新型盤扣式鋼管支架單元體受力性能研究

王 婧，鄭七振，讓 夢，龍莉波

（1. 上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093；2. 上海建工二建集團有限公司，上海 200080）

承插型盤扣式鋼管支架體系具有承載力大、可靠度高、適用性廣和環保美觀的優點，已列入住建部建筑業十項新技術之一，廣泛應用于各種工程施工，并成為高大支模方案的首選[1-5]。但是在實際工程應用中，由于受到構件定型化和規范頂部自由端限值的影響[6]，支架體系在梁板交匯處、異形結構處和大截面梁下等復雜施工環境下無法完全形成整體。本文通過基本單元體試驗，研究螺絲盤節點的連接可靠性，并基于試驗數據，建立節點半剛性有限元模型，通過對比分析試驗值和理論值，確定節點剛度值的取值范圍，提出合理的建議值，為實際分析設計提供參考，為該新型全工況適應型盤扣式鋼管模板支架的應用提供有效的技術和理論依據，大力推動新型腳手架的發展和應用。

1 基本單元體試驗研究

1.1 試驗方案設計

普通鋼管腳手架支撐體系的現存問題有：施工時需增設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，如圖1～2 所示，這樣極大降低了結構的整體穩定性。為解決這個問題，本文優化設計了一種可添加旋轉連接盤（簡稱“螺絲盤”），見圖3～4。根據梁下支架高度及頂部自由懸臂端限值，在頂托絲桿上加設螺絲盤，可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，從而提高結構的整體穩定性[7-8]。

圖 1 模板支架示意圖Fig.1 Sketch map of steel pipe support formwork

圖 2 模板支架實圖Fig.2 Real map of the steel pipe support formwork

圖 3 螺絲盤節點組件Fig.3 Joint assembly of the screw plate

圖 4 新型盤扣式鋼管支架體系Fig.4 New type of disk lock steel pipe scaffold system

本試驗不考慮豎向斜撐，以支架受力形式、縱橫跨距和頂層水平加強層為主要參數，共設計了5 組規格的新型盤扣式基本單元體試驗，試驗架體步距均為1 000 mm，掃地桿距離地面均為300 mm，頂部懸臂自由端長度為760 mm。試件參數如表1 所示，試驗桿件規格和材性參數如表2所示。

表 1 試件參數Tab.1 Specimen parameters

1.2 試驗裝置

圖5 為試驗加載圖，荷載首先由500 t 千斤頂通過反力架施加在分配梁上，然后再由槽鋼均勻分配到頂托內的雙鋼管上。為確保所有測量設備正常工作，預加載50 kN，分級加載，每級加荷25 kN后持荷3 min，使結構變形趨為穩定。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。

表 2 主要桿件規格及材性參數Tab.2 Main components specifications and material properties parameters

圖 5 試驗加載圖Fig.5 Test loading

為量測逐級加載過程中結構內力變化與變形情況，本試驗共布置應變測點8 個，為觀測基本單元體的各桿件受力均勻性，4 根立桿和頂層4 根水平桿的中部皆布置1 個應變測點，每個應變測點處均貼2 片單向應變片。在試驗架體外圍搭設一層輔助支架，用以安裝位移計，位移測點共布置4 個，每個測點安置2 個位移計，分別測量x，y 方向水平側移，如圖6 所示。圖7 為試驗中螺絲盤與加長絲桿的詳細尺寸圖，圖8 為測點布置詳圖。

圖 6 測點布置圖Fig. 6 Layout of measuring points

圖 7 主要構件尺寸詳圖Fig. 7 Main components details

圖 8 測點布置詳圖Fig. 8 Detailed layout of measuring points

1.3 試驗結果與分析

分級加載，當施加荷載增加，采集儀數據不再增加反而減小，表明基本單元體不能繼續受荷，或是結構突然產生大變形時，宣告結構已經破壞。試件的破壞形態如圖9 所示，試驗架體的破壞主要是雙鋼管被壓扁，U 形頂托彎曲，最終結構發生有側移整體彎扭失穩破壞，而螺絲盤節點并沒有明顯的破壞現象。基本單元體試驗結果如表3 所示。試驗過程中，試件破壞形態均為側移整體彎扭失穩。失穩破壞前，雙鋼管被壓扁，頂托發生壓彎變形。螺絲盤節點沒有明顯破壞，且螺絲盤與絲桿連接可靠，沒有產生相對滑移。橫桿應變波動較大，無明顯規律，且橫桿應變數值很小，最大應變不超過40 με（鋼材屈服應變為1 140 με）。橫桿幾乎不參與承重，故重點分析立桿的受力，各立桿荷載-應力曲線圖結果如圖10 所示。

圖 9 破壞形態Fig. 9 Failure mode

表 3 基本單元體試驗結果Tab.3 Test results of the basic unit

圖 10 各試件中立桿荷載-應力曲線圖Fig.10 Load-stress patterns of neutral bars for each specimen

對比分析不同規格單元體的試驗現象，應變、位移數據和試驗結果，可以得出以下結論：

a. 對比JD1 和JD2 試件，在梁式支模架工況下，采用水平剪刀撐為頂層水平加強層的JD1 其極限承載力為370 kN，最大水平位移為3.99 mm；采用水平橫桿為頂層水平加強層的JD2 其極限承載力為250 kN，最大水平位移為13.43 mm。試件JD1 比JD2 的承載力提高了48%，且整體彎扭變形較小，表明結構頂層水平加強層僅設置“螺絲盤+水平桿”時整體穩定性較弱，建議采用“螺絲盤+水平桿+水平剪刀撐”，進一步提高頂層水平抗側移剛度。

b. 對比JD3 和JD4 試件，在板式支模架工況下，縱橫跨距為1 200 mm 的JD3 其極限承載力為200 kN，最大水平位移為12.78 mm；縱橫跨距為900 mm 的JD4 其極限承載力為294 kN，最大水平位移為14.9 mm。試件JD4 比JD3 的極限承載力提高了47%，說明適當減小立桿縱橫跨距可有效提高結構的穩定承載力。

c. 對比JD4 和JD5 試件，在板式支模架工況下，縱橫跨距同為900 mm，頂部懸臂自由端長度為760 mm，采用水平剪刀撐的JD4 其極限承載力為294 kN，最大水平位移為14.9 mm；采用水平橫桿的JD5 其極限承載力為240 kN，最大水平位移為8.89 mm。試件JD4 的極限承載力比JD5 的提高了22.5%，建議在工程應用中可采用“螺絲盤+水平桿+水平剪刀撐”頂部雙層加固形式，有效提高結構承載力。

2 有限元分析

2.1 模型建立

盤扣式鋼管支架的節點既不是理想剛接也不是理想鉸接，而是介于兩者之間的半剛接[9-14]。根據國內外學者研究成果，本文采用有側移半剛性鋼框架計算模型，運用SAP2000 有限元軟件建立空間有限元模型[15-20]。通過控制加在線單元端部的彈簧剛度，靈活地改變端部各自由端的釋放來模擬節點半剛性[21-24]。對比分析試驗值和理論值，驗證有限元分析及試驗結果的合理性，并確定節點剛度值的取值范圍。

選取基本單元體JD5 的模型為計算模型，假定有限元計算模型的單元體為空間框架單元，線對象類型為框架，假定橫桿與立桿為半剛性連接。材料的屬性選擇鋼材，具體參數詳見表4～5。框架邊界條件為底端鏈接、頂端自由，施加荷載的方式為由端部進行集中力加載。假定結構失穩破壞時，結構構件仍處于彈性受力階段，不考慮桿件的初始缺陷和材料缺陷的影響。整個加載過程中，只考慮豎向荷載的影響，不考慮其他荷載的影響。基本單元體計算模型如圖11 所示。

表 4 鋼管的幾何參數Tab.4 Steel pipe geometric parameter

表 5 鋼管的材料性質Tab.5 Steel pipe material properties

圖 11 計算模型Fig. 11 Calculation model

2.2 節點半剛性的影響

基本單元體試件實際上為有側移半剛性框架結構，根據《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》中給出的盤扣節點抗彎剛度建議值86 kN·mm/rad，假設半剛性節點抗彎剛度K 為10，20，30，40，50，60，70，80，90，100，110，120，150，200，300，400，500，單位為kN·mm/rad。以JD5 基本單元體為例，計算不同節點剛度值架體的臨界荷載。

圖12 是基本單元體整體穩定承載力與節點剛度值的關系曲線。整體穩定承載力與節點剛度的關系表現為非線性關系，與一般半剛性鋼框架的連接特性相一致。剛性連接的穩定承載力約為10 kN·mm/rad 的10 倍左右，表明節點半剛性是影響模板支架承載力的重要因素。節點剛度值在0～200 kN·mm/rad 之間時，整體穩定荷載增長較快，當超過200 kN·mm/rad 后，整體穩定荷載增長速率變小。這表明當節點剛度值較小時，剛度值K 是影響結構穩定承載力的關鍵因素之一，但當剛度值超過一定值后，K 對結構的穩定承載力影響不太明顯。

在試驗測量過程中，由于應力的測量相比位移受到的人為干擾因素更小一些，選取應力為模擬參考標準；再則立桿為架體的主要受力桿件，且立桿的應變片測點為2 個方向，由立桿應力平均值換算的軸力值較為精確，故選取立桿平均軸力作為參考標準。圖13（a）～（d）分別為JD5 架體立桿1～4 的試驗值與節點剛度K 取不同數值時立桿理論值的對比圖。

圖 12 整體穩定承載力與節點剛度值的關系曲線Fig. 12 Relationship between overall stability bearing capacity and joint stiffness

圖 13 不同K 值下立桿試驗值與理論值對比Fig.13 Comparison of experimental and theoretical values with different K

通過對比試驗值和理論值，當節點半剛性剛度值K 取值范圍為70～95 kN·m/rad 時，試驗結果與理論值吻合良好。考慮在實際工程應用中材料缺陷、構件的周轉重復使用和施工工人的人為過失等，建議設計計算時節點半剛性剛度值K 取70 kN·m/rad 較為安全，確保模板支架結構有足夠的安全儲備。

3 結束語

通過對新型盤扣式鋼管支架進行基本單元體試驗研究和有限元分析，可以得到以下結論：

a. 螺絲盤與絲桿連接可靠，試驗過程中不產生相對滑移，且螺絲盤節點具有較高強度，不會發生明顯破壞，節點不會先于構件發生破壞，建議應用于實際工程中。

b. 頂層水平加強層是影響結構整體穩定性的關鍵因素，增設水平剪力撐可大幅度提高框架的極限承載力，建議在工程應用中可采用“螺絲盤+水平桿+水平剪刀撐”頂部雙層加固形式，有效提高結構整體穩定性。

c. 適當減小立桿縱橫跨距可有效提高結構的穩定承載力，縱橫跨距減小25%，極限承載力可提高近50%，但結構整體抗側移性略微減小。

d. 有限元分析結果表明，當節點剛度取值在0～200 kN·mm/rad 之間時，節點半剛性值是影響結構整體穩定承載力的重要因素，對模板支架體系進行分析設計時應考慮節點半剛性的影響，以更準確地計算模型各項指標。

e. 對比分析試驗值和理論值后，確定節點半剛性值的取值范圍為70～95 kN·mm/rad，建議在工程應用中，考慮人工周轉、材料缺陷等不利因素的影響，半剛性節點的剛度值K 取70 kN·mm/rad較為安全。