輪扣式鋼管腳手架穩定承載力的試驗研究

閆曉， 宋沙沙， 陳駒

（1.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，成都 611731；2.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058）

0 引言

腳手架是建筑施工過程中必不可少的建造輔助構體，其隨著建筑結構難度的增加也得到了顯著的發展，而且為適應于各類建筑結構的施工，不同形式的新型腳手架不斷涌出，如扣件式、碗扣式、門式和插盤式等鋼管腳手架在工程中得到了廣泛的運用［1-6］。

近些年來，腳手架頻頻發生工程事故，使得建筑施工過程中存在較大的安全隱患［7］，因此國內外建筑行業對腳手架的安全問題愈發重視，也有較多的學者針對其力學性能做了大量的理論研究。20世紀70年代英國學者開展了一系列腳手架的理論研究，并最先制定了腳手架的技術標準［8］；1984年美國學者Ayyub［9］研究發現腳手架底部地基不均勻沉降對腳手架整體失穩倒塌破壞有較大影響。Hindson［10］對7個足尺的腳手架模型進行承載力分析的試驗研究。Prabha?karan和Beale等［11］對腳手架的節點力學性能進行了研究，并得到了節點的彎矩-轉角曲線。Weesner和Jones［12］對4種門式腳手架開展了試驗與數值模擬研究，并對比分析了不同方法對腳手架的極限荷載預測情況。姜旭［13］對改進后的圓盤式鋼管腳手架進行了力學試驗和有限元分析，通過對比不同連接盤的腳手架模型，得到其承載力和施工效率的差異。劉靜［14］研究了輪扣式鋼管腳手架的半剛性節點，并建立了腳手架模型的分析方法。楊曙［15］進行了節點連接剛度試驗，繪制了θ曲線，分析了包括腳手架節點抗彎剛度值、步距和橫距的大小、掃地桿和斜桿的設置和立桿端頭的伸出長度等參數對穩定承載力的影響。陳志華［16］對直角扣件的剛度進行了研究分析，提出將節點彎矩-轉角曲線分區法作為節點剛度判定的準則。以上研究均為工程運用奠定了相關的理論基礎。重慶市和廣東省地方規范制定了輪扣式鋼管腳手架安全技術規程［17，18］，其主要參數的確定與國家行業標準JGJ/T 231-2021《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術標準》［19］較為相似。

浙江省還未制定輪扣式腳手架相關安全技術規程，隨著輪扣式腳手架大量的運用，迫切需要制定一套適用于浙江省的輪扣式腳手架規范，給浙江省各單位提供使用依據。鑒于此，文中針對浙江省當地一些已使用型號的輪扣式腳手架，進行了單元架體的力學性能研究。

1 試驗基本概況

1.1 試驗構件

輪扣式鋼管腳手架根據跨數分為3個試驗組，如圖1所示。3個試驗組的腳手架尺寸如表1所示，“S600-2”表示腳手架的縱向跨數為單跨，跨距l為600mm，立桿上下兩節鋼管長度分別為1200mm和1900mm，如圖2所示。腳手架鋼管均為Q235空心卷邊鋼管，鋼管的直徑為48mm，厚度為4mm，鋼管的力學性能如表2所示。

圖1 試件幾何尺寸

表1 試件的幾何尺和材料

圖2 試件S600-1與S600-2立體圖

表2 鋼材力學性能

1.2 試驗裝置及加載方式

試驗加載裝置為門式液壓加載設備，如圖3（a）所示。為觀測腳手架在加載過程中豎向變形情況，在腳手架對角的兩立桿附近分別設置一個位移計，如圖3（b）所示，腳手架的豎向位移取兩者讀數的均值。立桿各步距的中部均貼有一個應變片，用于讀取立桿該位置處應變值，3個測試組的應變片布置情況如圖4所示，整個加載過程的控制速度為0.2mm/min。

圖3 加載裝置

圖4 腳手架的應變片位置

2 試驗結果分析

2.1 失效模式

由圖5可以看出，當腳手架達到穩定承載力時，各腳手架的立桿均發生了一定程度的彎曲變形，隨著跨距的增加，彎曲變形的現象越明顯。除S900-1腳手架有一橫桿的插銷發生斷裂以外，所有腳手架中，始終沒有出現桿件截面的脆斷破壞，且橫桿在加載過程中變形很小，可見各試驗腳手架均屬于腳手架的整體失穩破壞。

圖5 整體破壞

如圖6所示，S900-1腳手架中橫桿的插銷斷裂破壞發生在插銷與桿件圓管鋼材的焊接位置附近，該位置處由于焊接過程產生的殘余應力較大，因此該處極易產生應力集中的現象，所以該處的插銷出現斷裂破壞應歸結插銷處焊縫質量的問題。

圖6 局部破壞

2.2 立桿形式的影響

2.2.1 豎向變形

各架體荷載-位移曲線如圖7所示，圖中位移為腳手架的整體豎向位移。由圖7（a）和圖7（b）可以看出，在同跨距的情況下，當腳手架處于彈性加載階段時，除腳手架D600-1外，拼接立桿與整長立桿的腳手架豎向變形基本一致，隨著腳手架的豎向荷載的增加，拼接立桿的腳手架豎向變形逐漸大于整長立桿的構件，直至腳手架達到極限承載力時，拼接立桿腳手架最終的豎向位移均大于整長立桿腳手架的豎向位移，如圖8所示。腳手架D600-1在加載初期出現與D600-2腳手架不同的變形情況可能是D600-1腳手架在試驗開始時，有一位移計沒有頂緊測試點，導致該位移計加載初期沒有得到讀數，因此出現圖7（b）的現象。

圖7 位移-荷載曲線

圖8 腳手架豎向變形

2.2.2 應變分布

試驗腳手架中立桿的縱向應變情況如圖9所示，圖中應變值規定以壓應變為正值，拉應變為負值。對于接長桿而言，上步間套管接合處發生很小的轉動，這同樣使得上步間立桿彎曲變形大于下步間立桿。由圖9（b）～圖9（c）可以看出，在同一腳手架中，邊桿的應變最大，角桿次之，最后是中桿，這是因為邊立桿只有一根橫向鋼管與之連接并進行約束，而角桿和中桿分別有兩根和四根橫向鋼管進行約束。

同時，由圖9（a）可知，在立桿同一位置處，單跨腳手架中接長立桿的應變大于整長桿，而在雙跨腳手架中接長立桿的應變均小于整長立桿，如圖9（b）～圖9（c）所示。由此說明單跨腳手架中接長桿連接處套筒與鋼管之間連接較好，并沒有發生較大的轉動，因此單跨腳手架中接長立桿的應變基本為立桿的彎曲變形產生的。但在雙跨腳手架中，接長桿由于套筒處發生了較大的轉動，因此接長桿的大部分變形均由套筒處的轉動產生，桿件本身的彎曲變形較小，由此產生的縱向應變也相對較小。

圖9 立桿縱向應變

2.2.3 承載力

各腳手架失穩破壞時的穩定承載力如表3所示，接長立桿的腳手架在加載后期均出現金屬變形的脆響，且除腳手架D300-2外，整長立桿的腳手架穩定承載力均大于接長立桿的腳手架，如圖10所示。在加載后期接長立桿構件之所以出現金屬的脆響聲應該是由于拼接處套管與鋼管之間發生轉動產生的。

表3 試件的穩定承載力與失效模式 kN

圖10 跨距對穩定承載力的影響

3 無剪力撐鋼管支撐架設計

3.1 規范設計強度

3.1.1 重慶市地標

重慶市DBJ 50/T-216-2015《建筑施工輪盤插銷式鋼管模板支撐架安全技術規范》提出的輪盤插銷式鋼管支撐架立桿整體穩定性公式：

式中，A為鋼管截面積；fy為鋼材屈服強度；φc為該規范中鋼管軸心受壓穩定系數，根據規范DBJ 50/T-216-2015附表F確定。

3.1.2 廣東省地標

廣東省DB 44/T1876-2016《輪扣式鋼管腳手架安全技術規程》規范驗算腳手架中立桿整體穩定性公式：

式中，φg為鋼管軸心受壓穩定系數，根據行業標準JGJ 300-2016《建筑施工臨時支撐結構技術規范》［20］中附表A-1可得。

3.1.3 浙江省地標

浙江省地標DB 33/T1035-2018《建筑施工扣件式鋼管模板支架技術規程》［21］針對支撐架結構立桿整體穩定性承載力提出的計算公式：

式中，φz為該規范中鋼管軸心受壓的穩定系數，根據GB 50018-2016《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》［22］中附表A.1.1-1可得；KH為支撐架高度調整系數，當支撐架總高度H不超過4m時，取1.0。

3.1.4 行業標準

2021年新推出的鋼管腳手架技術標準JGJ/T 231-2021《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術標準》針對腳手架提出了相應的計算公式如下：

式中，φh為鋼管軸心受壓穩定系數，根據標準JGJ/T 231-2021中附表D-1可得。

3.2 文中設計

根據地標及行標可知，跨距與步距均與立桿的計算長度有關，因此分別利用系數kh和k1在計算長度中考慮步距和跨距對其的影響，因此文中在行標的基礎上，提出了腳手架立桿的整體穩定性如下：

式中，φn為鋼管軸心受壓穩定系數，根據鋼管長細比λn查GB 50018-2016《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》中附表A.1.1-1可得ln為鋼管計算長度；Kh為與步距有關的計算長度附加系數，當腳手架總高度小于8m時，Kh取值為1；根據2.3節參數分析的結果，引入了與跨距有關的計算長度系數公式K1，其計算公式：

式中，步距h不宜超過1200mm的范圍，否則步距的增加對立桿穩定承載力的影響較大，導致式（8）不再適用。

3.3 對比分析

表4為規范提出公式及文中提出公式與試驗結果對比情況，行標預測值與試驗值之比的均值為0.89，相較于地標而言與試驗結果更為相近。文中提出公式的計算值與試驗值之比的均值為0.98，說明文中提出的公式可以很好的預測立桿的穩定承載力。

表4 規范計算值與試驗結果對比

4 結語

文中通過試驗方法對輪扣式鋼管腳手架整體穩定承載力進行分析，并在得到以下幾點結論：

（1） 腳手架的破壞模式均為立桿的整體失穩破壞，穩定承載力的大小與跨距有關，隨著跨距增大而減小。

（2） 橫桿在承載的過程中變形很小，但需要注意插銷頭與橫桿接頭處的焊縫質量，防止接頭處發生斷裂破壞。

（3） 整長立桿較接長立桿的力學性能更好，當腳手架失效破壞時，前者產生的變形更小，承載力更大。

（4） 當腳手架必須使用接長桿時，要嚴格控制套管與鋼管之間的空隙，避免套管處發生過大的變形，影響腳手架實際的穩定承載能力。同一腳手架中不同立桿之間存在較大的受力差別，邊桿的縱向應變最大，角桿其次，中桿最小，且立桿上步距應變大于下步距的應變。

（5） 按重慶、浙江和廣東的地標驗算立桿穩定承載力偏于保守；根據行標驗算立桿穩定承載力相對更為合理；文中在行標的基礎上，新提出的計算公式可以很好的預測試驗立桿的穩定承載力。