重慶產業園孵化樓工程中盤扣式腳手架力學性能分析

王潔

摘要：承插型盤扣式腳手架由于其良好的力學性能、耐久性和觀感，近年來在工程中應用越來越廣泛。開展抗扭剛度試驗，分析插銷楔緊度與盤扣架體節點抗扭剛度的關系，并給出了合理化建議。通過數值模擬手段，分析不同參數對架體承載力的影響。研究結果表明：盤扣節點扭矩與轉角位移成正相關關系，在不同的楔緊度工況下盤扣節點剛度存在峰值。相比于Ф48型盤扣構件，Ф60型盤扣構件抗扭剛度更高，但延性相對較低。Ф48型盤扣構件插銷下沉量宜取約2.7cm，Ф60型盤扣構件插銷下沉量宜取約1.8cm。數值分析結果表明，水平桿步距對架體承載力影響更為顯著，在實際工程中，應著重考慮支撐架體承載力受水平桿步距的影響。

關鍵詞：承插型盤扣式腳手架；抗扭剛度試驗；數值模擬；承載力

0? ?引言

承插型盤扣式腳手架由于其良好的力學性能、耐久性和觀感，近年來在工程中應用越來越廣泛，許多研究人員對其力學特點和施工工藝進行了一系列研究[1-2]。劉京紅等[3]開展了一系列盤扣架足尺試驗，對比分析了三種斜桿布置方式的力學差異。李金明[4]依托青島地鐵四號線海泊橋車站項目，介紹了盤扣架的主要施工步序和施工工藝。楊和鐘和周士杰[5]提出了一種新的盤扣架體復合支撐體系，并對其經濟、社會效益進行了分析。趙虎等[6]將盤扣架技術應用于超高及不規則建筑中，并詳細論述了其施工要點。

在前人研究的基礎上，本文開展了一系列抗扭剛度試驗，分析了插銷楔緊度對盤扣架體節點抗扭剛度的關聯。通過數值模擬手段，研究了不同參數對架體承載力的影響，并對相關施工要點進行了探討。本文的研究成果可為承插型盤扣式腳手架的設計與施工提供一定的指導、借鑒意義。

1? ?試驗概況

1.1? ?選取試驗構件

本文依托重慶市傳感器特色產業基地項目，開展抗扭剛度試驗，探究盤扣架節點抗扭剛度受插銷楔緊程度的影響。盤扣節點抗扭試驗如圖1所示。選用Ф48型和Ф60型兩種盤扣構件，試驗試件主要為施工現場隨機抽取的盤扣架水平桿、帶水平圓盤的立桿和插銷。

試驗構件規格和材質如表1所示。其中立桿與水平桿規格由直徑×壁厚表示，插銷規格由厚度表示，連接圓盤規格由直徑×厚度表示，單位均為mm。通過位移計對立桿、水平桿的控制點進行測定，從而對節點轉角位移大小計算。

1.2? ?實驗過程

試驗開始前，通過液壓機加持鉗將立桿兩端進行固定，將兩端邊界條件視為剛接。施加集中荷載于水平桿遠離立桿一側端部，采用逐級加載方式進行試驗加載，每級荷載控制在0.1kN，持續時間為2min。在進行正式加載前，進行預加載，以消除各構件間的安裝間隙，并對監測儀器進行檢驗。當測點位移超過位移量程10cm或鋼管出現明顯彎曲破壞后，試驗結束，即停止加載并進行卸載。

通過插銷楔緊度對插銷楔緊等級進行表示。Ф48型盤扣節點構件插銷下沉量為0.3cm時，楔緊度為10%。插銷下沉量為3cm時，楔緊度為100%。Ф48型盤扣節點構件插銷下沉量為0.2cm時，楔緊度為10%。插銷下沉量為2cm時，楔緊度為100%。

2? ?試驗結果分析

不同插銷楔緊度工況下盤扣節點扭矩隨轉角變化曲線如圖2所示，其中圖2a為Ф48型盤扣構件試驗結果，圖2b為Ф60型盤扣構件試驗結果。

2.1? ?Ф48型盤扣構件試驗結果

從圖2a中可以看出，盤扣節點扭矩隨著轉角位移的增加而增大，扭矩大小與轉角位移呈現正相關關系。隨著轉角位移的增加，盤扣扭矩增加速率逐漸下降，曲線隨轉角位移的增加而逐漸平緩。各工況相比，同一轉角位移下，節點扭矩最高的為80%楔緊度工況，峰值扭矩約為1.39kN·m。低于80%楔緊度下，節點扭矩呈現出隨著楔緊度增加而提高的規律，100%楔緊度工況與60%楔緊度工況扭矩-轉角曲線基本一致。

2.2? ?Ф60型盤扣構件試驗結果

從圖2b中可以看出，相比于Ф48型盤扣構件，Ф60型盤扣構件剛度更高，延性較低，即同一工況下各轉角位移對應的節點扭矩數值更高。這是由于Ф60型盤扣構件截面外徑更大，其回轉半徑也大于Ф48型盤扣構件，因此其節點承載力更大。各工況下其與圖2a現象有明顯差異，同一轉角位移下，節點扭矩呈現出隨著插銷楔緊度增加而增大的規律，100%插銷楔緊度工況下，峰值扭矩達到了1.61kN·m。但隨著楔緊度的增加，構件延性呈現出明顯的下降趨勢。而Ф48型盤扣構件延性未有明顯差異。

2.3? ?綜合結果分析

結合試驗數據可以推論出，當插銷楔緊度小于90%時，節點抗扭剛度與插銷楔緊度呈現正相關關系。但隨著楔緊度的進一步增加，盤扣節點抗扭剛度呈現出一定的下降趨勢，在不同的楔緊度工況下盤扣節點剛度存在峰值。因此，Ф48型盤扣構件插銷下沉量宜取2.7cm，Ф60型盤扣構件插銷下沉量宜取1.8cm。

3? ?有限元數值模擬與分析

3.1? ?模型建立

為進一步研究盤扣架體參數對承載力的影響，本文通過有限元軟件建立盤扣架體數值模型，盤扣架體如圖3所示。相關架體參數如表2所示。架體高度為2700mm，斜桿采用螺旋布置，立桿間距設為900mm，掃地桿高度和頂部伸出長度均為350mm。通過半剛性模型模擬盤扣節點，立桿與水平桿均采用梁單元模擬。

3.2? ?參數分析

不同水平桿步距與立桿間距工況下承載力計算結果如表3所示。從表3中可以看出，盤扣架承載力隨著水平桿步距的增加而下降。水平桿步距為1m和1.5m工況下，提高立桿間距，對盤扣架體承載力影響不大，立桿間距為900mm和1200mm承載力基本一致，1500mm工況下承載力略微下降。水平桿步距2m工況下，承載力隨著立桿間距的增加而下降。

整體而言，相較于立桿間距，水平桿步距對架體承載力影響更為顯著。因此在實際工程中，應著重考慮支撐架體承載力受水平桿步距的影響。

4? ?難點部位支撐探討

承插型盤扣式腳手架在為產品安全提供進一步保證的同時，兼具較長的使用壽命，且應用具有良好的觀感，因此在大型市政設施和超高層建筑等項目中應用較為廣泛。然而，由于盤扣連接盤的限制以及模數要求，其布置尺寸受到了較大限制，在實際工程應用中，存在較多的搭設難點。本文就部分難點部位提出一些搭設建議，以供參考。

4.1? ?樓梯位置

在樓梯位置處，樓梯底部的掃地桿和頂部的托撐宜采用扣件式鋼管拉結，與相鄰架體連接，以確保架體的整體穩定性。

4.2? ?梁底模板支撐

由于盤扣架立桿的材質性能較高，因此可設置托梁于梁下進行回頂，無需額外單獨設置立桿亦可保證承載力滿足要求，有利于節省架體材料。

4.3? ?后澆帶

根據相關規范要求，禁止提前拆除后澆帶區域支模架，因此在進行架體搭設時，宜與周邊分開搭設。與周邊架體的連接可采用扣件鋼管作為水平桿，同時在底部鋪設槽鋼，以防止立桿懸空。

4.4? ?斜坡基礎面

為確保架體穩定性，建議采用扣件式鋼管對底部掃地桿進行拉結，同時與上層架體相連接。

4.5? ?邊梁位置

加長梁底主楞槽鋼，采用斜桿支撐梁側模，并通過扣件式鋼管架回頂槽鋼底部，同時將扣件鋼管架連接立桿。

5? ?結束語

為研究承插型盤扣式腳手架力學特性，本文依托重慶市傳感器特色產業基地項目，進行抗扭剛度試驗，研究插銷楔緊度對盤扣架體節點抗扭剛度的影響。通過有限元軟件建立數值分析模型，分析水平桿步距和立桿間距對架體承載力的影響。最后對相關施工要點進行了探討。得出主要結論如下：

盤扣節點扭矩隨著轉角位移的增加而增大，扭矩大小與轉角位移呈現正相關關系。隨著轉角位移的增加，盤扣扭矩增加速率逐漸下降，曲線隨轉角位移的增加而逐漸平緩。

相比于Ф48型盤扣構件，Ф60型盤扣構件剛度更高，即同一工況下，各轉角位移對應的節點扭矩數值更高，但延性較低。

當插銷楔緊度小于90%時，節點抗扭剛度與插銷楔緊度呈現正相關關系，隨著楔緊度的進一步增加，盤扣節點抗扭剛度呈現出一定的下降趨勢。Ф48型盤扣構件插銷下沉量宜取2.7cm，Ф60型盤扣構件插銷下沉量宜取1.8cm。

相較于立桿間距，水平桿步距對架體承載力影響更為顯著。因此在實際工程中，應著重考慮支撐架體承載力受水平桿步距的影響。

參考文獻

[1] 俞澤平，李芳，孫飛等.盤扣式腳手架在工程應用中的力學優勢[J].建筑技術開發，2021，48（18）：50-51.

[2] 王黎明，朱鑫昱，肖林等.承插型盤扣式鋼管支架盤扣節點扭矩–轉角三維桿系ANSYS有限元模型適用性研究[J].建筑技術，2021，52（12）：1463-1466.

[3] 劉京紅，李文坡，張凌博等.承插型盤扣式鋼管支撐腳手架試驗及有限元分析[J].北京理工大學學報，2023，43（5）：478-484.

[4] 李金明.“型鋼門架+盤扣式腳手架”式支架在地鐵車站中的施工技術研究[J].黑龍江交通科技，2023，46（2）：146-148.

[5] 楊和鐘，周士杰.沉降后澆帶素混凝土柱與盤扣架體復合支撐技術[J].建筑機械化，2022，43（10）：81-83.

[6] 趙虎，張海風，南勃等.承插盤扣架體在超高及不規則建筑結構中的應用技術[J].建筑技術開發，2022，49（20）：29-31.