承插型盤扣式腳手架節(jié)點自鎖性能改進問題探討

李玉賓

(貴州逢源恒通工程項目管理咨詢有限公司，貴州 貴陽 550001)

0 引 言

長期以來，盤扣式腳手架結構設計計算大多以經驗為主，隨著高大建筑的出現(xiàn)，腳手架搭設的高度大大增加，若僅憑經驗判斷則無法保證其結構的可靠性。盤扣式腳手架屬于附著式結構，其結構及性能的穩(wěn)定性直接關系著所附著建筑的穩(wěn)定，同時又受到施工結構體系的較大影響。在施工過程中，盤扣式腳手架受力較為復雜，導致其節(jié)點在所負荷載的作用下容易松動，進而引發(fā)腳手架體系局部甚至全局失穩(wěn)。本文在分析承插型盤扣式腳手架節(jié)點自鎖性能及自鎖條件的基礎上，進行了自鎖性能良好的雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結構的設計與分析，可為承插型盤扣式腳手架在工程建筑領域的更好應用提供借鑒參考。

1 工程概況

某商業(yè)+高層住宅樓為框架剪力墻結構，單體工程存在較多凸窗設計，受力結構復雜，導致其架體節(jié)點處理存在較大難度。所以，本分項工程應以細部構造處理為控制重點；建筑結構外形不規(guī)則，有較多陰陽角設計，懸挑主梁也存在較大設置難度。該商業(yè)+高層住宅樓結構建筑安全等級為二級，設計使用年限為50年，建筑抗震設防類別為丙類。腳手架是高層住宅樓建筑施工用臨時性結構，其主要承受施工過程中各項垂直和水平荷載，故腳手架必須有足夠的承載能力、剛度及穩(wěn)定性，其節(jié)點必須連接穩(wěn)固，在各種荷載綜合作用下不至于失穩(wěn)倒塌，以及發(fā)生超過允許要求的變形、傾斜搖晃及扭曲，以保證結構安全。

2 承插型盤扣式腳手架節(jié)點改進設計

在進行承插型盤扣式腳手架搭設時必須將橫桿端扣接頭卡進承插盤內，并將插銷楔進橫桿和承插盤內的插孔，再將插銷敲緊。節(jié)點主要借助插銷和橫桿接頭的接觸進行作用力的傳遞[1]，所以節(jié)點連接的穩(wěn)固性主要受插銷楔緊程度和自鎖性能的影響。

2.1 節(jié)點自鎖性能分析

根據盤扣式腳手架受力模型，只有當其節(jié)點插銷斜面的接觸摩擦系數比插銷和橫桿端扣接頭處的摩擦系數大時，腳手架節(jié)點才能在各種載荷條件下具備良好的自鎖性能[2]。由于單圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點處插銷斜面和端扣接頭處的當量摩擦系數相同，當插銷斜面的驅動力超出斜面摩擦力時便會引發(fā)插銷的滑動，進而打破節(jié)點自鎖平衡，導致腳手架結構局部甚至整體失穩(wěn)。

2.2 雙圓盤腳手架節(jié)點設計

當驅動力增加至一定限度，作用于插銷斜面的摩擦力達到最大水平，引發(fā)插銷向上滑動，節(jié)點失去自鎖功能，而承插盤和插銷接觸面當量摩擦系數的增大能使支架節(jié)點自鎖性能提升。傳統(tǒng)的承插型盤扣式腳手架通過調整接觸面形式以使其當量摩擦系數增大的做法會因插銷楔緊阻力的增大而不利于插銷敲緊和裝配。為保證支架節(jié)點具備良好的自鎖性能，本文提出雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結構。此節(jié)點結構主要通過增設承插盤，并將橫桿端扣接頭調整為鋼板折彎件而發(fā)揮作用。

該節(jié)點結構主要包括橫桿、立桿、插銷、圓盤等部件，其承插盤主要為上下兩個圓盤，上承插圓盤與單圓盤節(jié)點承插盤相同，而為增加當量摩擦系數，下承插圓盤則為V字形插銷槽設計。在交變彎矩的作用下，雙圓盤承插型腳手架節(jié)點處插銷因受到端口接頭的擠壓而與下承插圓盤V字形插銷槽接觸面當量摩擦系數增大，自鎖性能增強，對于較大沖擊振動荷載的施工情形較為適用。

3 節(jié)點力學性能分析

橫桿傳遞的彎矩會進一步作用于腳手架節(jié)點結構，采用ANSYS軟件[3]進行雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點與單圓盤支架節(jié)點同在彎矩作用下承載性能對比分析，便可得出兩種支架形式受彎矩作用后半剛性特性、力學性能及構件內部應力應變的變動情況。

3.1 節(jié)點有限元模型

按照實際腳手架節(jié)點尺寸進行有限元模型創(chuàng)建，立桿上下端均采用規(guī)定約束形式，而承插盤和橫桿則通過插銷連接，在進行腳手架節(jié)點抗彎數值模擬時，應結合彎矩情況進行接觸對設置。單圓盤和雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結構及彎矩作用下的抗彎模型如圖1、圖2所示。

圖1 單圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結構及抗彎模型(單位：m)

圖2 雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結構及抗彎模型(單位：m)

荷載F作用于橫桿左端后節(jié)點同時承受彎矩作用，荷載F與橫桿長度乘積即為彎矩大小。為分析支架節(jié)點結構受力變形情況，采用ANSYS軟件進行載荷力從1 kN增至10 kN過程的模擬分析。根據分析結果，節(jié)點結構應力隨載荷力的增加而穩(wěn)定增大，并能得出各級載荷作用下單圓盤節(jié)點和雙圓盤節(jié)點應力云圖[4]。當雙圓盤節(jié)點載荷應力增大至7 kN時，橫桿開始出現(xiàn)應力屈服部位和塑性變形區(qū)域，而其余構件因應力值較小而無應力屈服表現(xiàn)。根據節(jié)點結構彎矩和所對應轉角之間的關系繪制節(jié)點剛度M-θr曲線，節(jié)點彎矩可根據橫桿荷載和橫桿尾端至立桿中心線距離之乘積求得，所對應轉角則通過橫桿末端邊緣位移值求取[5]，具體公式如下：

式中：θr為節(jié)點結構彎矩所對應轉角，rad；δ為橫桿末端邊緣位移值，m；L為橫桿末端至立桿中心線的距離，m。正反向彎矩作用下的腳手架節(jié)點結構彎矩所對應轉角取值詳見表1和表2。

表1 正向彎矩作用下腳手架節(jié)點結構彎矩所對應轉角

表2 反向彎矩作用下腳手架節(jié)點結構彎矩所對應轉角

將兩測點間曲線視為直線后，可進行正向彎矩作用下單圓盤和雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結構轉動剛度的估算，其轉動剛度分別在38.5～50 (kN·m)/rad以及 45～75 (kN·m)/rad，可見自鎖性能改進后的雙圓盤節(jié)點結構剛度明顯優(yōu)于單圓盤結構。而在反向彎矩作用下，單圓盤和雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結構轉動剛度分別為30～50 (kN·m)/rad以及50～60 (kN·m)/rad。

3.2 節(jié)點抗彎實驗

為進行雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點抗彎剛度及剛性特征的分析，通過微機控制電子式萬能試驗機進行節(jié)點抗彎實驗[6]，且施加的荷載力及所產生的位移由試驗機自動提取。當所施加的荷載力持續(xù)增大，雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點橫桿端扣接處先出現(xiàn)塑性變形，而后承插盤也表現(xiàn)出塑性變形，且當荷載力達20 kN后節(jié)點出現(xiàn)屈服。

根據腳手架節(jié)點抗彎實驗結果，在加載開始后，因構件之間初始間隙的存在，腳手架節(jié)點轉角實驗值大于數值分析結果，而當節(jié)點材料發(fā)生屈服后，材料塑性變形得到強化，導致轉動剛度實驗值超出數值分析結果，最終使實驗結果和數值分析結果呈同趨勢變動。在正向和反向彎矩作用下，雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點轉動剛度實驗值分別為71 (kN·m)/rad及60～75 (kN·m)/rad。

4 結束語

綜上所述，腳手架節(jié)點自鎖性能主要與連接構件接觸面當量摩擦系數有關，以這種關系為基礎構建節(jié)點受力模型并進行腳手架節(jié)點結構優(yōu)化。通過分析發(fā)現(xiàn)，雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點自鎖性能優(yōu)良，并能避免在交變荷載影響下發(fā)生松動，穩(wěn)固性較好，且具有比單圓盤節(jié)點更好的承載性能，其節(jié)點轉動剛度也比單圓盤腳手架節(jié)點高，數值分析顯示的誤差也較小，說明有限元數值模擬分析能進行腳手架節(jié)點轉動剛度的精確計算。