承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)自鎖性能改進(jìn)問題探討

李玉賓

(貴州逢源恒通工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司，貴州 貴陽 550001)

0 引 言

長期以來，盤扣式腳手架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算大多以經(jīng)驗(yàn)為主，隨著高大建筑的出現(xiàn)，腳手架搭設(shè)的高度大大增加，若僅憑經(jīng)驗(yàn)判斷則無法保證其結(jié)構(gòu)的可靠性。盤扣式腳手架屬于附著式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)及性能的穩(wěn)定性直接關(guān)系著所附著建筑的穩(wěn)定，同時(shí)又受到施工結(jié)構(gòu)體系的較大影響。在施工過程中，盤扣式腳手架受力較為復(fù)雜，導(dǎo)致其節(jié)點(diǎn)在所負(fù)荷載的作用下容易松動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)腳手架體系局部甚至全局失穩(wěn)。本文在分析承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)自鎖性能及自鎖條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了自鎖性能良好的雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析，可為承插型盤扣式腳手架在工程建筑領(lǐng)域的更好應(yīng)用提供借鑒參考。

1 工程概況

某商業(yè)+高層住宅樓為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，單體工程存在較多凸窗設(shè)計(jì)，受力結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致其架體節(jié)點(diǎn)處理存在較大難度。所以，本分項(xiàng)工程應(yīng)以細(xì)部構(gòu)造處理為控制重點(diǎn)；建筑結(jié)構(gòu)外形不規(guī)則，有較多陰陽角設(shè)計(jì)，懸挑主梁也存在較大設(shè)置難度。該商業(yè)+高層住宅樓結(jié)構(gòu)建筑安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑抗震設(shè)防類別為丙類。腳手架是高層住宅樓建筑施工用臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，其主要承受施工過程中各項(xiàng)垂直和水平荷載，故腳手架必須有足夠的承載能力、剛度及穩(wěn)定性，其節(jié)點(diǎn)必須連接穩(wěn)固，在各種荷載綜合作用下不至于失穩(wěn)倒塌，以及發(fā)生超過允許要求的變形、傾斜搖晃及扭曲，以保證結(jié)構(gòu)安全。

2 承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)改進(jìn)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行承插型盤扣式腳手架搭設(shè)時(shí)必須將橫桿端扣接頭卡進(jìn)承插盤內(nèi)，并將插銷楔進(jìn)橫桿和承插盤內(nèi)的插孔，再將插銷敲緊。節(jié)點(diǎn)主要借助插銷和橫桿接頭的接觸進(jìn)行作用力的傳遞[1]，所以節(jié)點(diǎn)連接的穩(wěn)固性主要受插銷楔緊程度和自鎖性能的影響。

2.1 節(jié)點(diǎn)自鎖性能分析

根據(jù)盤扣式腳手架受力模型，只有當(dāng)其節(jié)點(diǎn)插銷斜面的接觸摩擦系數(shù)比插銷和橫桿端扣接頭處的摩擦系數(shù)大時(shí)，腳手架節(jié)點(diǎn)才能在各種載荷條件下具備良好的自鎖性能[2]。由于單圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)處插銷斜面和端扣接頭處的當(dāng)量摩擦系數(shù)相同，當(dāng)插銷斜面的驅(qū)動(dòng)力超出斜面摩擦力時(shí)便會(huì)引發(fā)插銷的滑動(dòng)，進(jìn)而打破節(jié)點(diǎn)自鎖平衡，導(dǎo)致腳手架結(jié)構(gòu)局部甚至整體失穩(wěn)。

2.2 雙圓盤腳手架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

當(dāng)驅(qū)動(dòng)力增加至一定限度，作用于插銷斜面的摩擦力達(dá)到最大水平，引發(fā)插銷向上滑動(dòng)，節(jié)點(diǎn)失去自鎖功能，而承插盤和插銷接觸面當(dāng)量摩擦系數(shù)的增大能使支架節(jié)點(diǎn)自鎖性能提升。傳統(tǒng)的承插型盤扣式腳手架通過調(diào)整接觸面形式以使其當(dāng)量摩擦系數(shù)增大的做法會(huì)因插銷楔緊阻力的增大而不利于插銷敲緊和裝配。為保證支架節(jié)點(diǎn)具備良好的自鎖性能，本文提出雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。此節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要通過增設(shè)承插盤，并將橫桿端扣接頭調(diào)整為鋼板折彎件而發(fā)揮作用。

該節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要包括橫桿、立桿、插銷、圓盤等部件，其承插盤主要為上下兩個(gè)圓盤，上承插圓盤與單圓盤節(jié)點(diǎn)承插盤相同，而為增加當(dāng)量摩擦系數(shù)，下承插圓盤則為V字形插銷槽設(shè)計(jì)。在交變彎矩的作用下，雙圓盤承插型腳手架節(jié)點(diǎn)處插銷因受到端口接頭的擠壓而與下承插圓盤V字形插銷槽接觸面當(dāng)量摩擦系數(shù)增大，自鎖性能增強(qiáng)，對(duì)于較大沖擊振動(dòng)荷載的施工情形較為適用。

3 節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能分析

橫桿傳遞的彎矩會(huì)進(jìn)一步作用于腳手架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件[3]進(jìn)行雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)與單圓盤支架節(jié)點(diǎn)同在彎矩作用下承載性能對(duì)比分析，便可得出兩種支架形式受彎矩作用后半剛性特性、力學(xué)性能及構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的變動(dòng)情況。

3.1 節(jié)點(diǎn)有限元模型

按照實(shí)際腳手架節(jié)點(diǎn)尺寸進(jìn)行有限元模型創(chuàng)建，立桿上下端均采用規(guī)定約束形式，而承插盤和橫桿則通過插銷連接，在進(jìn)行腳手架節(jié)點(diǎn)抗彎數(shù)值模擬時(shí)，應(yīng)結(jié)合彎矩情況進(jìn)行接觸對(duì)設(shè)置。單圓盤和雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及彎矩作用下的抗彎模型如圖1、圖2所示。

圖1 單圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及抗彎模型(單位：m)

圖2 雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及抗彎模型(單位：m)

荷載F作用于橫桿左端后節(jié)點(diǎn)同時(shí)承受彎矩作用，荷載F與橫桿長度乘積即為彎矩大小。為分析支架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)受力變形情況，采用ANSYS軟件進(jìn)行載荷力從1 kN增至10 kN過程的模擬分析。根據(jù)分析結(jié)果，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨載荷力的增加而穩(wěn)定增大，并能得出各級(jí)載荷作用下單圓盤節(jié)點(diǎn)和雙圓盤節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖[4]。當(dāng)雙圓盤節(jié)點(diǎn)載荷應(yīng)力增大至7 kN時(shí)，橫桿開始出現(xiàn)應(yīng)力屈服部位和塑性變形區(qū)域，而其余構(gòu)件因應(yīng)力值較小而無應(yīng)力屈服表現(xiàn)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)彎矩和所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系繪制節(jié)點(diǎn)剛度M-θr曲線，節(jié)點(diǎn)彎矩可根據(jù)橫桿荷載和橫桿尾端至立桿中心線距離之乘積求得，所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角則通過橫桿末端邊緣位移值求取[5]，具體公式如下：

式中：θr為節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)彎矩所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角，rad；δ為橫桿末端邊緣位移值，m；L為橫桿末端至立桿中心線的距離，m。正反向彎矩作用下的腳手架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)彎矩所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角取值詳見表1和表2。

表1 正向彎矩作用下腳手架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)彎矩所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角

表2 反向彎矩作用下腳手架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)彎矩所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角

將兩測(cè)點(diǎn)間曲線視為直線后，可進(jìn)行正向彎矩作用下單圓盤和雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的估算，其轉(zhuǎn)動(dòng)剛度分別在38.5～50 (kN·m)/rad以及 45～75 (kN·m)/rad，可見自鎖性能改進(jìn)后的雙圓盤節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)剛度明顯優(yōu)于單圓盤結(jié)構(gòu)。而在反向彎矩作用下，單圓盤和雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度分別為30～50 (kN·m)/rad以及50～60 (kN·m)/rad。

3.2 節(jié)點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)行雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)抗彎剛度及剛性特征的分析，通過微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)[6]，且施加的荷載力及所產(chǎn)生的位移由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)提取。當(dāng)所施加的荷載力持續(xù)增大，雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)橫桿端扣接處先出現(xiàn)塑性變形，而后承插盤也表現(xiàn)出塑性變形，且當(dāng)荷載力達(dá)20 kN后節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)屈服。

根據(jù)腳手架節(jié)點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在加載開始后，因構(gòu)件之間初始間隙的存在，腳手架節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)值大于數(shù)值分析結(jié)果，而當(dāng)節(jié)點(diǎn)材料發(fā)生屈服后，材料塑性變形得到強(qiáng)化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)值超出數(shù)值分析結(jié)果，最終使實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果呈同趨勢(shì)變動(dòng)。在正向和反向彎矩作用下，雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)值分別為71 (kN·m)/rad及60～75 (kN·m)/rad。

4 結(jié)束語

綜上所述，腳手架節(jié)點(diǎn)自鎖性能主要與連接構(gòu)件接觸面當(dāng)量摩擦系數(shù)有關(guān)，以這種關(guān)系為基礎(chǔ)構(gòu)建節(jié)點(diǎn)受力模型并進(jìn)行腳手架節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過分析發(fā)現(xiàn)，雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點(diǎn)自鎖性能優(yōu)良，并能避免在交變荷載影響下發(fā)生松動(dòng)，穩(wěn)固性較好，且具有比單圓盤節(jié)點(diǎn)更好的承載性能，其節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度也比單圓盤腳手架節(jié)點(diǎn)高，數(shù)值分析顯示的誤差也較小，說明有限元數(shù)值模擬分析能進(jìn)行腳手架節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的精確計(jì)算。