高強工具式腳手架配套構(gòu)配件研究與應(yīng)用述評

于海祥，劉源

（1 重慶建工集團股份有限公司設(shè)計研究院，重慶 400080；2 云南大力神金屬構(gòu)件有限公司，云南昆明 650032）

1 我國使用高強工具式腳手架的現(xiàn)狀

目前，從全世界建筑施工腳手架的應(yīng)用情況來看，高強度鋼材立桿、模數(shù)化桿件、配套化、工具式構(gòu)配件是腳手架發(fā)展的必然選擇，這既是建筑施工安全的要求，也是減少施工臨時設(shè)施用材、提高現(xiàn)場文明化程度的不二選擇。從目前我國使用碗扣、盤扣、輪扣、蟹扣式（安德固）、鍵槽式、插扣式等類型的工具式腳手架的情況來看，主要存在如下問題：大部分腳手架除了架體必要的立桿、水平桿、底座、可調(diào)頂托外，幾乎再無其他專用的配件，甚至連必要的專用斜桿都不再配備（盤扣式、大力神DURALOK、安德固蟹扣式配備有專用斜桿，其余類型架體很少配備斜桿）；或者現(xiàn)場過多依賴普通鋼管扣件進行輔助組架，現(xiàn)場搭設(shè)隨意，架體傳力不明確，結(jié)構(gòu)存在薄弱環(huán)節(jié)，這就造成了新型架體的高承載力不能充分發(fā)揮。很多企業(yè)無專用的工具式主楞，簡單以工字鋼代替，或者采用雙鋼管，使得只能采用較小的立桿間距。這些問題嚴重影響了高強度、工具式、模塊化腳手架的推廣和使用。本文在國內(nèi)外現(xiàn)狀調(diào)研的基礎(chǔ)上，對高強工具式腳手架立桿多功能頂托（底座）與螺桿、支架頂部工具式主楞、桿件等強連接頭、多功能斜桿等配套構(gòu)配件的研發(fā)和應(yīng)用情況進行介紹。

2 多功能頂托（底座）與螺桿

在各類鋼管支撐體系中，作業(yè)層荷載如何從上部軸心傳至立桿是需要重點解決的問題，通常的做法是在立桿頂部設(shè)置帶絲牙及調(diào)節(jié)螺母的可調(diào)U形頂托，同樣，在立桿底部設(shè)置底座將立桿軸力可靠傳遞至地基也是架體設(shè)計的關(guān)鍵。但實際支模操作中會存在如下特殊情況：（1）由于頂部或底部高差或坡度的存在，使得局部桿件端部的自由懸臂長度過大；（2）上部荷載有大有小，單一的大U形托或單一的小U形頂托不能適用不同尺寸的分配主楞；（3）地面坡度較大時，水平固定底座板與傾斜地面匹配度差；（4）梁板結(jié)構(gòu)聯(lián)合支模時，梁側(cè)的板荷載向梁下立桿傳力困難，過多依賴二次小支架或雙橫梁托梁（盤扣架）。上述情況使得普通可調(diào)螺桿頂托（底座）無法適應(yīng)具體工程實際。支模架多功能頂托（底座）與螺桿在這種條件下應(yīng)運而生，國際及國內(nèi)各地都有一些創(chuàng)新研發(fā)，其中最具有代表性的是Scafom-rux Yunnan Hercules Steel Company（荷蘭Scafomrux公司下屬云南大力神金屬構(gòu)件有限公司）針對高強CUPLOK碗扣式鋼管支架進行的下述幾種頂、底托產(chǎn)品研發(fā)和工程實踐。

2.1 帶管頂托（底座）

為解決局部高差部位立桿頂部自由外伸長度超過標準上限或掃地桿離地間距過大問題，在普通絲桿頂托或底座靠近托板處設(shè)置φ48.3mm的短鋼管，短鋼管與頂托或底座焊接成整體，可整體拆卸，通過銷釘固定于螺桿絲桿上。由此，可利用扣件在此段鋼管上靈活設(shè)置縱橫向附加水平桿，形成頂部或底部附加步距，以減小頂、底部立桿自由長度，同時可拆卸的頂?shù)鬃逄嵘硕喙δ芙z桿的通用性（圖1）。在該創(chuàng)新改造中，可調(diào)托撐和可調(diào)底座統(tǒng)一采用相同規(guī)格的20#無縫鋼管可調(diào)螺桿，外徑φ38mm，一端不帶有絲牙，該端無論作為頂托還是底座，始終插入鋼管，長度不小于150mm（實際使用方式?jīng)Q定了該端部一定長度范圍內(nèi)無需設(shè)置絲牙）。

圖1 多功能可拆卸式可調(diào)螺桿

2.2 帶節(jié)點頂托

同上述加強原理，以高強碗扣架為例，立桿頂部可調(diào)托撐還可設(shè)置帶上下碗扣的專用頂托，用于立桿頂部自由外伸長度超過標準上限要求時，通過設(shè)置附加水平桿對螺桿頂部進行加強處理（圖2），對可調(diào)底座也可采用同樣的加強構(gòu)造措施。應(yīng)用中需注意，當(dāng)通過該帶管（或節(jié)點）絲桿設(shè)置附加水平桿時，架體的專用斜桿需延伸至該附加步距。對其他類型腳手架也可采取同樣的頂托絲桿附加活動節(jié)點的處理方法，如圖2d所示的鍵槽式腳手架的帶可調(diào)節(jié)點頂托絲桿。

2.3 雙向頂托

如圖1b、圖2b所示，在普通單一方向頂托的基礎(chǔ)上，將托座板兩個方向均設(shè)置為U形承托。其中一個方向凈空較大，適合大荷載或大立桿間距情況下較大主楞梁擱置；另一個方向凈空較小，適合小荷載或小立桿間距下較小主楞梁的擱置，實現(xiàn)“一托兩用”。

圖2 帶加強節(jié)點的專用可調(diào)托（座）及附加水平桿設(shè)置

2.4 旋轉(zhuǎn)底座（地托）

在地面坡度較大時，可在可調(diào)底座的螺桿與墊座板之間通過銷釘設(shè)置可旋轉(zhuǎn)地托，能有效適用各種坡度情況下的立桿布置，并確保立桿垂直度不受影響（圖3）。

圖3 旋轉(zhuǎn)地托

2.5 帶肩托多功能可調(diào)頂托

通過在立桿頂部設(shè)置下部插入立桿接長、上部插入小可調(diào)絲桿的過渡立桿的方式，可形成一種新型傳力頂托。此段立桿帶絲桿、帶節(jié)點（通過定型水平桿可與周圍立桿連接，保證架體整體性和穩(wěn)定性），在絲桿上設(shè)置可調(diào)位置的承托裝置（肩托），由此梁板結(jié)構(gòu)中主次梁的支模主楞便可以擱置在肩托上，從而將荷載軸心傳遞至立桿（圖4a）。此種做法可有效實現(xiàn)梁板共用立桿支模，有效避免了在梁模板的主楞上再次另起立桿設(shè)置小支架的弊端；同時由于肩托位置可調(diào)，因此擱置在肩托上的主楞可直接作為梁模板的主楞，主楞上直接設(shè)置次楞及模板，避免了在傳統(tǒng)雙槽托梁上再次設(shè)置可調(diào)托撐、主楞、次楞的復(fù)雜支模方式；最重要的是，該方法能夠解決不等高主次梁交接部位立桿的主楞設(shè)置，主次梁高差設(shè)定為次楞截面高度即可（圖4b、4c），當(dāng)交叉主次梁截面高度相差較大時，可設(shè)置上下兩個可調(diào)肩托，其高差設(shè)置為主次梁截面高差即可（圖4a）。

圖4 帶肩托多功能可調(diào)頂托

3 工具式主楞

高強度腳手架單立桿承載力較大，一般單桿承載力設(shè)計值可以達到35~70kN，由此帶來的問題是：較普通腳手架立桿間距明顯增大（鋼管扣件腳手架常用跨度為900mm，而φ48.3盤扣、高強碗扣架常用立桿間距是1.2~1.8m），這就使得支架頂托上的主楞計算跨度大大增加；采用普通的以木方或型鋼為主的主楞會遇到三個問題，其一是木方承載力不足，其二是型鋼自重過大，操作不便，第三是主楞連續(xù)接長不易實現(xiàn)。為此，應(yīng)用高強支撐架需采用高承載力、輕質(zhì)、易拼接式的工具式主楞，一般采用承載力較大的工字木梁（圖5）、專用鋁梁（圖6）、鋁木組合截面梁（圖7）、腹板開孔雙U型鋼梁（圖8）等。其中，腹板開孔雙U型鋼托梁采用螺栓連接接長，能有效適應(yīng)被支撐混凝土構(gòu)件底部折線（圖9）或曲線（圖10）造型，且腹板的開孔增多了主楞對接拼接時的可調(diào)拼接長度范圍。按現(xiàn)行行業(yè)標準《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》[1]（JGJ 166—2016）的規(guī)定，不論采用哪種工具式主楞，在單件主楞的端部均宜設(shè)置可調(diào)長度接頭，以實現(xiàn)主楞的連續(xù)接長，如無法設(shè)置接頭，則應(yīng)注意主楞的長度與腳手架桿件的模數(shù)化相協(xié)調(diào)，確保接頭位于頂托之上。

圖5 工字木梁

圖6 鋁梁

圖7 鋁木組合截面梁

圖8 雙U型鋼梁

圖9 雙U型鋼梁用于折線支模

圖10 雙U型鋼梁用于曲線支模

4 桿件等強接頭

隨著近年來工具式模數(shù)化腳手架的大量應(yīng)用，定尺的桿件類型較多，國際上一些大型腳手架企業(yè)發(fā)明了一種可實現(xiàn)短桿件通過專用接頭接長為長桿件的接頭，如兩個0.6m的水平桿接長為一根1.2m長的水平桿。其中又分為兩種方式：一種是碗扣架的水平桿通過碗扣式專用接頭將水平桿接長（圖11），鍛造水平桿插片可以實現(xiàn)水平桿間的等強度（抗剪、抗彎、抗拉）擴展連接，可以將短水平桿連接成長水平桿，大大提高了模數(shù)化定長桿件的利用率；另一種是英國Harsco INFRASTRUCTURE公司推出的等強接頭Tube-Lock扣件式鋼管腳手架體系所采用的承插旋緊式等強、等截面接頭（圖12）。Tube-Lock是一種新型的富有生命力的扣件式鋼管腳手架系統(tǒng)，不僅通過等截面、等強接頭提高了架體的應(yīng)用范圍與搭設(shè)靈活性，更重要的是在傳統(tǒng)扣件的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造了插扣式楔緊型扣件（圖13），大大提高了扣件節(jié)點的鎖緊程度，提升了節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度，增強了節(jié)點抗滑承載力，同時其也是各類模塊化支架的必要補充，幾乎很難找到不用鋼管扣件的項目，應(yīng)該得到重視。

圖11 碗扣式水平桿連接頭

圖12 Tube-Lock承插旋緊式等強等截面桿件接頭

圖13 插扣式楔緊型扣件

5 專用斜桿

斜桿是保證各類腳手架（包括作業(yè)腳手架和支撐腳手架）空間整體穩(wěn)定性、提高其承載力的重要構(gòu)造措施，但長期以來國內(nèi)形成了使用交叉大剪刀撐（俗稱“十字蓋”）的方法，交叉大剪刀撐的長桿件不能通過架體的節(jié)點（或靠近節(jié)點），有限元屈曲分析表明，同樣的斜向桿件用量條件下，過節(jié)點的短斜桿（無論是專用工具式斜桿還是普通鋼管扣件短斜桿），相比于大剪刀撐，其承載力高出15%~50%（架體越高，差別越明顯）。支撐架應(yīng)用方面，對于輪扣、碗扣等類型僅有4個孔眼的節(jié)點，由于每個節(jié)點有4個桿件接頭連接，受節(jié)點桿件占位影響，無法直接采用插入立桿節(jié)點的斜桿，因此國內(nèi)外目前有3種處理思路：（1）采用活動半扣件定尺短桿件作為斜桿，對于碗扣、輪扣這類定尺架體，斜桿可采用在鋼管兩端設(shè)置旋轉(zhuǎn)半扣件的方式制作，其幾何構(gòu)造及組架方式如圖14所示，半扣件與斜桿端部壓扁鋼管一體化設(shè)計，不可分離，使用時通過半扣件將斜桿設(shè)置于靠近節(jié)點的立桿上；（2）采用Scafom-rux公司發(fā)明的鉤式鎖頭[2]，斜桿仍為定長桿件，可通過敲擊專用鎖緊楔子固定于靠近節(jié)點的水平桿上（與主節(jié)點的距離不應(yīng)超過100mm），為實現(xiàn)斜桿的多功能使用目的，可在桿件中設(shè)置可調(diào)節(jié)長度裝置，實現(xiàn)不同的架體框格對角線長度需求（圖15）。此種設(shè)置方法基于DURALOK架體的節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度不小于80kN·m/rad；（3）直接采用普通鋼管扣件短斜桿，設(shè)置于靠近節(jié)點的立桿或水平桿上，設(shè)置于水平桿上時需保證架體節(jié)點具有較高的轉(zhuǎn)動剛度（圖16）。

圖14 活動半扣件定尺短斜桿

圖15 卡扣式接頭專用內(nèi)斜桿幾何構(gòu)造

圖16 鋼管扣件過節(jié)點的短斜桿

還有一種方法是近些年針對高強、重型架體發(fā)展起來的一種連接形式，一般針對立桿間距較大的情況，此時不再設(shè)置斜桿，而是采取柱間平聯(lián)（豎向平面桁架形式），從而有效提高架體的整體性和穩(wěn)定性（圖17）。

圖17 柱間平聯(lián)

此外，越來越多代替專用斜桿的做法采用交叉拉條，圖18為采用交叉拉條的碗扣式腳手架。對于各種類型的外腳手架，由于節(jié)點有空閑空位，因此可以突破節(jié)點水平桿接頭數(shù)量的限制，采取放入立桿節(jié)點的插頭式專用斜桿，各類腳手架的專用斜桿插頭做法不盡相同，圖19為碗扣式架體的標準專用斜桿。

圖18 交叉拉條設(shè)置

圖19 碗扣架專用外斜桿

6 結(jié)論

各類專用構(gòu)配件是高強度、工具式腳手架充分發(fā)揮其高承載力、有效擴大應(yīng)用范圍、提升施工現(xiàn)場文明施工程度的重要依托，本文在對高強工具式腳手架立桿多功能托座、工具式主楞、桿件等強連接頭、多功能斜桿等配套構(gòu)配件的研發(fā)和應(yīng)用情況調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，得到如下結(jié)論：

（1）可調(diào)托撐與底座在與絲牙螺桿間設(shè)置無絲鋼管段，可方便設(shè)置附加封頂桿或掃地桿，有效解決立桿端部自由外伸長度過大問題，充分適應(yīng)立桿頂部或立桿基礎(chǔ)高差變化時的支模需求；

（2）通過在可調(diào)托撐靠近托座板位置或可調(diào)底座靠近墊座板處設(shè)置節(jié)點，形成帶節(jié)點螺桿，可方便附設(shè)附加縱橫水平桿，有效解決立桿端部自由外伸長度過大問題；

（3）對可調(diào)托承的托板形狀進行改進，可適應(yīng)兩個方向不同截面型號主楞的擱置，擴大可調(diào)托撐應(yīng)用范圍；

（4）旋轉(zhuǎn)地托能有效適應(yīng)立桿地基斜度較大的支架搭設(shè)情況，地面坡度較大時應(yīng)用效果好；

（5）通過對長螺桿進行改造，設(shè)置可調(diào)位置的肩托形成多功能可調(diào)頂托，能夠?qū)崿F(xiàn)梁板共用立桿支模，有效避免了在梁模板的主楞上再次另起立桿設(shè)置小支架的缺陷，并能實現(xiàn)主次梁共用支架的支模需求；

（6）高強、輕質(zhì)、便于接長的主楞對于確保作業(yè)層荷載向立桿傳遞、提高架體安全性具有重用作用，但應(yīng)重視其接長方式；

（7）立桿及水平桿等強接頭能大大提高模數(shù)化定長桿件的利用率，提升架體安全性能，采用此方式效果顯著；

（8）在大力推廣高強度、模塊化腳手架的今天，扣件式腳手架仍有較大的生命力，是各類工具式腳手架的重要補充，插扣式楔緊型扣件由于其免螺栓、緊固性高，是今后扣件發(fā)展的主流；

（9）需重視腳手架斜桿的設(shè)置方式，設(shè)置過主節(jié)點的工具式短斜桿或鋼管扣件式短斜桿是確保高強架體承載力的重要構(gòu)造措施，應(yīng)盡量避免大剪刀撐的使用，各類連接方式的定長、可調(diào)長度斜桿的研發(fā)是今后工具式腳手架領(lǐng)域研發(fā)的主要方向之一。