承插式脚手架的荷载试验分析

陈莲芳

(上海市建筑科学研究院(集团)有限公司，上海 200032)

1 概述

承插式脚手架主要用于土木建筑工程中内、外脚手和混凝土模板的支撑，其形式包括碗扣式脚手架、圆盘式脚手架、插孔式脚手架、插槽式脚手架等。承插式脚手架在欧洲各国应用较普遍，其结构与扣件式钢管脚手架基本相似，只是在立杆上焊接多个插座，替代了扣件，避免了扣件式脚手架中扣件经常丢失等问题。承插式脚手架中插座有较先进的设计理念和技术，可以在1个插座内同时连接4个方向的横杆或斜杆，甚至同时连接8个不同方向的横杆或斜杆，从而形成多功能的支架。由于承插式脚手架品种繁多，相应的国家标准或企业标准较少且不全，许多施工企业在工程施工前，没有进行脚手架的刚度验算，只靠经验来进行支撑系统布置，对刚度和稳定性考虑不足，所以在脚手架进入施工现场前对新产品进行部分力学性能测试非常必要。下面笔者通过一些承插式脚手架试验案例进行介绍分析，供大家参考。

2 试验研究

2.1 案例一

通过对承插型盘扣式脚手架整体荷载试验，绘出试件中各立柱荷载—位移曲线。

试件总高7 020 mm(四层)，框架截面尺寸为1 829 mm×1 829 mm，立杆断面 φ76.3 mm ×3.2 mm，材料 Q345，横杆及斜杆断面 φ48.5 mm ×3.2 mm，材料 Q195。试件立柱、横杆及斜杆等节点联结构造见图1～图4。

图1 立杆联结点

图2 横连杆中心节点

2.1.1 理论计算

通常整体失稳是脚手架的主要破坏形式，而脚手架整体承载力主要由各立杆直接传递，故可以用单根杆件的稳定性计算来验算脚手架的整体稳定承载力。依据标准JGJ 231-2010建筑施工承插型盘口式钢管脚手架安全技术规范[1]，立杆稳定性计算如下:

立杆计算长度l0=μh=2 760 mm(其中μ取1.60，h=1 725 mm);立杆惯性矩I=π/32(D4－d4)=983 582 mm4(其中D=76.3 mm，d=69.9 mm);立杆面积 A=734.86 mm2;回转半径 i=(I/A)1/2=36.59 mm;杆件长细比λ=l0/i=79，查表得:轴心受压稳定系数f=0.640，临界压力 Nd=fAf(其中 f为300 N/mm2)，计算得:Nd=141.1 kN。

图3 水平连杆

图4 底座

2.1.2 加载试验

试验采用千斤顶、反力架和分配梁组合的方式对脚手架施加竖向荷载。为测得试件各立柱的荷载—位移曲线，立杆的加载值取小于该杆的理论临界荷载Nd，同时考虑到实际情况中各立杆受力不均匀和其他一些不利因素，确定立杆试验时的最大荷载100 kN，即试件试验用总荷载F=400 kN。

为测定在荷载作用下，试件各立柱总的竖向位移，试验前脚手架各立柱底座脚板上固定一位移计，位移计移动指针与细钢丝一端固定，细钢丝另一端与脚手架立柱顶部固定，细钢丝与立柱保持平行，则测得的位移计竖向位移值即为立柱顶部的竖向位移。加载分级进行，加载结束后卸空。当每级荷载持荷结束后，读出各位移计竖向位移值。加载试验示意图、现场加载及现场位移计布置见图5～图7。

图5 试件形式及整体加载试验示意图

2.1.3 试验结果及分析

试件共2套，1号、2号试件在整体加载试验中，各立柱顶部竖向位移测试结果见表1，各立杆荷载—位移曲线见图8，图9。

图6 加载试验现场

图7 测试位移用百分表

表1 整体加载中1号、2号试件各立杆顶部竖向位移

图8 1号试件各立杆顶部荷载—位移曲线图

图9 2号试件各立杆顶部荷载—位移曲线图

由表1试验结果得知:当总荷载F加至400 kN时，1号试件中单根立杆顶部的最大竖向位移值为7.58 mm，2号试件中单根立杆最大竖向位移值为9.41 mm。卸载后1号和2号试件中单根立杆顶部的竖向位移值分别为0.72 mm和0.90 mm。由图8，图9看出:加载过程中1号，2号试件荷载—位移曲线基本成线性状态。

2.2 案例二

2.2.1 概况

通过对4套承插型盘销式脚手架整体荷载试验，找出不同框架截面、不同数量立柱联结点对结构承载力的影响。

试件总高3 880 mm，按框架截面大小，分别为1 800 mm×1 800 mm和900 mm×900 mm两种尺寸，按立柱联结点疏密情况也分为两种形式，即为Ⅰ类形式和Ⅱ类形式，立柱联结点布置及整体加载试验示意图见图10中a)和b)。

试件的单根立杆断面φ48 mm×2.7 mm，横杆断面φ42 mm×2.5 mm，材料均为 Q345，斜杆断面 φ22 mm ×1.9 mm，材料 Q195。脚撑及节点见图11，图12。

2.2.2 加载试验

试验采用千斤顶、反力架和分配梁组合的方式对脚手架施加竖向荷载。试件整体加载试验示意图见图10。4套试件整体加载时均分级进行，当各试件破坏时停止加载并卸空。

图10 两种立柱节点布置及整体加载示意图

图11 试件的脚撑

图12 试件的节点

2.2.3 试验结果及分析

各试件的最大承载试验结果见表2。不同立柱联结点、不同框架截面试件的加载后状况见图13，图14。

表2 各试件整体承载试验结果 kN/杆

图13 Ⅰ类形式中不同截面整体承载试验加载后状况

图14 Ⅱ类形式中不同截面整体承载试验加载后状况

由表2试验结果得知，相同立柱联结点的试件，其框架截面增加2倍，其整体承载力相应增加10%～16%;相同框架截面的试件，其立柱联结点数量增加1倍，则整体承载力相应增加57%～92%。

由图13，图14中得知，脚手架整体荷载试验破坏模式均为立杆失稳破坏。

3 结语

本文通过对承插式钢管脚手架的一系列荷载试验，得出以下结论:

1)承插式钢管脚手架整体承载力试验时，各立柱在未失稳的情况下，其荷载—位移成线性状态。说明，该形式脚手架其立杆通过横杆拉结的联结点具有整体稳定性能良好的空间支架结构。

2)承插式脚手架整体荷载试验时，截面增加2倍，其承载力相应增加10%～16%。

3)承插式脚手架整体荷载试验时，立杆联结点增加1倍，其承载力相应增加57%～92%。

4)承插式脚手架整体荷载试验时，破坏模式均为立杆失稳破坏，由此表明立杆失稳是脚手架的主要破坏形式。

[1] JGJ 231-2010，建筑施工承插型盘口式钢管脚手架安全技术规范[S].