新型盤扣式鋼管支架節點性能的試驗研究

羅 恒 李 偉

上海建工二建集團有限公司 上海 200090

近年來，承插型盤扣式鋼管支架已成為一種新型鋼管支模架體系，并廣泛應用于建筑工程和市政工程，成為了高大支模方案的首選[1-6]。

然而在實際工程應用中，受梁截面高度影響，在保證連接端面錯開率不低于50%的前提下，利用傳統高排架無法形成統一整體，施工時需增加普通鋼管套管延長頂層立桿，繼而采用扣件連接橫向普通鋼管，形成頂層橫桿，大大降低了結構整體穩定性。為此，我們優化設計了一種可添加旋轉連接盤，可根據梁下支架高度及自由端限值，在頂托絲桿上加設旋轉連接盤，突破立桿固定標準節的限制，以方便工程施工時模板支架體系的布置安裝，提高結構的整體穩定性。

為了驗證該新型盤扣式可添加旋轉連接盤節點的受力性能，進行了一系列節點性能試驗，以得到其在各種受力狀態下的極限承載力、破壞形態和荷載-位移曲線，本文將對這些數據進行分析，以驗證這一新型連接節點的安全可靠性，并為推動新型腳手架的發展和應用提供相關的理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗構配件均由寧波某構件制作加工單位加工制作，主要構配件規格及材質如表1 所示。

表1 主要構配件規格及材質

1）螺絲盤。如圖1所示，螺絲盤內徑為35 mm，外徑為145 mm，厚度為30 mm，其特點在于內徑紋有與絲桿相配套的螺紋絲牙6環，可旋轉固定在頂托絲桿的任意位置上，通過楔形插銷與水平桿和水平斜桿連接，形成螺絲盤節點。

圖1 螺絲盤示意

2）絲桿及橫桿。絲桿長度包括1 000 mm和1 500 mm等規格，在實際使用中根據現場情況可調節插入頂層鋼管的深度；橫桿長度包括600、900、1 500 mm等規格，實際使用中按照搭設跨距選用。

在本試驗中，對于圖2～圖5的試驗，其試驗目的為驗證節點強度，絲桿及橫桿的長度并不影響試驗結果，故為了試驗方便，試驗用絲桿統一為原廠絲桿構件截取300 mm，試驗用橫桿統一采用原廠橫桿構件從端部截取300 mm。

而對于絲桿抗壓試驗（圖6），由于實際使用中絲桿插入頂層鋼管深度一般不小于自身長度的1/3，故選用1 000 mm絲桿進行抗壓試驗。

圖2 旋轉連接盤徑向抗壓試驗

圖3 旋轉連接盤抗拉試驗

圖4 旋轉連接盤抗剪試驗

圖5 旋轉連接盤抗彎試驗

圖6 頂托絲桿抗壓試驗

1.2 試驗設計與制作

根據實際試驗條件，設計并制作了5組節點試件，包括連接盤徑向抗壓試件、連接盤抗拉試件、連接盤抗剪試件、連接盤抗彎試件和可調頂座絲桿抗壓試件（表2）。

表2 試件分組及參數

1.3 加載裝置與測量方案

各試驗均在1 000 kN的液壓伺服萬能試驗機上進行，通過輔助加載裝置，使試件處于目標受力狀態。采用力控加載方式，加載速度如表2所示，連續勻速加載；當試件發生斷裂或屈服，突然產生變形，荷載無法繼續增加時，停止加載。各試驗加載形式如圖2～圖6所示。各試驗需測量的數據主要是施加的荷載和產生的位移值，試驗全過程的荷載及相應的位移數據可通過萬能機控制系統直接采集。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果與破壞形態

各節點試驗的結果如表3所示，破壞形態如圖7所示。

表3 節點試驗結果匯總

圖7 破壞形態

由圖7（a）可以看出，旋轉連接盤徑向抗壓試驗最終破壞形態為橫桿接頭處發生彎折屈曲變形破壞；由圖7（b）可以看出，旋轉連接盤徑向抗拉試驗最終破壞形態為插銷彎折破壞；由圖7（c）可以看出，旋轉連接盤抗剪試驗最終破壞形態為插銷孔的位置發生剪切破壞；由圖7（d）可以看出，旋轉連接盤抗彎試驗最終破壞形態為圓盤邊緣位置發生彎曲屈服破壞；由圖7（e）可以看出，頂托絲桿抗壓試驗最終破壞形態為失穩破壞。

通過試驗破壞形態可知，旋轉連接盤在承受徑向拉力的情況下，圓盤不會先于插銷破壞；在承受徑向壓力情況下，圓盤不會先于橫桿端部破壞；在受彎及受剪的狀態下，圓盤與絲桿連接緊固，無相對滑移。

2.2 荷載-位移曲線分析

同組試件全部發生同一破壞形態，且都表現出相似的荷載-位移曲線特性。本文選取各組試驗的典型荷載-位移全過程曲線進行分析。各試驗的典型荷載-位移曲線如圖8所示。

根據圖8（a），分析旋轉連接盤徑向抗壓試驗的荷載-位移曲線可知，試件由最初加載至破壞可分為三階段：彈性變形階段，位移隨荷載線性增長，該階段持續至荷載上升到約191 kN；屈服階段，橫桿接頭處開始發生彎折，荷載-位移曲線的斜率不斷減小，即隨著位移的增長，荷載增長速率減小，逐漸達到試件極限承載力（約244 kN）；破壞階段（下降段），旋轉連接盤發生嚴重屈曲變形，荷載無法繼續增加，試件發生延性破壞。

圖8 試驗荷載-位移曲線

根據圖8（b），分析旋轉連接盤抗拉試驗的荷載-位移曲線可知，試件由最初加載至破壞可分為四階段：彈性變形段，加載初期位移隨荷載線性增長，該階段持續至約13.4 kN；平緩上升段，構件受力薄弱部位——插銷開始發生彎折變形，該階段持續至約23.5 kN；二次線性增長階段，由于插銷彎折后抵住橫桿卡鉗，橫桿卡鉗與插銷共同承擔受力，荷載-位移曲線的斜率增大，位移隨荷載線性增長，逐漸達到試件極限承載力（約57 kN）；破壞階段（下降段），當加載到極限荷載時，插銷突然被拉斷，荷載隨即跌落到極限荷載的50%～60%，試件發生脆性破壞。

由圖8（c）可知，旋轉連接盤抗剪試驗的荷載-位移曲線可分為4段折線：加載初期，由于構件間存在間隙或偏差，荷載-位移曲線斜率較小，荷載增長緩慢，該段持續到約14 kN；隨著荷載的增加，荷載-位移曲線斜率增大，試件處于彈性階段，位移隨荷載線性增長，該階段持續到約140 kN；隨著荷載的繼續增加，試件開始發生屈服，處于彈塑性階段，曲線斜率減小，即位移隨荷載增長速率增大，荷載逐漸達到極限荷載（約186 kN）；一旦荷載達到極限值，旋轉連接盤插銷孔的位置發生剪切破壞，荷載突然跌落至極限荷載的50%～60%，試件發生脆性破壞。

由圖8（d）可知，旋轉連接盤抗彎試驗的荷載-位移曲線可分為三階段：彈性變形階段，位移隨荷載線性增長，該階段持續至約25 kN；屈服階段，試件開始屈服，荷載-位移曲線平緩上升，即旋轉連接盤彎曲變形快速發展，荷載隨變形增長緩慢，逐漸達到試件極限承載力（約31 kN）；破壞階段（下降段），旋轉連接盤完全屈服，彎曲變形過大，荷載無法繼續增加，試件發生延性破壞。

由圖8（e）可知，頂托絲桿抗壓試驗的荷載-位移曲線可分為3段折線：加載初期，荷載-位移曲線斜率較小，荷載增長緩慢，該階段持續到約15 kN；隨著荷載的增加，試件處于彈性階段，荷載-位移曲線斜率增大，且位移隨荷載呈線性增長，荷載逐漸達到極限荷載（約150 kN）；達到極限荷載后，絲桿發生失穩破壞，荷載無法繼續增加，進入下降段。

3 節點強度對比分析

目前，國內承插型鋼管支架的節點存在多種形式，如扣盤式、輪扣式、插銷式等，研究學者對各節點形式也進行了相關試驗研究[7-10]。本文選取了與本文盤扣式應用條件相似的其他形式節點強度進行對比，如表4所示，旋轉連接盤的節點抗彎極限承載力（等效彎矩）明顯高于輪扣式和插銷式，但低于盤扣式；旋轉連接盤的節點抗剪和徑向抗壓極限承載力均高于扣盤式、輪扣式、插銷式；旋轉連接盤的節點抗拉極限承載力為57.1 kN，約為扣盤式的3倍。

表4 節點強度對比

相較于其他形式的節點，旋轉連接盤節點具有足夠的安全儲備。此外，與扣件式鋼管支架相比，盤扣式鋼管支架節點在水平傳力方式上由圓盤及橫桿插銷傳力，取代了扣件式中依靠扣件與水平鋼管摩擦傳力；而在豎向傳力方式上，則是螺絲盤與絲桿的螺絲連接，取代了扣件與豎向鋼管的摩擦傳力。

按照JGJ 130—2001《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》給出的扣件式的扣件抗滑力承載力為3.2 kN（雙接扣件）和8 kN（直角和旋轉扣件），對旋轉連接盤節點，按照規范及施工經驗取安全系數K＝2，徑向抗壓和抗拉承載力設計值分別為122.5 kN和28.6 kN，抗剪承載力達到93.2 kN，并由破壞形態可以看出，圓盤破壞時尚未發生旋轉盤與絲桿的相對滑移，故可以肯定其抗滑承載力均遠大于扣件式的抗滑承載力設計值，有更大的安全儲備。且旋轉連接盤節點為軸心受力，相較于扣件式鋼管支架，結構整體穩定性較高；再則，與焊接在立桿的盤扣式節點連接盤相比較，JGJ 231—2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》給出的盤扣式節點連接盤的抗剪承載力設計值為40 kN，對旋轉連接盤節點，按照規范及施工經驗，取安全系數K＝2時，抗剪承載力設計值為93.2 kN，足夠滿足規范要求[11-12]。

4 結語

本文對這種經過優化設計的旋轉連接盤節點進行了系統的試驗研究，包括旋轉連接盤徑向抗壓試驗、旋轉連接盤抗拉試驗、旋轉連接盤抗剪試驗、連接盤抗彎試驗以及可調頂座絲桿抗壓試驗，得出了以下結論：

1）旋轉連接盤在承受徑向拉力的情況下，圓盤不會先于插銷破壞；在承受徑向壓力情況下，圓盤不會先于橫桿端部破壞；在受彎及受剪的狀態下，圓盤與絲桿連接緊固，無相對滑移。從而可預測其在工程應用中的情況，該螺絲盤與絲桿連接穩固，不會優先于結構整體發生破壞。

2）與其他節點形式數據對比表明，可調節旋轉連接盤節點相比于其他節點形式具有足夠的安全儲備。

3）與焊接在立桿的連接盤相比，按現行規范《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》及《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》，取安全系數K＝2.0時，徑向抗壓和抗拉承載力設計值分別為122.5 kN和28.6 kN，抗剪承載力設計值為93.2 kN，完全滿足規范及施工要求。

4）旋轉連接盤與絲桿連接緊固，無相對滑移，且安裝拆卸簡捷方便，可根據工程實際情況調整旋轉連接盤在絲桿上的位置，靈活性強，適用性廣。