碗扣式與輪扣式腳手架力學(xué)性能影響因素研究

張海輝 楊興宇 李偉彬 羅冠軒 黃雨晨

（1 廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司；2 廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司）

0 引言

我國在上世紀(jì)50 年代以前，建筑施工腳手架大多采用竹木搭設(shè)。然而竹木腳手架在建筑施工安全上存在較大的安全隱患，自上世紀(jì)60 年代扣件式鋼管腳手架的引入，國內(nèi)開始大量使用扣件式鋼管腳手架。然而隨著我國建筑業(yè)快速發(fā)展，大型建筑體不斷涌現(xiàn)，時代對施工腳手架支撐模板體系提出了新的要求，扣件式鋼管腳手架人為因素對整體結(jié)構(gòu)影響大、施工效率低、最大搭設(shè)高度較低等問題日益凸顯，扣件式鋼管腳手架已經(jīng)無法滿足部分建筑施工的需求。上世紀(jì)80 年代，我國從國外引進了碗扣式腳手架[1]。碗扣式鋼管腳手架是立桿采用碗型連接，下碗扣采用焊接于立桿鋼管上，軸向承受荷載性能好，水平桿采用桿端焊有橫桿接頭插入下碗扣，并由上碗扣沿立桿上的限位銷順時針滑動鎖緊，形成結(jié)構(gòu)幾何不變的模板支撐體系；上世紀(jì)90 年代末，我國參考多種新型腳手架，在其基礎(chǔ)上研發(fā)改進，開發(fā)出首個擁有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的輪扣式鋼管腳手架[2]。輪扣式鋼管腳手架構(gòu)件是立桿采用套管承插連接，立桿輪扣盤圓環(huán)形孔板可為水平桿4 個方向承插支撐、水平桿采用桿端焊接楔形插頭插入立桿輪扣，形成結(jié)構(gòu)幾何不變體系的模板支撐體系，通過端插頭的自鎖形式，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上無專門鎖緊與活動零部件。于2005 年被列入《建筑產(chǎn)品選用技術(shù)推廣應(yīng)用產(chǎn)品》。兩者在規(guī)范適用范圍上有一定的相似，亦存在部分差異，研究其力學(xué)性能影響因素，為腳手架模板支撐體系的后續(xù)發(fā)展與改進提供理論支持與參考。

基于以上情況，本文主要從兩者材質(zhì)要求、結(jié)構(gòu)特點與力學(xué)性能試驗結(jié)果三個方面進行分析研究。

1 主要構(gòu)配件材質(zhì)對比分析

碗扣式鋼管腳手架與輪扣式鋼管腳手架的材質(zhì)與規(guī)格見表1 所示。

表1 碗扣式鋼管腳手架與輪扣式鋼管腳手架主要構(gòu)配件材質(zhì)對比

輪扣式鋼管腳手架的立桿、橫桿，輪扣盤、可調(diào)托撐與可調(diào)底座的材質(zhì)采用Q235B 級或Q345 碳素結(jié)構(gòu)鋼，而碗扣式鋼管腳手架、碗扣、立桿、橫桿、可調(diào)托撐與可調(diào)底座采用的是Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼。《低壓流體輸送用焊接鋼管》GB/T3091-2015[3]規(guī)范中規(guī)定：各級別鋼材力學(xué)性能對比在同等厚度情況下，Q235 級下屈服強度要求不小于235MPa，抗拉強度要求不小于370MPa；Q345 級下屈服強度要求不小于345MPa，抗拉強度要求不小于470MPa。可見輪扣式鋼管腳手架在立桿、橫桿、輪扣盤等構(gòu)件相比碗扣式鋼管腳手架有更高的要求。

2 構(gòu)件與單元結(jié)構(gòu)特點分析

2.1 碗扣式鋼管腳手架構(gòu)件

見圖1 所示。碗扣式鋼管腳手架構(gòu)件是立桿采用碗型連接，水平桿采用桿端焊有橫桿接頭插入下碗扣，并由上碗扣沿立桿上的限位銷順時針滑動鎖緊，形成結(jié)構(gòu)幾何不變的模板支撐體系。由立桿、頂桿、橫桿、斜桿、支座、碗扣節(jié)點（上碗扣、下碗扣）等組成，當(dāng)碗扣節(jié)點整體受力時，有一部分荷載會通過橫桿接頭傳遞至上碗扣上。碗扣式腳手架構(gòu)件主要以承受軸向力荷載為主，構(gòu)件各部分受力不同，繼而造成相連立桿軸向變形差異。碗扣式鋼管腳手架橫桿抗彎剛度通過節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度產(chǎn)生對立桿軸向變形的約束作用，在支撐體系發(fā)生輕微形變時發(fā)揮調(diào)整的作用，使立桿軸心力和變形逐漸趨于均勻。

圖1 碗扣式鋼管腳手架構(gòu)件

2.2 輪扣式鋼管腳手架構(gòu)件

見圖2 所示，輪扣式鋼管腳手架構(gòu)件是立桿采用套管承插連接，水平桿采用桿端焊接楔形插頭插入立桿輪扣、由插銷鎖住橫桿端頭，形成結(jié)構(gòu)幾何不變體系的模板支撐體系。由立桿、水平桿、端接頭、可調(diào)底座、可調(diào)托撐等組成。當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時，會通過橫桿接頭向立桿輪盤節(jié)點傳遞軸向荷載。輪扣式腳手架立桿輪扣盤圓環(huán)形孔板可為水平桿4 個方向承插支撐，4 個方向連接的橫桿在同一節(jié)點上互不影響，傳統(tǒng)支模架如果有其中1 根橫桿松動就會導(dǎo)致其他桿件連接松動或塌方，輪扣式鋼管腳手避免了傳統(tǒng)活動卡緊構(gòu)件存在的安全隱患。

圖2 輪扣式鋼管腳手架構(gòu)

3 構(gòu)件力學(xué)性能試驗分析

碗扣式鋼管腳手架與輪扣式鋼管腳手架雖然同為半剛性節(jié)點連接的新型材料構(gòu)件，但在材料、結(jié)構(gòu)、和受力荷載傳遞等方面都有一定的差距區(qū)別。本文將力學(xué)性能試驗形式相似的參數(shù)放在一起進行對比，為其力學(xué)性能的差異提供試驗支撐。

3.1 試驗結(jié)果及破壞形式

碗扣式鋼管腳手架構(gòu)件上碗扣強度8 組試驗結(jié)果中，有4 組的10 個試樣在未達到30kN 荷載時出現(xiàn)了上碗扣開裂，如圖3 所示。試驗出現(xiàn)最小破壞荷載為23.12kN；而試驗形式相似的在輪扣式鋼管腳手架構(gòu)件輪扣節(jié)點受拉承載力的8 組試驗結(jié)果中，均滿足技術(shù)要求，未出現(xiàn)破壞。

圖3 上碗扣開裂

碗扣式鋼管腳手架構(gòu)件下碗扣焊接強度8 組試驗結(jié)果中，均滿足技術(shù)要求，未出現(xiàn)破壞；而試驗形式相似的輪扣式鋼管腳手架構(gòu)件輪扣節(jié)點焊縫受剪承載力的8 組試驗結(jié)果中，有2 組總計5 個試樣未達到60kN 就出現(xiàn)了焊縫開裂，如圖4 所示。試驗出現(xiàn)最小破壞荷載為44.25kN。

表2 碗扣式鋼管腳手架與輪扣式鋼管腳手架構(gòu)件力學(xué)性能試驗對比

圖4 輪扣盤焊縫開裂

碗扣式鋼管腳手架構(gòu)件橫桿接頭焊接強度8 組試驗結(jié)果中，有4 組的8 個試樣在未達到25kN 荷載時出現(xiàn)了上碗扣開裂和橫桿接頭節(jié)點出現(xiàn)斷裂，如圖5。試驗出現(xiàn)最小破壞荷載為22.79kN。而試驗形式相似的輪扣式鋼管腳手架構(gòu)件輪扣節(jié)點受壓承載力的8 組試驗結(jié)果中，有1 組總計2 個試樣未達到30kN 就出現(xiàn)了水平桿端接頭焊縫開裂，試驗出現(xiàn)最小破壞荷載為23.12kN。

圖5 橫桿接頭節(jié)點斷裂

碗扣式鋼管腳手架構(gòu)件可調(diào)支座抗壓強度強度8組試驗結(jié)果中，有2 組的3 個試樣在未達到100kN 荷載時出現(xiàn)了調(diào)位螺母破裂，如圖6 所示。其中試驗出現(xiàn)最小破壞荷載為89.35kN；而試驗形式相似的輪扣式鋼管腳手架構(gòu)件可調(diào)底座受壓承載力與可調(diào)托撐的受壓承載力的8 組試驗結(jié)果中，有1 組總計1 個試樣未達到100kN 就出現(xiàn)了立桿調(diào)位螺母破裂，其中試驗出現(xiàn)最小破壞荷載為95.45kN。

圖6 調(diào)節(jié)螺母破裂

3.2 試驗結(jié)果分析

結(jié)果顯示，碗扣式鋼管腳手架構(gòu)件的上碗扣強度試驗和橫桿接頭焊接強度試驗容易出現(xiàn)上碗扣開裂的情況，因為碗扣式鋼管腳手架通過水平桿插入下碗扣節(jié)點中，再由上碗扣沿立桿限位銷滑動鎖緊連接。當(dāng)碗扣節(jié)點整體受力時，有一部分荷載會通過橫桿接頭傳遞至上碗扣上，如果上碗扣本體強度不足，則會發(fā)生扣體破裂，影響整體穩(wěn)定性，甚至造成架體傾覆的情況。下碗扣的材質(zhì)是碳素結(jié)構(gòu)鋼或鋼板沖壓形成，并采用滿焊形式，不容易發(fā)生破壞和焊縫開裂。在輪扣式鋼管腳手架構(gòu)件的輪扣節(jié)點焊縫受剪承載力試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輪扣節(jié)點焊縫容易發(fā)生開裂，未達到要求荷載。形成這種問題的主要原因在于輪扣盤為了預(yù)留出橫桿接頭嵌入的插銷孔位，輪扣式鋼管腳手架在四周采用點焊技術(shù)，對焊縫質(zhì)量要求較高，若輪扣盤焊縫質(zhì)量未達標(biāo)，在節(jié)點受力試驗中會出現(xiàn)輪扣盤焊縫開裂甚至脫落的情況。

4 結(jié)語

碗扣式鋼管腳手架與輪扣式鋼管腳手架兩種主流新型腳手架，外觀結(jié)構(gòu)上有一定的相似性，均通過半剛性節(jié)點連接，但在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)受力傳遞等方面存在一定的差異性。構(gòu)件力學(xué)試驗結(jié)果顯示：碗扣式鋼管腳手架的上碗扣強度不達標(biāo)是制約碗扣單根承載能力的關(guān)鍵所在，而輪扣式鋼管腳手架的輪扣盤與立桿連接焊縫是影響輪扣單根承載能力的重要因素。

在大型建筑體快速發(fā)展的今天，對施工模板支撐體系的研究與應(yīng)用是一項重要工作，揭示主流腳手架易出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)與存在問題，有利于從供給側(cè)與工程建設(shè)各相關(guān)方共同協(xié)力，為完善和保障施工安全提供理論建議與改進方向[6]。