承插式腳手架的荷載試驗分析

陳蓮芳

(上海市建筑科學(xué)研究院(集團)有限公司，上海 200032)

1 概述

承插式腳手架主要用于土木建筑工程中內(nèi)、外腳手和混凝土模板的支撐，其形式包括碗扣式腳手架、圓盤式腳手架、插孔式腳手架、插槽式腳手架等。承插式腳手架在歐洲各國應(yīng)用較普遍，其結(jié)構(gòu)與扣件式鋼管腳手架基本相似，只是在立桿上焊接多個插座，替代了扣件，避免了扣件式腳手架中扣件經(jīng)常丟失等問題。承插式腳手架中插座有較先進的設(shè)計理念和技術(shù)，可以在1個插座內(nèi)同時連接4個方向的橫桿或斜桿，甚至同時連接8個不同方向的橫桿或斜桿，從而形成多功能的支架。由于承插式腳手架品種繁多，相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)較少且不全，許多施工企業(yè)在工程施工前，沒有進行腳手架的剛度驗算，只靠經(jīng)驗來進行支撐系統(tǒng)布置，對剛度和穩(wěn)定性考慮不足，所以在腳手架進入施工現(xiàn)場前對新產(chǎn)品進行部分力學(xué)性能測試非常必要。下面筆者通過一些承插式腳手架試驗案例進行介紹分析，供大家參考。

2 試驗研究

2.1 案例一

通過對承插型盤扣式腳手架整體荷載試驗，繪出試件中各立柱荷載—位移曲線。

試件總高7 020 mm(四層)，框架截面尺寸為1 829 mm×1 829 mm，立桿斷面 φ76.3 mm ×3.2 mm，材料 Q345，橫桿及斜桿斷面 φ48.5 mm ×3.2 mm，材料 Q195。試件立柱、橫桿及斜桿等節(jié)點聯(lián)結(jié)構(gòu)造見圖1～圖4。

圖1 立桿聯(lián)結(jié)點

圖2 橫連桿中心節(jié)點

2.1.1 理論計算

通常整體失穩(wěn)是腳手架的主要破壞形式，而腳手架整體承載力主要由各立桿直接傳遞，故可以用單根桿件的穩(wěn)定性計算來驗算腳手架的整體穩(wěn)定承載力。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 231-2010建筑施工承插型盤口式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范[1]，立桿穩(wěn)定性計算如下:

立桿計算長度l0=μh=2 760 mm(其中μ取1.60，h=1 725 mm);立桿慣性矩I=π/32(D4－d4)=983 582 mm4(其中D=76.3 mm，d=69.9 mm);立桿面積 A=734.86 mm2;回轉(zhuǎn)半徑 i=(I/A)1/2=36.59 mm;桿件長細比λ=l0/i=79，查表得:軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)f=0.640，臨界壓力 Nd=fAf(其中 f為300 N/mm2)，計算得:Nd=141.1 kN。

圖3 水平連桿

圖4 底座

2.1.2 加載試驗

試驗采用千斤頂、反力架和分配梁組合的方式對腳手架施加豎向荷載。為測得試件各立柱的荷載—位移曲線，立桿的加載值取小于該桿的理論臨界荷載Nd，同時考慮到實際情況中各立桿受力不均勻和其他一些不利因素，確定立桿試驗時的最大荷載100 kN，即試件試驗用總荷載F=400 kN。

為測定在荷載作用下，試件各立柱總的豎向位移，試驗前腳手架各立柱底座腳板上固定一位移計，位移計移動指針與細鋼絲一端固定，細鋼絲另一端與腳手架立柱頂部固定，細鋼絲與立柱保持平行，則測得的位移計豎向位移值即為立柱頂部的豎向位移。加載分級進行，加載結(jié)束后卸空。當(dāng)每級荷載持荷結(jié)束后，讀出各位移計豎向位移值。加載試驗示意圖、現(xiàn)場加載及現(xiàn)場位移計布置見圖5～圖7。

圖5 試件形式及整體加載試驗示意圖

2.1.3 試驗結(jié)果及分析

試件共2套，1號、2號試件在整體加載試驗中，各立柱頂部豎向位移測試結(jié)果見表1，各立桿荷載—位移曲線見圖8，圖9。

圖6 加載試驗現(xiàn)場

圖7 測試位移用百分表

表1 整體加載中1號、2號試件各立桿頂部豎向位移

圖8 1號試件各立桿頂部荷載—位移曲線圖

圖9 2號試件各立桿頂部荷載—位移曲線圖

由表1試驗結(jié)果得知:當(dāng)總荷載F加至400 kN時，1號試件中單根立桿頂部的最大豎向位移值為7.58 mm，2號試件中單根立桿最大豎向位移值為9.41 mm。卸載后1號和2號試件中單根立桿頂部的豎向位移值分別為0.72 mm和0.90 mm。由圖8，圖9看出:加載過程中1號，2號試件荷載—位移曲線基本成線性狀態(tài)。

2.2 案例二

2.2.1 概況

通過對4套承插型盤銷式腳手架整體荷載試驗，找出不同框架截面、不同數(shù)量立柱聯(lián)結(jié)點對結(jié)構(gòu)承載力的影響。

試件總高3 880 mm，按框架截面大小，分別為1 800 mm×1 800 mm和900 mm×900 mm兩種尺寸，按立柱聯(lián)結(jié)點疏密情況也分為兩種形式，即為Ⅰ類形式和Ⅱ類形式，立柱聯(lián)結(jié)點布置及整體加載試驗示意圖見圖10中a)和b)。

試件的單根立桿斷面φ48 mm×2.7 mm，橫桿斷面φ42 mm×2.5 mm，材料均為 Q345，斜桿斷面 φ22 mm ×1.9 mm，材料 Q195。腳撐及節(jié)點見圖11，圖12。

2.2.2 加載試驗

試驗采用千斤頂、反力架和分配梁組合的方式對腳手架施加豎向荷載。試件整體加載試驗示意圖見圖10。4套試件整體加載時均分級進行，當(dāng)各試件破壞時停止加載并卸空。

圖10 兩種立柱節(jié)點布置及整體加載示意圖

圖11 試件的腳撐

圖12 試件的節(jié)點

2.2.3 試驗結(jié)果及分析

各試件的最大承載試驗結(jié)果見表2。不同立柱聯(lián)結(jié)點、不同框架截面試件的加載后狀況見圖13，圖14。

表2 各試件整體承載試驗結(jié)果 kN/桿

圖13 Ⅰ類形式中不同截面整體承載試驗加載后狀況

圖14 Ⅱ類形式中不同截面整體承載試驗加載后狀況

由表2試驗結(jié)果得知，相同立柱聯(lián)結(jié)點的試件，其框架截面增加2倍，其整體承載力相應(yīng)增加10%～16%;相同框架截面的試件，其立柱聯(lián)結(jié)點數(shù)量增加1倍，則整體承載力相應(yīng)增加57%～92%。

由圖13，圖14中得知，腳手架整體荷載試驗破壞模式均為立桿失穩(wěn)破壞。

3 結(jié)語

本文通過對承插式鋼管腳手架的一系列荷載試驗，得出以下結(jié)論:

1)承插式鋼管腳手架整體承載力試驗時，各立柱在未失穩(wěn)的情況下，其荷載—位移成線性狀態(tài)。說明，該形式腳手架其立桿通過橫桿拉結(jié)的聯(lián)結(jié)點具有整體穩(wěn)定性能良好的空間支架結(jié)構(gòu)。

2)承插式腳手架整體荷載試驗時，截面增加2倍，其承載力相應(yīng)增加10%～16%。

3)承插式腳手架整體荷載試驗時，立桿聯(lián)結(jié)點增加1倍，其承載力相應(yīng)增加57%～92%。

4)承插式腳手架整體荷載試驗時，破壞模式均為立桿失穩(wěn)破壞，由此表明立桿失穩(wěn)是腳手架的主要破壞形式。

[1] JGJ 231-2010，建筑施工承插型盤口式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].