輪扣式腳手架破壞形式研究*

南作賓，王正振，李明聰

(1.甘肅建投建設有限公司，甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050)

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隨著我國建筑行業的蓬勃發展及科學技術的不斷進步，腳手架工程作為建筑工程的附屬工程必不可少。輪扣式腳手架為一種新型腳手架，具有施工方便、造價低、結構簡單等特點，已在實際工程中得到廣泛應用。輪扣式腳手架由立桿、水平桿、插銷、輪盤等構成，如圖1所示。

圖1 輪扣式腳手架示意

對于輪扣式腳手架，很多學者已對其進行了研究。胡長明等[1]通過試驗發現材料缺陷、加載偏心等原因易造成單元架發生扭轉破壞，當架體四周不搭設豎向支撐時，架體會發生失穩破壞而不是屈曲破壞。唐海星[2]通過節點抗剪試驗研究和數值模擬分析，得到輪盤節點抗剪性能。楊曙[3]采用有限元分析軟件建立腳手架整體分析模型，通過設置不同參數得到極限承載力。楊永達[4]通過在節點處施加水平力模擬輪扣式支架初始缺陷，再結合有限元分析判斷初始缺陷對其整體穩定性能的影響。于悅[5]通過對不同參數下的輪扣式鋼管支架體系進行試驗研究，得到各工況下，支架極限承載力和破壞形態。李文[6]指出應從2個方面考慮增強輪扣式模板支撐架穩定性：①利用輪扣式支撐架立桿與扣件式鋼管一致的特點，增加剪刀撐；②通過增加水平拉桿將各不能連成片的小單元拉結起來，增強支撐架整體穩定性。王洲春[7]對承插型鋼管支撐架進行系統研究，分析立桿初始缺陷對支撐架的影響，運用等效水平荷載原理建立新的支撐架整體穩定性分析模型，得到節點抗彎剛度。高利強[8]基于實際工程對輪扣式腳手架施工工藝及施工易難點進行分析，認為輪扣式腳手架安全性、穩定性優于扣件式、碗扣式支撐架；陳蓮芳[9]通過整體試驗研究承插式腳手架截面形式、節點連接方式對其承載力的影響；柏石豪[10]通過對輪扣式腳手架節點插頭進行建模分析，研究其受力性能及抗拔脫性能，為輪扣式腳手架的進一步發展提供依據。

由以上研究成果可知，眾多學者已對輪扣式腳手架展開了相關研究，也有了一定成果，但均未對輪扣式腳手架使用過程中可能的破壞形式展開深入研究，而可能的破壞形式對輪扣式腳手架的安全使用至關重要。因此，針對該問題，本文利用數值模擬及理論分析相結合的方法進行具體研究，在得到可能的破壞形式基礎上，對常見的2種破壞形式影響因素展開分析，以期為輪扣式腳手架的推廣應用提供參考。

1 輪扣式腳手架模擬研究

目前，輪扣式腳手架主要由Q235鋼制造而成，Q235鋼材密度為7 850kg/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。數值模擬過程中模型尺寸為：水平桿長300mm，立桿長500mm，立桿、水平桿由φ48×3.5鋼管制成。輪盤及插銷尺寸如圖2所示。

1.1 單元選擇

采用ANSYS有限元軟件進行建模分析，實體結構采用solid45單元；插銷與輪盤之間接觸面采用conta175單元。

1.2 邊界條件

模型中立桿頂部和底部及水平桿遠端均采用固定約束條件。

1.3 計算工況

輪扣式腳手架在工程應用過程中可能遇到3種工況：①工況1(立桿為中心桿) 此時輪盤中插入4個水平桿插銷，承受4個水平桿傳來的荷載，如圖3a所示；②工況2(立桿為邊桿) 此時輪盤中插入3個水平桿插銷，承受3個水平桿傳來的荷載，如圖3b所示；③工況3(立桿為角桿) 此時輪盤中插入2個水平桿插銷，承受2個水平桿傳來的荷載，如圖3c所示。

1.4 本構模型

選用Mises屈服準則，強化準則選用BKIN隨動強化材料模型，材料本構模型采用理想彈塑性線性強化模型。

Mises屈服準則表達式如式(1)所示：

σe-σy=0

(1)

式中：σe為等效應力；σy為屈服應力。

σe計算如式(2)所示：

(2)

式中：σ1，σ2，σ3為3個主應力。

1.5 模擬結果分析

3種工況下輪扣式腳手架某一時刻應力如圖4所示。由圖4可知，在荷載作用下，水平桿將發生較大的彎曲變形，故水平桿彎曲破壞是輪扣式腳手架主要破壞形式。除水平桿彎曲變形外，立桿也會發生一定的穩定性變形，帶動輪盤產生向下位移，如圖5所示。

圖5 3種工況下的輪盤在正常工作狀態下的位移-荷載曲線

由圖4可知，在工況1下，立桿基本處于軸心受壓狀態，此時立桿產生的變形僅為穩定性變形，故變形很小；在工況2下，立桿由軸心受壓變成單向偏心受壓，此時偏心壓力使立桿產生額外彎曲，故工況2變形大于工況1；在工況3下，立桿受到雙向偏心荷載作用，雙向偏心荷載產生的額外彎矩更大，故此工況下的變形最大。

由圖5可知，在加載初期，輪盤豎向位移很小，基本隨荷載呈線性增長，且增長幅度很小，處于彈性狀態；隨著荷載增大，豎向位移逐漸增大，與荷載變化呈非線性特征，已表現出明顯的彈塑性特征；當荷載增大至一定值后，輪盤豎向位移呈加速增大趨勢，預示輪扣式腳手架破壞。

2 輪扣式腳手架破壞形式分析

2.1 立桿失穩破壞

1)破壞性質 立桿作為腳手架的主要承力構件，其失穩破壞為延性破壞。

2)破壞條件 在荷載作用下，立桿承受軸向壓力，當荷載增大至某值時，立桿出現撓度，撓度隨荷載增大不斷增大，當荷載增大至某值后，桿件出現塑性變形，發生偏心受壓破壞，破壞形態為失穩破壞，對應的臨界點即為失穩破壞點。

3)破壞現象 立桿承受軸向壓力時，當壓力較小時，壓桿平衡屬于穩定平衡，在軸壓作用下立桿無明顯撓度。當壓力增大至某臨界值時，壓桿從穩定平衡轉變為不穩定平衡，使立桿產生附加彎矩，隨著荷載的不斷增大，撓度逐漸增大，最終導致桿件完全喪失承載力。

4)破壞承載力計算方法 對于實腹式軸心受壓鋼構件的整體穩定承載力，采用式(3)或式(4)進行計算：

不組合風荷載時：

(3)

組合風荷載時：

(4)

式中：N為軸壓承載力；φ為軸心受壓整體穩定系數，根據長細比λ值按規范附錄查表取值；A為構件全截面面積；Mw為立桿段風荷載設計值產生的彎矩，Mw=0.9×1.5Mwk，Mwk為風荷載產生的彎矩標準值；W為截面抗彎模量[11]；f為抗壓承載力設計值。

根據立桿失穩破壞的相關分析，可得到本文有限元模擬工況下立桿理論承載力為172.1kN。

2.2 插銷焊縫剪切破壞

1)破壞性質 插銷破壞的主要形式為焊縫剪切破壞，破壞性質為脆性破壞。

2)破壞條件 隨著豎向荷載不斷增加，水平桿承受的荷載不斷增大，插銷作為支承水平桿的支座，其支座反力也不斷增大。插銷與水平桿間為焊接連接，故在豎向荷載作用下，水平桿兩端插銷承受剪力作用，當焊接質量不高導致水平桿與插銷連接處焊縫承載力較低時，易發生插銷焊縫剪切破壞。

3)破壞現象 隨著豎向荷載不斷增大，插銷所承受的反力增大，當荷載增大至一定值后，插銷與水平桿間的焊縫被剪斷。

4)極限承載力計算方法：

(5)

式中：A為剪切面面積；Q為剪切面上的剪力；[τ]為剪切強度限值。

5)插銷受剪承載力計算：

(6)

式中：fvw為插銷焊縫抗剪強度。

根據插銷焊縫破壞的相關分析，可得到本文有限元模擬工況下插銷破壞理論承載力為140.7kN。

2.3 水平桿彎曲破壞

1)破壞性質 水平桿發生彎曲變形的破壞性質為延性破壞。

2)破壞條件 水平桿作為直接承受外部荷載的構件，當其所受荷載達到一定值時，截面發生彎曲屈服。

3)破壞現象 加載初期，水平桿在外荷載作用下幾乎無變形，隨著荷載不斷增大，跨中部位開始出現彎曲變形，但彎曲變形的發展較緩慢；隨著承受荷載繼續增大，試件彎曲變形速度加快，豎向位移變得明顯。

4)水平桿極限承載力需滿足式(7)要求：

(7)

式中：Mx為水平桿承受彎矩，可通過簡支梁靜力平衡條件確定；γx為塑性發展系數；Wn為截面抗彎模量。

根據水平桿彎曲破壞的相關分析，可得到本文有限元模擬工況下水平桿理論承載力為121.9kN。

2.4 輪盤與立桿間焊縫剪切破壞

1)破壞性質 輪盤與立桿間通過焊接連接，焊縫發生剪切破壞的破壞性質為脆性破壞。

2)破壞條件 豎向荷載通過水平桿和插銷傳遞給輪盤，當輪盤與立桿間焊縫質量較差時，焊縫在豎向荷載作用下發生剪切破壞。

3)破壞現象 輪盤與立桿間焊縫在加載初期，位移呈線性增長趨勢但數值很小；當荷載達到極限荷載時，焊縫突然破壞，表現出明顯的脆性破壞特征。

4)極限承載力計算公式：

(8)

根據輪盤與立桿間焊縫的剪切破壞相關分析，可得到本文有限元模擬工況下插銷破壞的理論承載力為168.8kN。

3 理論破壞形式與有限元模擬及工程應用的對比分析

將輪扣式腳手架理論分析的4種破壞形式極限承載力與有限元模擬得到的極限承載力進行對比，如表1所示。由表1可知，理論分析的4種破壞形式中，水平桿彎曲破壞極限承載力最低，為121.9kN；而立桿失穩破壞極限承載力最高，達172.1kN。有限元分析得到的輪扣式腳手架破壞形式為水平桿彎曲破壞，說明輪扣式腳手架最有可能的破壞形式為水平桿彎曲破壞；有限元模擬得到的水平桿彎曲破壞承載力為120kN，與理論分析得到的值非常接近。

表1 承載力對比研究 kN

在實際工作中，輪扣式腳手架往往發生插銷焊縫剪切破壞，如圖6所示，分析原因如下。

圖6 輪扣式腳手架插銷焊縫剪切破壞

1)輪扣式腳手架插銷在與水平桿焊接連接過程中，焊接質量不高，無法達到焊接強度或焊接面積要求。

2)鋼管經過多次周轉，產生變形、彎曲，導致對接部位出現初彎曲，使構件承載力下降。

3)鋼管到達施工場地后，由于要進行多次切割，端面不平整，無法與其他構件更好地契合，導致更易發生破壞。

因此，在實際工程中，應注意對構件質量的控制，使用完成后應對桿件初始彎曲、缺陷等進行檢查控制，要及時更換不合格桿件，保證輪扣式腳手架極限承載力[12]。

4 各因素對水平桿彎曲破壞承載力的影響

4.1 材質

輪扣式腳手架主要材料為鋼管和扣件，這些材料強度直接影響腳手架承載力[13-14]。現將Q235鋼更換為Q345鋼，其他參數不變，分析輪扣式腳手架材質對水平桿彎曲破壞承載力的影響。

計算結果如表2所示。由計算結果可知，當腳手架鋼材由Q235鋼更換為Q345鋼時，水平桿理論承載力為136.6kN，比Q235鋼理論承載力提高12%，提升幅度較明顯。

表2 鋼材強度對水平桿彎曲破壞承載力的影響

4.2 鋼管壁厚

當鋼管直徑不變、鋼管壁厚發生變化時，鋼管截面面積發生變化，對應的截面模量也會發生變化，會影響水平桿彎曲破壞承載力。為分析鋼管壁厚對水平桿彎曲破壞承載力的影響，分別選取壁厚為3.5，3.2，3.0，2.8，2.5mm鋼管進行計算，結果如表3、圖7所示。

表3 鋼管壁厚對水平桿彎曲破壞承載力的影響

圖7 鋼管壁厚對水平桿彎曲破壞承載力的影響

計算結果表明，鋼管壁厚對水平桿彎曲破壞承載力有很大影響，隨著鋼管壁厚的減小，水平桿彎曲破壞承載力也逐漸減小，幾乎呈線性關系。當鋼管壁厚為3.5mm時極限承載力為121.9kN，當鋼管壁厚為2.5mm時極限承載力減小至103.6kN，鋼管壁厚減小28.6%，承載力降低15.0%。

4.3 鋼管直徑

在鋼管壁厚不變的條件下，改變鋼管直徑同樣會改變鋼管截面面積，進而影響截面模量及水平桿彎曲承載力。為分析鋼管直徑對水平桿彎曲破壞承載力的影響，將鋼管直徑由48mm分別調整為42，36mm，計算結果如表4、圖8所示。

表4 鋼管直徑對水平桿彎曲破壞承載力的影響

圖8 鋼管直徑對水平桿彎曲破壞承載力的影響

由計算結果可知，水平桿彎曲破壞承載力與鋼管直徑有直接關系。隨著鋼管直徑的減小，水平桿彎曲破壞承載力逐漸降低，基本呈線性關系。鋼管直徑由48mm減小至36mm時(減小25%)，極限承載力由121.9kN降低至103.6kN，降低15.0%。

從表4、圖8可知，隨著桿件橫截面面積的增加，水平桿極限承載力也在增加。

5 焊縫長度對插銷焊縫剪切破壞承載力的影響

插銷焊縫剪切破壞是輪扣式腳手架在工程中常見的破壞形式[15-16]。而焊縫長度及強度是影響輪扣式腳手架插銷焊縫剪切破壞承載力的主要因素，其中焊縫強度與工人技術有很大關系，隨機性較強，故僅針對焊縫長度對插銷焊縫剪切破壞承載力的影響展開研究。

為研究焊縫長度對插銷焊縫剪切破壞承載力的影響，選取5種焊縫長度(分別為5，10，15，20，25mm)進行分析，計算結果如表5、圖9所示。

表5 焊縫長度對插銷焊縫破壞承載力的影響

圖9 焊縫長度對插銷焊縫剪切破壞承載力的影響

由計算結果可知，焊縫長度對插銷焊縫剪切破壞承載力有較大影響。隨著焊縫長度的增大，插銷焊縫剪切破壞承載力明顯提升。當焊縫長度為5mm時，插銷焊縫剪切破壞承載力為101.3kN，而當焊縫長度增大至25mm時，插銷焊縫剪切破壞承載力提高至140.7kN，提高38.9%。

6 結語

1)輪扣式腳手架可能發生的破壞形式主要包括立桿失穩破壞、插銷焊縫剪切破壞、水平桿彎曲破壞及輪盤與立桿間焊縫剪切破壞。

2)4種破壞形式中，水平桿彎曲破壞承載力最低，而立桿失穩破壞承載力最高，故水平桿彎曲破壞是理想狀態下最可能的破壞形式。實際工程中，由于施工質量等原因，插銷焊縫剪切破壞也是常見的破壞形式。

3)鋼管材質、壁厚和直徑影響輪扣式腳手架水平桿彎曲剪切破壞承載力，隨著鋼管材質的提高及鋼管壁厚和鋼管直徑的增大，水平桿彎曲破壞承載力均有所提升。

4)焊縫長度和強度對插銷焊縫剪切破壞承載力的影響較大，焊縫長度越大，插銷焊縫剪切破壞承載力越大。