盤扣式鋼管支架自由端絲桿上搭設“螺絲盤＋水平支撐”體系的受力性能試驗研究

羅 恒 劉戰豪

上海建工二建集團有限公司 上海 200093

隨著近年來的試驗研究和開發應用，建筑施工承插型盤扣式鋼管支架已經成為一種新型鋼管支模架體系，并且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]。

承插型盤扣式鋼管支架頂部設置螺絲桿，可方便地調節頂部托盤的高度，從而匹配實際的現場工況；現有規范中規定架體頂部的自由端長度不得超過650 mm（圖1）；然而在實際工程應用中，受梁截面高度影響，會出現頂部自由端長度無法滿足施工需求的情況，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（圖2），這一做法大大地降低了結構的整體穩定性。

為此，我們優化設計了一種旋轉連接盤，當鋼管支架 頂部的螺絲桿外露過長而導致自由端超過規范要求的650 mm規定時，可以在頂托絲桿上加設該螺絲盤扣，通過旋轉連接盤搭設橫向及斜向水平支撐，形成“螺絲盤＋水平支撐”體系（圖3），保證此時結構的整體穩定性及承載力要求。

圖1 規范中對于自由端長度的限制

圖2 實際應用時超出規范尺寸的情況

圖3 “螺絲盤＋水平支撐”體系

為驗證采用該體系后整架的受力性能，設置了2組絲桿外露較長的架體進行了試驗研究，即在自由端絲桿上加設螺絲盤和橫向水平支撐形成的“螺絲盤＋橫向水平支撐”體系，以及在自由端絲桿上加設螺絲盤和橫向及斜向水平支撐形成的“螺絲盤＋橫向及斜向水平支撐”體系，并限制較長絲桿頂部自由度為700 mm。通過加載試驗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，并將試驗結論與規范計算對比。

本文將對這些數據進行分析，以驗證這一新型連接體系的安全可靠性，并為推動新型腳手架的發展和應用提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗設計與分組

為分析螺絲桿超出規范要求自由端長度后加設螺絲盤及水平支撐的體系支架承載力和破壞模式，本次共設計了8組盤扣式鋼管模板支架和1組扣件式鋼管模板支架進行承載力試驗。

盤扣式鋼管支架的步距為1 500 mm，掃地桿距地面為300 mm。本試驗在河南城建學院結構工程實驗室完成。試驗主要構配件規格及材質如表1所示，模板支架試驗主要參數如表2所示。

表1 主要構配件規格及參數

表2 模板支架試驗主要參數

1.2 試驗加載方案

試驗加載裝置如圖4所示，采用超高反力架、千斤頂和分配梁組合的方式對整架試件施加集中荷載。荷載首先由反力架施加在分配梁上，然后再由槽鋼均勻地分配到整架試件的頂層水平桿上。加載過程分為預加載階段和分級加載階段。

為了確保所有測量設備正常工作，正式加載前對模型施加60 kN的荷載進行預加載。正式施加荷載時，應分級加載，每級荷載取100 kN，間歇3 min，使結構變形趨于穩定。在結構臨近破壞時，密切關注采集儀的數據變化，并觀測記錄試驗現象，直至整體結構破壞喪失承載力，停止加載。

1.3 測量方案

本試驗對主要受力桿件（立桿、水平桿和水平斜桿）的應力進行貼應變片測量，在架體的頂部四角位置均分別設置了x、y、z三個方向的位移計，用來監測結構的整體變形。測點布置如圖5所示。

圖4 ZJ-2和ZJ-5加載示意

圖5 測點布置

2 試驗結果與分析

2.1 ZJ-2試驗結果分析

ZJ-2整架極限荷載為351 kN。破壞時整體有側移彎扭變形，頂層中間梁底絲桿自底部發生較大側移，下端立桿無明顯變形，立桿受力仍處于彈性階段。其破壞形態如圖6所示。表3是ZJ-2試件的立桿受力情況。由表3可知，立桿受力很小，均處于彈性狀態；立桿最大應力為77.5 MPa，最大軸力為18.1 kN。

圖6 ZJ-2破壞形態

表3 立桿受力情況

圖7為ZJ-2試件的立桿荷載-應變曲線。由圖7可知，立桿3、6、7的荷載-應變曲線增長趨勢保持一致，架體受力較均勻。

圖8為ZJ-2模板支架的荷載-頂層水平位移曲線。由圖8可知：當荷載較小時，測點位移增長緩慢；當荷載接近極限荷載時，位移迅速增長，直至破壞。

圖7 立桿的荷載-應變曲線

圖8 荷載-頂層水平位移曲線

2.2 ZJ-5試驗結果分析

ZJ-5整架極限荷載為510 kN。架體破壞時整架表現為有側移的整體彎扭變形（圖9），破壞時絲桿出現側移彎曲，下端立桿出現彎曲，且卸載后絲桿變形恢復。

表4是ZJ-5試件的立桿受力情況。由表4可以得知，立桿基本保持彈性狀態，立桿最大應力為241.0 MPa，最大軸力為56.2 kN。

圖9 ZJ-5破壞形態

表4 立桿受力情況

圖10為ZJ-5的立桿荷載-應變曲線。由圖10可知，立桿3和立桿5應力增長趨勢保持一致，達到350 kN后立桿進入屈服階段。圖11為ZJ-5的荷載-頂層水平位移曲線。由圖11可知，架體彎扭變形嚴重，x方向最大位移為20 mm（即向東偏移20 mm），y方向最大位移為21 mm（即向北偏移21 mm）。圖12為整架頂層水平變形情況。

圖10 立桿荷載-應變曲線

圖11 荷載-頂層水平位移曲線

圖12 整架頂層水平變形示意

3 規范計算及對比分析

按照JGJ 231—2010《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》給出的立桿穩定性公式進行相應的計算和分析。

經計算，傳統承插型盤扣式鋼管支架的單桿承載力為28.76 kN。試驗中每組支架各有12根受力桿件，故按照規范搭設的極限情況下的整架受力為345.60 kN。規范計算與試驗結果對比如表5所示。

表5 試驗結果與規范結果對比

4 結語

本文通過2組“螺絲盤＋水平支撐”體系架體的試驗研究，并對比規范計算結果，得出以下結論：

1）螺絲盤與絲桿連接緊固可靠，可保證在受力過程中不會產生相對滑移和明顯破壞；螺絲盤連接節點具有較高強度，可確保在實際工程應用中不會先于構件發生破壞。

2）絲桿露出段較長時，采用“螺絲盤＋橫向水平支撐”體系加固后，控制絲桿自由端為700 mm的情況下，試驗總體極限承載力達到351 kN，平均單桿承載力29.3 kN，超過現行規范要求的極限情況（絲桿自由端650 mm）下的荷載。

3）進一步采用“螺絲盤＋橫向及斜向水平支撐”體系加固后，控制絲桿自由端為700 mm的情況下，試驗總承載力達到42.5 kN，相比僅采用“螺絲盤＋橫向水平支撐”體系的支架承載力有所提升。與焊接在立桿的連接盤相比，按照現行規范JGJ 130—2001《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》及JGJ 231—2010《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，完全能夠滿足規范及施工要求。

4）采用“螺絲盤＋水平支撐”體系，旋轉連接盤與絲桿連接緊固，無相對滑移，可根據工程實際情況便捷地調整旋轉連接盤在絲桿上的位置，且滿足現行規范承載力要求，可以推廣使用。