高大模板工程扣件式鋼管腳手架穩(wěn)定性分析*

王金鑫，曾凡奎，邢國華，侯丹濤，范玉川

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021；2.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710061)

20世紀60年代初我國開始使用扣件式模板支撐體系，它是目前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一種腳手架體系，使用量在70 %以上。扣件式鋼管腳手架常作為懸挑式、外掛式等腳手架的主體，其安全技術(shù)規(guī)范相對完善，施工與設(shè)計人員熟悉其搭設(shè)過程，因而該腳手架被應(yīng)用時間較長[1]。近年來，扣件式鋼管腳手架安全事故頻發(fā)，究其原因是由于過高的使用率以及設(shè)計與施工人員對該體系的認識不足而造成的。腳手架因種類繁多，在建筑施工過程中安全事故頻繁發(fā)生，因而成為建筑施工的重點，國內(nèi)外學(xué)者就鋼管腳手架做了大量試驗研究和理論分析。文獻[2]通過足尺試驗獲得了5種不同工況下腳手架的穩(wěn)定承載力并繪制出架體頂層節(jié)點的荷載-位移曲線，得出了扣件式鋼管腳手架的力學(xué)性能以及架體的破壞模式。文獻[3]通過原型試驗與有限元分析，提出了一種立桿穩(wěn)定性計算的簡化方法，并給出了計算公式。文獻[4]在考慮節(jié)點半剛性和構(gòu)件幾何初始缺陷的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件建立了不同構(gòu)造的扣件式鋼管支架，提出了一種能夠直接量化旋轉(zhuǎn)與直角扣件節(jié)點半剛性的數(shù)值模型，該模型能切實應(yīng)用于工程計算。 文獻[5]提出了模板支架相關(guān)的設(shè)計細則，分析了支撐架產(chǎn)生安全隱患的原因，同時利用有限元軟件分析了剪刀撐對架體的影響，建立了能夠貼合工程實際且更為簡單的模型。文獻[6]采用ANSYS軟件對4種高承重扣件進行了有限元模擬，計算出模板支架的幾何非線性分析結(jié)果和特征值屈曲荷載，同時開展了足尺試驗，得出幾何非線性分析的極限承載力小于特征值屈曲荷載，與試驗數(shù)值較為接近。

扣件式鋼管腳手架的設(shè)計與施工并未引起廣大設(shè)計和施工人員的重視，其設(shè)計方法所考慮的邊界、物理等條件與施工現(xiàn)場差別較大[7]。施工現(xiàn)場中的人為干擾、荷載不確定等因素都能影響到腳手架的受力狀態(tài)，因此，通過高大模板扣件式鋼管腳手架現(xiàn)場監(jiān)測試驗，分析腳手架實際受力情況和理論計算結(jié)果的差異，得到扣件式鋼管腳手架在正常工作狀態(tài)下的受力特性,為扣件式高支模施工提供安全預(yù)警。

1 工程概況

工程為某高校雙創(chuàng)樓、教師實訓(xùn)基地及室外工程第3期建設(shè)項目，監(jiān)測區(qū)域位于雙創(chuàng)樓內(nèi)報告廳，工程采用扣件式鋼管滿堂腳手架支撐體系和插口式腳手架支撐體系，監(jiān)測部位為大梁跨中位置(如圖1所示)，高大模板工程扣件式鋼管腳手架搭設(shè)高度為7.8 m，梁底立桿采用48 mm×2.8 mm的鋼管，梁跨向間距600 mm，橫向間距200 mm；梁兩側(cè)立桿距梁側(cè)400 mm，跨度方向間距1 200 mm，橫向間距600 mm；縱向橫桿間距小于等于600 mm，步距小于等于1 500 mm，與各立桿扣件連接；橫向橫桿間距小于等于600 mm，步距小于等于1 500 mm，與各立桿扣件連接；在架體底部、頂部各設(shè)置一道水平剪刀撐；沿梁跨度方向垂直于梁設(shè)置三道豎向剪刀撐，平行于梁跨度方向在架體兩側(cè)各設(shè)置一道豎向剪刀撐。

本次監(jiān)測范圍位于報告廳大梁跨中及梁端部位，測試系統(tǒng)設(shè)置如圖1～2所示。

圖1 混搭支架示意圖

圖2 工程測試區(qū)域示意圖

測試部位選取典型復(fù)雜的腳手架受力部位，位于建筑的中部，高大模板支設(shè)剖面圖軸線-處大梁底跨中位置，如圖3所示。為達到實驗?zāi)康倪x擇架體關(guān)鍵性位置的立桿、橫桿和剪刀撐為研究對象。立桿選取高大模板支設(shè)剖面圖軸線-處大梁底部跨中位置的2根立桿和此梁左右兩側(cè)的2根立桿為研究對象，如圖4所示，大梁恰好位于第1級臺階的起始位置，臺階下側(cè)立桿為插扣式鋼管腳手架，臺階上側(cè)為扣件式鋼管腳手架，臺階上下兩側(cè)立桿頂端支撐模板。此外，另選取大梁端部1根立桿為研究對象。

圖3 高支監(jiān)測部位支設(shè)剖面圖

測試區(qū)域分為兩個區(qū)域，測區(qū)1為常規(guī)測區(qū)，是具有代表常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)形式的測區(qū)，位于建筑的中部，-軸中間位置處-軸與-軸所圍成的區(qū)域(包括立桿L1、L2、L3、L4、L5、L6),測區(qū)2為梁端處靠近柱子內(nèi)側(cè)中間位置(包括立桿L7)，為受力復(fù)雜區(qū)，本次監(jiān)測范圍為報告廳大梁跨中及梁端部位，監(jiān)測范圍平面圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測范圍平面圖

在立桿上由上至下分別設(shè)置3個監(jiān)測點如圖5～6所示(L11表示1號立桿第1個應(yīng)變片，依次類推)；測區(qū)1、2橫桿測點布置如圖7～8所示(XH1表示小橫桿第1個應(yīng)變片，DH1表示大橫桿第1個應(yīng)變片，依此類推)；在測區(qū)1選1對剪刀撐進行監(jiān)測，剪刀撐的測點布置詳圖如圖9所示(J1表示剪刀撐第1個應(yīng)變片，依次類推)。

圖5 測區(qū)1內(nèi)立桿測點布置

圖6 測區(qū)2內(nèi)立桿測點布置

圖7 測區(qū)1內(nèi)橫桿測點布置

圖8 測區(qū)2內(nèi)橫桿測點布置

圖9 測區(qū)1內(nèi)剪刀撐測點布置

水平桿選取具有代表性的橫桿，位于大梁跨中架體最上層橫桿，所選橫桿與立桿通過扣件相連，另外，選取梁跨端與立桿相連的2根橫桿為研究對象。剪刀撐選取位于大梁跨中附近具有代表性的斜撐。

各個桿件的監(jiān)測均采用BX120-5AA型電阻應(yīng)變片和u-T7116z型無線高速靜態(tài)應(yīng)變儀(武漢優(yōu)泰電子技術(shù)有限公司生產(chǎn))采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測現(xiàn)場應(yīng)變片的布置如圖10所示。

圖10 監(jiān)測現(xiàn)場布置圖

2 結(jié)果及分析

監(jiān)測過程包括從混凝土開始澆筑直至混凝土完全凝固，各桿件應(yīng)力曲線如圖11～21所示。

圖11 立桿1全過程應(yīng)力圖

圖12 立桿2全過程應(yīng)力圖

圖13 立桿3全過程應(yīng)力圖

圖14 立桿4全過程應(yīng)力圖

圖15 立桿5全過程應(yīng)力圖

圖16 立桿6全過程應(yīng)力圖

圖17 立桿7全過程應(yīng)力圖

圖18 剪刀撐全過程應(yīng)力圖

圖19 橫桿DH1、DH2、DH3全過程應(yīng)力圖

圖20 橫桿XH1、XH2、XH3全過程應(yīng)力圖

圖21 橫桿XH4、XH5全過程應(yīng)力圖

對監(jiān)測數(shù)據(jù)在處理過程中作出以下基本假定：鋼管為彈塑性材料，鋼管在受壓過程中始終未進入塑性階段，鋼管的彈性模量為2.06×105MPa，鋼管均承受軸向力。

2.1 混凝土澆筑前各個桿件受力情況力分析

2.1.1 立桿受力分析

未澆筑混凝土前監(jiān)測時長為14 h。常規(guī)測區(qū)立桿L1、L2、L3、L4、L5、L6位于大梁底部跨中位置，隨著時間的增長，立桿上端測點的壓應(yīng)力持續(xù)增大至開始澆筑混凝土，應(yīng)力曲線近似呈直線分布，根據(jù)監(jiān)測記錄分析原因，是由于在混凝土澆筑前，有個別施工人員對鋼管和模板進行再加固，使得鋼管產(chǎn)生微小的應(yīng)變，微應(yīng)變的產(chǎn)生從工人進入架體開始，而施工人員數(shù)量的增加也導(dǎo)致壓應(yīng)力不斷增大。立桿中間位置測點的應(yīng)力隨時間的增大，壓應(yīng)力先增大后減小然后持續(xù)增大，曲線近似呈拋物線分布，其原因是由于施工人員在加固過程中上下架體，使得壓應(yīng)力出現(xiàn)微小的減小變化，隨著澆筑混凝土節(jié)點時間的臨近，施工檢查人員再次進入架體，壓應(yīng)力出現(xiàn)持續(xù)增大的變化。立桿下端測點應(yīng)力隨時間的增大壓應(yīng)力也呈持續(xù)增大趨勢，應(yīng)力曲線近似呈直線分布，與立桿上端應(yīng)力變化相似。梁端部受力復(fù)雜區(qū)立桿L7上端測點的應(yīng)力隨著時間的增大而產(chǎn)生壓應(yīng)力，應(yīng)力曲線最初呈上下波動狀態(tài)，隨著進一步監(jiān)測，壓應(yīng)力持續(xù)增大。桿件中部與下端位置壓應(yīng)力均持續(xù)增大，壓應(yīng)力沿大梁跨中傳遞至梁兩端，施工人員位置的不確定性造成了壓應(yīng)力的波動。

2.1.2 橫桿受力分析

常規(guī)測區(qū)中，對橫桿DH1、DH2、DH3均沿著大梁方向進行測點布置，應(yīng)力曲線近似呈斜率較小的直線分布，一部分原因是由于施工人員作業(yè)時意外觸碰桿件導(dǎo)致的，另一部分原因是由立桿傳遞至大橫桿的微小壓應(yīng)力造成的。橫桿XH1、XH2、XH3測點主要沿垂直于大梁方向布置，其應(yīng)力曲線近似呈斜率更小的直線分布，壓應(yīng)力來自于橫桿DH的傳遞和上部施工人員加固模板產(chǎn)生的微小壓應(yīng)力。梁端部受力復(fù)雜區(qū)XH4、XH5的應(yīng)力來自L7的傳遞。

2.1.3 剪刀撐受力分析

剪刀撐位于大梁跨中附近的斜向支撐，測點J1、J2、J3均產(chǎn)生壓應(yīng)力，壓應(yīng)力開始不斷增大，后呈上下波動狀態(tài)，應(yīng)力變化主要受立桿和施工人員影響。

2.2 混凝土澆筑過程中各個桿件受力情況分析

采用泵送工藝進行混凝土澆筑，澆筑時長為8 h，混凝土澆筑速率25 m3·h-1，采用先澆筑柱后澆筑梁，由東向西再自西向東，分2次澆筑的方式，整個澆筑過程用振搗棒持續(xù)的振搗，直至混凝土完全密實。

2.2.1 立桿受力分析

此階段常規(guī)測區(qū)立桿L1、L2、L3、L4、L5、L6由于所處大梁跨中位置且整個高支模架體南北兩側(cè)均有建筑物，故不考慮風(fēng)荷載的影響，立桿主要受立柱混凝土澆筑的影響較為明顯，且均經(jīng)歷壓應(yīng)力增大和拉應(yīng)力增大階段，應(yīng)力曲線波動幅度比較大，隨著梁柱澆筑完畢，立桿應(yīng)力逐漸趨于壓應(yīng)力緩慢增大且保持平穩(wěn)的階段，且立桿上下兩端軸力差別較大，是由于混凝土澆筑路徑的選擇和輸送混凝土?xí)r泵管的水平?jīng)_擊力誘發(fā)了水平荷載，使得立桿上下兩端軸力差別較大。梁端部受力復(fù)雜區(qū)立桿L7在混凝土剛開始澆筑階段，上端、中部和下端都受到了短暫的拉應(yīng)力，上端拉應(yīng)力變化幅度較為明顯，主要由于開始澆筑混凝土階段造成立桿內(nèi)力分配不均勻，隨著施工的進行，各立桿進行內(nèi)力重分配，立桿受力狀態(tài)趨于穩(wěn)定且均受壓應(yīng)力的作用，立桿L7下端拉應(yīng)力變化幅度較為明顯，是由于先澆筑柱和泵送工藝對立桿的沖擊造成的。

2.2.2 橫桿受力分析

橫桿DH1、DH2、DH3相比于橫桿XH1、XH2、XH3受到的約束更多，在施工階段應(yīng)力波動較為明顯，充分發(fā)揮了其作為縱向約束的作用，澆筑開始，先是拉應(yīng)力不斷增大隨后變?yōu)閴簯?yīng)力，壓應(yīng)力波動幅度較為明顯，主要是由于來自立桿傳遞的壓應(yīng)力和混凝土澆筑時誘發(fā)的水平荷載導(dǎo)致的。橫桿XH作為架體的一種聯(lián)系桿件，也經(jīng)歷了由拉應(yīng)力向壓應(yīng)力變化的復(fù)雜過程，XH1、XH2、XH3應(yīng)力變化幅度也較為明顯。梁端部受力復(fù)雜區(qū)橫桿XH4、XH5應(yīng)力變化幅度更為明顯，主要是由于混凝土對立桿的沖擊造成的。

2.2.3 剪刀撐受力分析

根據(jù)剪刀撐應(yīng)力曲線，可知剪刀撐受力情況更為復(fù)雜，也出現(xiàn)了拉應(yīng)力向壓應(yīng)力變化的過程，其上端、中部、下端受力差別較為明顯，原因可能來自立桿的傳遞和荷載的沖擊，剪刀撐起著協(xié)調(diào)架體的作用，在一定程度上說明了剪刀撐的重要性。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》(JGJ 130—2011)對剪刀撐斜撐的設(shè)置進行了規(guī)定但并未對剪刀撐進行穩(wěn)定性計算，因此，建議規(guī)范中增加對扣件式鋼管腳手架剪刀撐穩(wěn)定性的計算。

2.3 混凝土凝固階段高支模受力情況力分析

根據(jù)應(yīng)力變化曲線可知，在混凝土澆筑完畢一段時間內(nèi)，各個桿件的壓應(yīng)力逐漸增大，對于立桿，壓應(yīng)力變化較為明顯；橫桿DH各個測點變化趨于一致，橫桿XH底端壓應(yīng)力變化幅度較大，與上端和中部壓應(yīng)力呈顯著差別；梁端復(fù)雜受力區(qū)橫桿XH各測點壓應(yīng)力趨于一致；剪刀撐底端壓應(yīng)力最大且應(yīng)力變化復(fù)雜?；炷翚v時7 d凝固與模板脫節(jié)，期間高支模體系的應(yīng)力主要受天氣與人工養(yǎng)護的影響。

2.4 各桿最大應(yīng)力對比分析

通過整理試驗數(shù)據(jù)，找出各個桿件在試驗過程中的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力，并與理論計算值進行對比，見表1。

結(jié)合表1可知，立桿L1、L3、L4、L5、L6、L7實測最大壓應(yīng)力均大于應(yīng)力計算值，僅立桿L2最大壓應(yīng)力小于應(yīng)力計算值，且相差不大，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)這與立桿所處位置及搭設(shè)高度有關(guān)，可見對于高支模體系，相對于橫桿，立桿承受了更大一部分荷載；相比復(fù)雜受力區(qū)立桿L7所承受的壓應(yīng)力，大梁跨中立桿承受的壓應(yīng)力更大，結(jié)構(gòu)中部的立桿趨于更穩(wěn)定狀態(tài)；立桿L3中部和立桿L4下端都出現(xiàn)了整個桿件的應(yīng)力最大值，這說明立桿出現(xiàn)應(yīng)力最大值的位置是不定的，立桿的受力具有不確定性，最大值多處于立桿頂端，可見在本試驗中立桿頂端為最危險點，因此，在進行扣件式鋼管腳手架搭設(shè)時應(yīng)注意梁底定位桿的確定以及立桿端部與模板的支撐固定。

表1 各桿應(yīng)力實測值與計算值對比

此外，立桿各個測點的受力差別較大，現(xiàn)行規(guī)范是按照區(qū)域荷載法計算立桿軸力的，而實際立桿軸力并不是按高度均勻分配，所以規(guī)范中將模板支架的立桿穩(wěn)定問題簡化成為1個步距的壓桿穩(wěn)定計算是值得商榷的。

橫桿DH1和DH2的最大壓應(yīng)力均大于應(yīng)力計算值，說明橫桿DH在實際工作狀態(tài)下也呈受相當一部分荷載，結(jié)合橫桿DH所處的位置，可以發(fā)現(xiàn)大梁跨中的橫桿受力狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。從橫桿XH2、XH3、XH4、XH5的最大壓應(yīng)力均大于應(yīng)力計算值，可以看出橫桿XH最大壓應(yīng)力普遍大于應(yīng)力計算值，橫桿XH作為約束桿件，受力較為合理。剪刀撐上部所受拉、壓應(yīng)力相比中部與下端數(shù)值更大，可見在本試驗中剪刀撐的危險點出現(xiàn)在上端，剪刀撐承受的拉壓應(yīng)力變化與規(guī)范中相差較大，其受力復(fù)雜。

3 結(jié) 論

針對扣件式高支模體系現(xiàn)場實測研究比較匱乏的問題，本文通過對某高大模板工程扣件式鋼管腳手架進行現(xiàn)場實測，研究該體系在混凝土澆筑前后以及澆筑過程中各立桿、橫桿和剪刀撐的受力特性和變化規(guī)律，為扣件式高支模體系的施工提供安全預(yù)警以及為后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)，通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：

1) 混凝土澆筑階段大梁跨中立桿承受的壓應(yīng)力較大，立桿應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置是不定的，主要在上端存在危險點，梁端部受力復(fù)雜區(qū)立桿在混凝土澆筑階段，桿件各個測點都受到了短暫的拉應(yīng)力，上端拉應(yīng)力變化幅度較為明顯。

2) 混凝土澆筑路徑的選擇會誘發(fā)水平荷載，使得立桿上下兩端軸力差別較大，實際工作狀態(tài)下立桿軸力不是按高度均勻分配的，規(guī)范中將模板支架立桿的穩(wěn)定問題簡化成為1個步距的壓桿穩(wěn)定計算是值得商榷的。

3) 橫桿在實際工作狀態(tài)下也承受相當一部分荷載，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)大梁跨中的橫桿受力狀態(tài)比較穩(wěn)定；垂直于大梁跨中的橫桿作為約束桿件，受力較為合理；剪刀撐危險點出現(xiàn)在上端，應(yīng)力變化與規(guī)范相差較大，建議規(guī)范中增加對扣件式模板支架剪刀撐穩(wěn)定性的計算。

4) 泵送工藝澆筑混凝土?xí)r對高大模板支撐體系有較大的沖擊力，對扣件式高支模體系穩(wěn)定性影響顯著，施工過程中應(yīng)予重視。由于本次試驗條件的限制，得出的數(shù)據(jù)不盡完善，因此，試驗結(jié)果不足以完全反應(yīng)出影響扣件式高支模體系穩(wěn)定性的各個因素。