不同鋼管腳手架構件力學性能差異性試驗研究

楊興宇，黃得楊，張海輝，段瑞斌

（1、廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司 廣州 510500；2、廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著建筑業(yè)發(fā)展進程的推進，我國大量現代化大型建筑體系的出現，傳統(tǒng)扣件式鋼管腳手架已經無法滿足建筑施工發(fā)展的需要，新型腳手架的推廣和應用成為當務之急。1994 年“新型模板和腳手架應用技術”項目被建設部選定為建筑業(yè)重點推廣應用的新技術，自此，新型腳手架進入飛速發(fā)展的階段，各種新型腳手架或引進或開發(fā)，都逐漸進入建筑市場展開角逐。承插型盤扣式鋼管支架為德國于20世紀80年代所發(fā)明，后被引入國內，近幾年成為國內包括上海、溫州、蘇州、嘉興、廣州等多地強制或推廣的新型腳手架，發(fā)展迅猛。而輪扣式腳手架為由承插型盤扣式剛支架簡化衍生的一種架體［1］，節(jié)點形式與承插型盤扣式腳手架相似，均為半剛性節(jié)點承插式連接，繼承了承插型盤扣式鋼管支架自鎖、安拆方便等優(yōu)點，且型式更加簡易。輪扣式鋼管腳手架作為我國第一個擁有完整新型鋼管腳手架自主產權的產品，在2005年被列入了《建筑產品選用技術推廣應用產品》，現已逐漸取代碗扣式、門式鋼管腳手架等，成為主流應用腳手架之一。在《建筑施工承插型輪扣式模板支架安全技術規(guī)程：T/CCIAT 0003—2019》［2］總則中，明確輪扣式腳手架可用于房屋建筑工程及市政工程等場景，而在《承插型盤扣式鋼管支架構件：JG/T 503—2016》［3］中，規(guī)定承插型盤扣式鋼管支架也同樣適用于以上場景。二者的構件力學性能有何差異？厘清個中差異，對今后設計施工選用及推廣新型腳手架，保障建筑施工安全具有一定意義?，F有文獻中，對于承插型盤扣式鋼管支架與輪扣式鋼管腳手架的分析大多圍繞施工周期及造價［4-5］，或是整體結構的理論分析［6-7］，鮮有對比二者主要承力構件進行力學性能試驗分析與研究。基于此，本文著眼于結構單元節(jié)點，通過對相關標準與試驗，對承插型盤扣式鋼管支架（以下簡稱盤扣）與輪扣式鋼管腳手架（以下簡稱輪扣）構件力學性能進行了分析研究。

本文從以下兩個方面進行分析研究。

1 材質分析

對比各相關標準中的材料材質要求，盤扣與輪扣的主要構配件材質與規(guī)格如表1所示。

從表1 中可以看出，盤扣在立桿、連接盤、可調托撐底座材質、連接盤厚度和可調底座托撐絲桿外徑以及防銹處理的要求上均高于《輪扣式鋼管腳手架安全技術規(guī)程：廣東省地方標準DB 44/T 1876—2016》［8］中輪扣的材質要求，立桿的橫截面積方面盤扣式也要求≥輪扣。顯而易見，理論單根立桿承載能力上盤扣要大于文獻［8］所規(guī)定的輪扣的單根立桿承載能力，且盤扣會有相對更為優(yōu)秀的耐腐蝕性能。而文獻［2］的主要構配件材質規(guī)格要求相較文獻［8］在立桿、水平桿、連接盤、扣接頭材質等要求上均有著相當程度上的提高，在水平桿材質規(guī)格、連接盤、可調托撐底座材質厚度等方面在要求上均高于盤扣。

表1 輪扣式鋼管腳手架與承插型盤扣式鋼管支架主要構配件材質對比Tab.1 Material Comparison of Main Components and Accessories between Disk Lock Steel Tubular and Wheel-buckled Tubular

2 構件力學性能試驗

如圖1、圖2 所示，盤扣與輪扣的結構形式相近，均為承插式的半剛性節(jié)點連接。依照標準的試驗方法，從單元構件試驗對二者進行對比剖析，是對性能差異性最直觀且可行的方法之一。

圖1 承插型盤扣式鋼管支架節(jié)點Fig.1 Joint of Disk Lock Steel Tubular

圖2 輪扣式鋼管腳手架節(jié)點Fig.2 Joint of Wheel-buckled Tubular

2.1 技術要求對比分析

通過對標準中構件力學性能參數的試驗方法與技術要求的解讀［10］，為便于理解，引入《建筑施工腳手架安全技術統(tǒng)一標準：GB 51210—2016》［11］中的構件力學性能參數作為比照參考。

無試驗形式相近對照試驗的情況在此不作討論。標準中構件力學性能參數的評定要求中均包含“試件各部位不應破壞”，故各項參數實際包含對構件節(jié)點綜合力學性能的評定。由表2 可見，盤扣的構件力學性能參數試驗中，各類型盤扣的連接盤內側環(huán)焊縫抗剪強度、連接盤雙側抗剪強度、可調托撐和可調底座抗壓強度、連接盤抗拉強度的技術要求，均較輪扣構件相似的力學性能方法試驗要求持平或更高。

表2 輪扣式鋼管腳手架與承插型盤扣式鋼管支架構件力學性能技術要求對比Tab.2 Technical Requirements Comparison of Mechanical Properties between Disk Lock Steel Tubular and Wheel-buckled Tubular

2.2 試驗結果對比分析

通過對某第三方檢測機構的輪扣與標準型、重型盤扣委托檢測數據隨機抽取各8 組總計88 套立桿節(jié)點64 套水平桿48 個支座樣本，依據標準對其構件力學性能參數進行綜合對比與分析。其結果如表3所示。

表3 構件力學性能試驗結果對比Tab3. Comparison Results of Component Mechanical Property Test

值得注意的是，從外表觀察，輪扣樣品部分存在掉漆嚴重或銹蝕明顯的情況，還大量存在部分構配件尺寸規(guī)格不符合文獻［2-3］要求的情況，而盤扣樣品則較少出現此類情況。

2.2.1 節(jié)點焊縫受剪承載力

如圖3所示，輪扣的8組節(jié)點焊縫受剪承載力試驗結果中，有2組總計5個試樣破壞荷載未達到60 kN，試驗出現最小破壞荷載為44.25 kN，破壞形式主要為焊縫開裂。試驗方法類似的標準型與重型盤扣連接盤內側環(huán)焊縫抗剪強度各8 組結果均符合文獻［2-3］要求。其中標準型破壞荷載均超過80 kN，最小破壞荷載為198.23 kN；重型破壞荷載均超過120 kN，最小破壞荷載為257.42 kN，其平均破壞荷載均明顯高于輪扣，破壞形式主要為立桿鋼管開裂變形。

圖3 不同種類構件節(jié)點焊縫受剪承載力Fig.3 Comparison of Shear Capacity of Joint Welds

2.2.2 節(jié)點受壓及雙側抗剪承載力

如圖4 所示，輪扣的8 組節(jié)點受壓承載力試驗結果中，有1 組總計2 個試樣破壞荷載未達到30 kN，試驗出現最小破壞荷載為23.12 kN，破壞形式主要為輪扣盤與立桿鋼管焊縫開裂、水平桿端接頭焊縫開裂。試驗方法類似的標準型與重型盤扣連接盤雙側抗剪強度各8 組結果均符合標準要求。其中標準型破壞荷載均超過14 kN，最小破壞荷載為40.02 kN，重型破壞荷載均超過21 kN，最小破壞荷載為45.17 kN，其平均破壞荷載均明顯高于輪扣，破壞形式主要為連接盤斷裂或明顯變形。

圖4 不同種類構件節(jié)點受壓承載力/雙側抗剪承載力Fig.4 Comparison of Joint Compression Bear?ing Capacity / Bilateral Shear Bearing Capacity

2.2.3 可調支座抗壓承載力

因可調托撐與可調底座結構形式與試驗方法均一致，故不單列討論。如圖5、圖6 所示，輪扣的各8 組可調底座受壓承載力與可調托撐的受壓承載力試驗結果中，有1組總計1個試樣破壞荷載未達到100 kN，試驗出現最小破壞荷載為95.45 kN，破壞形式主要為螺桿明顯變形、調節(jié)螺母破裂。試驗方法類似的標準型與重型盤扣的可調底座抗壓強度與可調托撐抗壓強度各8組結果均符合標準要求。其中標準破壞荷載均超過100 kN，最小破壞荷載為215.8 kN；重型破壞荷載均超140 kN，最小破壞荷載為300.52 kN。從試驗結果反映出重型可調底座托撐抗壓承載力明顯高于標準型，且其平均破壞荷載均明顯高于輪扣，破壞形式主要為螺桿明顯變形、調節(jié)螺母破裂。

圖5 不同種類構件可調托撐抗壓承載力Fig.5 Comparison of Compressive Bearing Capacity of Adjustable Brace

圖6 不同種類構件可調底座抗壓承載力Fig.6 Comparison of Compressive Bearing Capacity of Adjustable Base

2.2.4 節(jié)點抗拉承載力

如圖7 所示，輪扣的8 組節(jié)點受拉承載力試驗結果均符合標準要求，破壞荷載均超過25 kN，試驗出現最小破壞荷載為65.36 kN，破壞形式主要為水平桿端接頭焊縫開裂。試驗方法類似的標準型與重型盤扣連接盤抗拉強度各8 組結果均符合標準要求，標準型與重型構件的破壞荷載均超過25 kN，標準型最小破壞荷載為41.56 kN，重型最小破壞荷載為42.17 kN。從試驗結果反映出標準型與重型盤扣構件連接盤抗拉承載力無明顯差異，且平均破壞荷載明顯低于輪扣，破壞形式主要為連接盤與插銷扣鎖部位斷裂、水平桿桿端扣接頭破斷。

圖7 節(jié)點抗拉承載力對比Fig.7 Comparison of Tensile Bearing Capacity of Joints

2.2.5 結果分析總結

⑴除節(jié)點抗拉性能以外，試驗結果呈現出明顯特點：盤扣構件主要力學性能參數均在一定程度上優(yōu)于輪扣，且重型盤扣力學性能參數普遍優(yōu)于普通型盤扣，即重型盤扣構件的單根承載力＞標準型盤扣構件單根承載力＞輪扣構件單根承載力；

⑵輪扣的單根抗承載力短板主要體現在焊縫強度上，究其原是預留橫桿桿端扣接頭連接空間，致其焊接位較少，采取的多為點焊。與之相對的盤扣構件連接盤則采用滿焊工藝，在所檢樣本各抗壓性能試驗中未出現連接盤焊縫開裂現象；

⑶試驗結果顯示，輪扣的抗拉承載能力顯著優(yōu)于盤扣構件，且標準型盤扣構件與重型盤扣構件的抗拉承載力差別不顯著。

3 結語

雖然盤扣與其簡化衍生的輪扣在結構與連接形式上有一定的相似性，但通過構件力學性能試驗揭示了二者構件單元承載能力存在一定差異。其中單元抗壓承載能力方面，盤扣構件要普遍優(yōu)于輪扣構件；而單元抗拉承載能力方面輪扣則優(yōu)于盤扣。

在現代化大型建筑體系快速發(fā)展，對建筑施工模板支撐體系的研究是一項迫切和重要的工作。厘清承插型盤扣式鋼管支架與輪扣式鋼管腳手架的差異性，對工程施工現場有針對性地選取相應種類的腳手架構件，對新型腳手架的推廣、發(fā)展應用，完善和保障施工安全提供了理論支持與技術參考。