承插式腳手架的荷載試驗分析

陳蓮芳

(上海市建筑科學研究院(集團)有限公司，上海 200032)

1 概述

承插式腳手架主要用于土木建筑工程中內、外腳手和混凝土模板的支撐，其形式包括碗扣式腳手架、圓盤式腳手架、插孔式腳手架、插槽式腳手架等。承插式腳手架在歐洲各國應用較普遍，其結構與扣件式鋼管腳手架基本相似，只是在立桿上焊接多個插座，替代了扣件，避免了扣件式腳手架中扣件經常丟失等問題。承插式腳手架中插座有較先進的設計理念和技術，可以在1個插座內同時連接4個方向的橫桿或斜桿，甚至同時連接8個不同方向的橫桿或斜桿，從而形成多功能的支架。由于承插式腳手架品種繁多，相應的國家標準或企業標準較少且不全，許多施工企業在工程施工前，沒有進行腳手架的剛度驗算，只靠經驗來進行支撐系統布置，對剛度和穩定性考慮不足，所以在腳手架進入施工現場前對新產品進行部分力學性能測試非常必要。下面筆者通過一些承插式腳手架試驗案例進行介紹分析，供大家參考。

2 試驗研究

2.1 案例一

通過對承插型盤扣式腳手架整體荷載試驗，繪出試件中各立柱荷載—位移曲線。

試件總高7 020 mm(四層)，框架截面尺寸為1 829 mm×1 829 mm，立桿斷面 φ76.3 mm ×3.2 mm，材料 Q345，橫桿及斜桿斷面 φ48.5 mm ×3.2 mm，材料 Q195。試件立柱、橫桿及斜桿等節點聯結構造見圖1～圖4。

圖1 立桿聯結點

圖2 橫連桿中心節點

2.1.1 理論計算

通常整體失穩是腳手架的主要破壞形式，而腳手架整體承載力主要由各立桿直接傳遞，故可以用單根桿件的穩定性計算來驗算腳手架的整體穩定承載力。依據標準JGJ 231-2010建筑施工承插型盤口式鋼管腳手架安全技術規范[1]，立桿穩定性計算如下:

立桿計算長度l0=μh=2 760 mm(其中μ取1.60，h=1 725 mm);立桿慣性矩I=π/32(D4－d4)=983 582 mm4(其中D=76.3 mm，d=69.9 mm);立桿面積 A=734.86 mm2;回轉半徑 i=(I/A)1/2=36.59 mm;桿件長細比λ=l0/i=79，查表得:軸心受壓穩定系數f=0.640，臨界壓力 Nd=fAf(其中 f為300 N/mm2)，計算得:Nd=141.1 kN。

圖3 水平連桿

圖4 底座

2.1.2 加載試驗

試驗采用千斤頂、反力架和分配梁組合的方式對腳手架施加豎向荷載。為測得試件各立柱的荷載—位移曲線，立桿的加載值取小于該桿的理論臨界荷載Nd，同時考慮到實際情況中各立桿受力不均勻和其他一些不利因素，確定立桿試驗時的最大荷載100 kN，即試件試驗用總荷載F=400 kN。

為測定在荷載作用下，試件各立柱總的豎向位移，試驗前腳手架各立柱底座腳板上固定一位移計，位移計移動指針與細鋼絲一端固定，細鋼絲另一端與腳手架立柱頂部固定，細鋼絲與立柱保持平行，則測得的位移計豎向位移值即為立柱頂部的豎向位移。加載分級進行，加載結束后卸空。當每級荷載持荷結束后，讀出各位移計豎向位移值。加載試驗示意圖、現場加載及現場位移計布置見圖5～圖7。

圖5 試件形式及整體加載試驗示意圖

2.1.3 試驗結果及分析

試件共2套，1號、2號試件在整體加載試驗中，各立柱頂部豎向位移測試結果見表1，各立桿荷載—位移曲線見圖8，圖9。

圖6 加載試驗現場

圖7 測試位移用百分表

表1 整體加載中1號、2號試件各立桿頂部豎向位移

圖8 1號試件各立桿頂部荷載—位移曲線圖

圖9 2號試件各立桿頂部荷載—位移曲線圖

由表1試驗結果得知:當總荷載F加至400 kN時，1號試件中單根立桿頂部的最大豎向位移值為7.58 mm，2號試件中單根立桿最大豎向位移值為9.41 mm。卸載后1號和2號試件中單根立桿頂部的豎向位移值分別為0.72 mm和0.90 mm。由圖8，圖9看出:加載過程中1號，2號試件荷載—位移曲線基本成線性狀態。

2.2 案例二

2.2.1 概況

通過對4套承插型盤銷式腳手架整體荷載試驗，找出不同框架截面、不同數量立柱聯結點對結構承載力的影響。

試件總高3 880 mm，按框架截面大小，分別為1 800 mm×1 800 mm和900 mm×900 mm兩種尺寸，按立柱聯結點疏密情況也分為兩種形式，即為Ⅰ類形式和Ⅱ類形式，立柱聯結點布置及整體加載試驗示意圖見圖10中a)和b)。

試件的單根立桿斷面φ48 mm×2.7 mm，橫桿斷面φ42 mm×2.5 mm，材料均為 Q345，斜桿斷面 φ22 mm ×1.9 mm，材料 Q195。腳撐及節點見圖11，圖12。

2.2.2 加載試驗

試驗采用千斤頂、反力架和分配梁組合的方式對腳手架施加豎向荷載。試件整體加載試驗示意圖見圖10。4套試件整體加載時均分級進行，當各試件破壞時停止加載并卸空。

圖10 兩種立柱節點布置及整體加載示意圖

圖11 試件的腳撐

圖12 試件的節點

2.2.3 試驗結果及分析

各試件的最大承載試驗結果見表2。不同立柱聯結點、不同框架截面試件的加載后狀況見圖13，圖14。

表2 各試件整體承載試驗結果 kN/桿

圖13 Ⅰ類形式中不同截面整體承載試驗加載后狀況

圖14 Ⅱ類形式中不同截面整體承載試驗加載后狀況

由表2試驗結果得知，相同立柱聯結點的試件，其框架截面增加2倍，其整體承載力相應增加10%～16%;相同框架截面的試件，其立柱聯結點數量增加1倍，則整體承載力相應增加57%～92%。

由圖13，圖14中得知，腳手架整體荷載試驗破壞模式均為立桿失穩破壞。

3 結語

本文通過對承插式鋼管腳手架的一系列荷載試驗，得出以下結論:

1)承插式鋼管腳手架整體承載力試驗時，各立柱在未失穩的情況下，其荷載—位移成線性狀態。說明，該形式腳手架其立桿通過橫桿拉結的聯結點具有整體穩定性能良好的空間支架結構。

2)承插式腳手架整體荷載試驗時，截面增加2倍，其承載力相應增加10%～16%。

3)承插式腳手架整體荷載試驗時，立桿聯結點增加1倍，其承載力相應增加57%～92%。

4)承插式腳手架整體荷載試驗時，破壞模式均為立桿失穩破壞，由此表明立桿失穩是腳手架的主要破壞形式。

[1] JGJ 231-2010，建筑施工承插型盤口式鋼管腳手架安全技術規范[S].