、z三個方向的位移計，用來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的整體變形。測點布置如圖5所示。

圖4 ZJ-2和ZJ-5加載示意

圖5 測點布置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 ZJ-2試驗結(jié)果分析

ZJ-2整架極限荷載為351 kN。破壞時整體有側(cè)移彎扭變形，頂層中間梁底絲桿自底部發(fā)生較大側(cè)移，下端立桿無明顯變形，立桿受力仍處于彈性階段。其破壞形態(tài)如圖6所示。表3是ZJ-2試件的立桿受力情況。由表3可知，立桿受力很小，均處于彈性狀態(tài)；立桿最大應(yīng)力為77.5 MPa，最大軸力為18.1 kN。

圖6 ZJ-2破壞形態(tài)

表3 立桿受力情況

圖7為ZJ-2試件的立桿荷載-應(yīng)變曲線。由圖7可知，立桿3、6、7的荷載-應(yīng)變曲線增長趨勢保持一致，架體受力較均勻。

圖8為ZJ-2模板支架的荷載-頂層水平位移曲線。由圖8可知：當(dāng)荷載較小時，測點位移增長緩慢；當(dāng)荷載接近極限荷載時，位移迅速增長，直至破壞。

圖7 立桿的荷載-應(yīng)變曲線

圖8 荷載-頂層水平位移曲線

2.2 ZJ-5試驗結(jié)果分析

ZJ-5整架極限荷載為510 kN。架體破壞時整架表現(xiàn)為有側(cè)移的整體彎扭變形（圖9），破壞時絲桿出現(xiàn)側(cè)移彎曲，下端立桿出現(xiàn)彎曲，且卸載后絲桿變形恢復(fù)。

表4是ZJ-5試件的立桿受力情況。由表4可以得知，立桿基本保持彈性狀態(tài)，立桿最大應(yīng)力為241.0 MPa，最大軸力為56.2 kN。

圖9 ZJ-5破壞形態(tài)

表4 立桿受力情況

圖10為ZJ-5的立桿荷載-應(yīng)變曲線。由圖10可知，立桿3和立桿5應(yīng)力增長趨勢保持一致，達(dá)到350 kN后立桿進(jìn)入屈服階段。圖11為ZJ-5的荷載-頂層水平位移曲線。由圖11可知，架體彎扭變形嚴(yán)重，x方向最大位移為20 mm（即向東偏移20 mm），y方向最大位移為21 mm（即向北偏移21 mm）。圖12為整架頂層水平變形情況。

圖10 立桿荷載-應(yīng)變曲線

圖11 荷載-頂層水平位移曲線

圖12 整架頂層水平變形示意

3 規(guī)范計算及對比分析

按照J(rèn)GJ 231—2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》給出的立桿穩(wěn)定性公式進(jìn)行相應(yīng)的計算和分析。

經(jīng)計算，傳統(tǒng)承插型盤扣式鋼管支架的單桿承載力為28.76 kN。試驗中每組支架各有12根受力桿件，故按照規(guī)范搭設(shè)的極限情況下的整架受力為345.60 kN。規(guī)范計算與試驗結(jié)果對比如表5所示。

表5 試驗結(jié)果與規(guī)范結(jié)果對比

4 結(jié)語

本文通過2組“螺絲盤＋水平支撐”體系架體的試驗研究，并對比規(guī)范計算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1）螺絲盤與絲桿連接緊固可靠，可保證在受力過程中不會產(chǎn)生相對滑移和明顯破壞；螺絲盤連接節(jié)點具有較高強度，可確保在實際工程應(yīng)用中不會先于構(gòu)件發(fā)生破壞。

2）絲桿露出段較長時，采用“螺絲盤＋橫向水平支撐”體系加固后，控制絲桿自由端為700 mm的情況下，試驗總體極限承載力達(dá)到351 kN，平均單桿承載力29.3 kN，超過現(xiàn)行規(guī)范要求的極限情況（絲桿自由端650 mm）下的荷載。

3）進(jìn)一步采用“螺絲盤＋橫向及斜向水平支撐”體系加固后，控制絲桿自由端為700 mm的情況下，試驗總承載力達(dá)到42.5 kN，相比僅采用“螺絲盤＋橫向水平支撐”體系的支架承載力有所提升。與焊接在立桿的連接盤相比，按照現(xiàn)行規(guī)范JGJ 130—2001《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》及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》，取安全系數(shù)k＝2.0時，徑向抗壓和抗拉承載力設(shè)計值分別為122.5 kN和28.6 kN，抗剪承載力設(shè)計值為93.2 kN，完全能夠滿足規(guī)范及施工要求。

4）采用“螺絲盤＋水平支撐”體系，旋轉(zhuǎn)連接盤與絲桿連接緊固，無相對滑移，可根據(jù)工程實際情況便捷地調(diào)整旋轉(zhuǎn)連接盤在絲桿上的位置，且滿足現(xiàn)行規(guī)范承載力要求，可以推廣使用。