鋼木組合腳手板構造形式的探討

劉玉中，程 金，胡牡香

(蘇州中材建設有限公司，江蘇蘇州 215000)

腳手架是建筑施工及造船等行業中不可缺少的重要施工工具，而與之配套的腳手板同樣也是不可缺少的重要器材。腳手板又稱腳手片，是在腳手架、操作架上鋪設，便于工人在其上行走、轉運材料和施工作業的一種臨時周轉使用的建筑材料。腳手板種類主要有木腳手板，竹腳手板以及鋼腳手板三大類。木腳手板由于存在易潮濕、易蟲蛀、易翹曲等問題，大大降低了其周轉次數，經濟性難以得到保障，目前的應用已越來越少。竹腳手板雖然價格低廉，但其使用舒適性遠不及木腳手板，且極易附著建筑垃圾，存在強度較差、周轉次數少等缺點，目前僅在南方地區有所應用。鋼腳手板是目前常見的一種腳手板，尤其是由冷彎薄壁型鋼加工形成的鋼腳手板具有輕質高強的特點，現已大規模地投入生產使用；但冷彎薄壁型鋼構件由于其壁厚較薄，構件中板件的寬厚比較大，且截面大多開口，使得構件在受力過程中容易發生失穩破壞，因此，其在生產過程中需要進行復雜的構造處理以避免發生失穩破壞，這樣便提高了生產成本，經濟性仍難以保證。

而將冷彎薄壁型鋼與木材進行有效地組合，形成鋼-木組合腳手板，同樣可有效地提高鋼材穩定性，防止其過早屈曲失穩，進而提高腳手板的承載性能；早在20世紀60年代，我國就開始研發鋼木混合腳手板[1]。另外，通過三十多年的建設，我國森林覆蓋率已從改革開放之初的12 %提高到目前的21.63 %，森林資源已經得到極大地恢復，木材的生產和利用將逐步進入良性循環階段，木材的環保優勢也已更為突出。

1 我國鋼木組合構件的研究應用現狀

1.1 鋼木組合構件受力性能研究

目前，我國學者主要針對不同截面形式的鋼木組合梁，組合柱以及組合樓蓋的力學性能進行了研究。

其中，東南大學的潘福婷等人[2]對鋼-木組合懸臂梁進行了試驗研究，其組合形式是在鋼板兩側疊放木板，并通過螺栓進行連接固定；試驗結果表明，組合梁具有較好的整體穩定性能，木板的側限作用保證了鋼板在達到材料屈服強度之前不會發生整體和局部屈曲破壞。同時，在組合梁試驗的基礎上，通過有限元分析軟件對鋼-木組合梁以及十字形組合柱的受力性能進行了分析，最后對組合構件在理論上進行了初步設計。

北京交通大學的陳愛國等人[3-5]對H型鋼-木組合梁的抗彎性能及連接靜力性能進行了研究，組合梁構造形式見圖1。研究結果表明，H型鋼和木板整體工作性能良好，組合效應顯著，構件跨中橫截面應變呈線性分布，試件荷載-跨中撓度曲線呈彈性和彈塑性兩個階段，最終以下翼緣木材跨中斷裂而破壞；且隨著木板厚度、鋼梁翼緣厚度及寬度、腹板高度的增大，試件的承載力呈現不同程度的提高；最后提出了該種鋼-木組合梁跨中撓度及受彎承載力的簡化計算式，并將其計算結果與試驗結果進行對比，結果表明計算式精度較高，可以為該種鋼-木組合梁的應用提供設計依據。

圖1 H型鋼-木組合梁截面示意

同濟大學的何敏娟等人[6-7]對輕型鋼木混合樓蓋的抗側性能進行了研究，結果表明，由于鋪設木材的原因，樓蓋側向剛度得到增強；且與木材相連接的C型鋼擱柵上翼緣未出現屈曲現象，證明了木材對其有明顯的加強作用。

根據以上學者對鋼木組合構件的研究表明，木材對鋼材有明顯的加強作用，避免了鋼材發生整體屈曲破壞，同時有效延緩了鋼材的局部屈曲，進而使鋼材的力學性能得到了更充分的發揮。

1.2 鋼木組合構件在實際工程中的應用

中國美術學院風景建筑設計研究院的申屠團兵等人[8]依附交叉編織異形鋼木組合屋架的實際工程案例，對代表榀屋架進行了機構分析，獲得了優化后的無明確下弦桿異形鋼木組合屋架結構體系(圖2)，其中鋼木組合桿件的構造形式見圖3；并通過對3種節點以及整體足尺結構的受力試驗研究，得到了鋼木組合桿與木桿混搭時連接問題的解決方案，且結構體系既可實現建筑構想又能夠滿足結構的安全及使用要求。

圖2 無明確下弦桿異形鋼木組合屋架結構體系

圖3 鋼木組合桿件(單位：mm)

2 鋼木組合腳手板構造形式探討

我國在20世紀60年代曾研究開發過一批鋼木混合腳手板(圖4)。采用鋼板、角鋼或槽鋼，與木板拼裝而成，這種腳手板可充分利用小木板作板面，板面的防滑和耐熱性能較好。但其剛度偏小，且重量較大，同時，木板裸露在外，仍會出現木腳手板常見的易潮濕、易蟲蛀、易翹曲等問題。

圖4 鋼木混合腳手板

針對以上問題，為了避免木材易受外界環境影響的問題，同時，需要木材為鋼材提供有效的側向支撐，提出了一種外包鋼式的鋼木組合腳手板(圖5)。該腳手板的特征在于，整片腳手板由若干根截面小、質量輕的冷彎薄壁鋼木組合梁連接形成。

圖5 鋼木腳手板的結構示意

而這種鋼木組合梁的特征在于，組合梁的組合形式與鋼管混凝土相似(圖6)，組合梁的主體為矩形截面冷彎薄壁型鋼鋼管；冷彎薄壁型鋼鋼管因其截面封閉，剪心與形心重合，相比于C形和U形等開口截面構件具有更好的抗扭性能及更大的抗彎剛度，構件形式更為安全。同時鋼管內部的木材能夠為冷彎薄壁型鋼鋼管提供一定的側向支撐，防止鋼材過早的屈曲失穩，進而可提高組合梁的承載能力；且木材被包裹于鋼管內部，其耐久性也得到了進一步的提高。

圖6 鋼木組合梁剖面

在組合梁的底面兩端設有C形卡槽，以便于將其搭設在腳手架的縱向水平桿上，并防止腳手板在腳手架上滑動，以避免工人在腳手板上作業時發生腳手板滑落的危險；組合梁底面兩端的C形卡槽并非與組合板焊接成為整體，其是通過螺栓或套箍等方式進行連接，可拆卸更換；同時，為了防止工人在腳手板上作業時滑倒，還在組合板的表面設有橡膠防滑墊。組合梁各方向的平面圖見圖7。

圖7 鋼木組合梁各方向的平面

而鋼木組合梁通過兩根柔性鋁條進行連接，且各組合板之間留有一定的間隙，以便于板上的沙土等雜物漏下，方便清洗；連接鋁條只受水平方向拉力，不承擔豎向荷載，各鋼木組合板可沿鋁條方向卷起，鋪設與拆卸工作僅需一名工人即可完成，操作簡便，且鋪拆效率高；同時，鋁條質量輕，價格比鋼條低，且不易銹蝕，耐久性好，可大大提高腳手板的周轉次數。連接各鋼木組合板的鋁條中間設有可移動的固定螺栓，其不僅可以固定組合板，還可以根據不同板寬的尺寸要求進行更換，或在某片組合板發生過大變形等問題不能繼續使用時進行更換。其連接構造見圖8。

圖8 鋼木組合梁連接構造示意

該鋼木組合腳手板可充分利用冷彎薄壁型鋼和木材各自的優點，輕質、高強。一方面冷彎薄壁型鋼將木材包裹，可對其施加約束，提高木材強度，還可對其形成保護，起到防潮、防蟲的效果，提高了木材的耐久性，延長了其使用壽命；另一方面，木材填充到冷彎薄壁型鋼管內，對其起到了很好的支撐作用，增大了構件截面剛度，提高了構件的穩定性。兩種材料的相互作用使得構件具有了輕質、高強的優勢。同時，其組裝靈活、簡便，拆卸快捷，工作效率高；使用過程中，可根據需要進行組裝、調整，拼裝、連接與拆卸均較為簡單，不需要大型或特殊的設備，工作效率高。

3 結束語

鋼木組合構件中的木材對鋼材有明顯的加強作用，可避免鋼材發生整體屈曲破壞，同時有效延緩鋼材的局部屈曲，進而使鋼材的力學性能得到充分的發揮。而將這種組合形式運用到腳手板中，可克服目前市場上所銷售腳手板的缺點。文中所提出的鋼木腳手板具有輕質、高強，組裝與拆卸簡便，施工快捷，耐銹蝕，循環次數多，綜合效益好等優點，將具有良好的市場前景。