蟹钳式自锁三角形钢管支架的结构设计与工程应用

郑竞友，刘燕燕，韩学明，叶水标，芦博文（.浙江金筑交通建设有限公司，浙江 杭州　　005；.浙江顺畅高等级公路养护有限公司，浙江 杭州　　005；.浙江省交通工程建设集团有限公司，浙江 杭州　　005）

蟹钳式自锁三角形钢管支架的结构设计与工程应用

郑竞友1，刘燕燕2，韩学明3，叶水标1，芦博文1
（1.浙江金筑交通建设有限公司，浙江 杭州310051；2.浙江顺畅高等级公路养护有限公司，浙江 杭州310051；3.浙江省交通工程建设集团有限公司，浙江 杭州310051）

通过对现行模板钢管支架在现浇桥梁应用过程中频繁出现倒塌事故的研究，发现其自身结构的缺陷是主要原因之一。根据现浇桥梁支撑结构的组合类型分析，设计了一种新型钢管支架——蟹钳式自锁三角形钢管支架。通过软件模拟、力学试验确定了钢管支架的4种细部连接组成结构，并进行了试验室破坏试验。结果表明:单元由三角形构件组成，通过三角形支架首尾依次连接，形成的正方体空间结构钢管支架最为稳定，也是承载力最高的支架之一，可以在公路大荷载现浇桥梁临时支撑结构中使用。

现浇桥梁；三角形钢管支架设计；破坏试验；工程应用

现浇桥梁具有结构稳定、工期短、技术成熟、施工方便、运营维护费用低等优势，因此我国大型枢纽中的小半径桥梁通常采用现浇形式。现浇桥梁所采用的支架选型问题是施工行业内关注的焦点之一［1-2］。我国近年来建筑施工支架坍塌事故频发，2014年支架坍塌事故52起、死亡人员217人，这不仅造成了人员伤亡及财产损失，而且还在社会上引起了极大的负面影响。支架坍塌事故的主要原因除表现在施工管理、支架施工设计验算及搭设施工质量外，支架结构自身的强度、刚度及稳定性至关重要［3-4］。研究开发并推广一种安全可靠、质量稳定、强度高、刚度及稳定性好、施工简便快捷、适用性强、经济且符合人体工程学的新型支架显得尤为迫切。

本文从支架的自身材质、主要结构形式以及连接接头结构入手，融入人体工程学理念，通过软件模拟、力学试验，并辅以试验室破坏性试验和工程实例，研发一种满足上述要求的新型支架——蟹钳式自锁三角钢管支架［5］。

1　支架设计研究

1.1支架材料

支架材料选用Q345，摒弃传统的Q235，使支架强度更有保障；主立杆选用φ48的钢管，横杆及斜杆分别选用φ40，φ34的钢管。

1.2支架结构形式

分析以往所有支架的结构和组合类型，融入三角形的结构形式设计。不仅单片支架以三角形结构为主，其搭设形成的满堂支架所有空间都将划分为三角形结构。接头采用独特的蟹钳式自锁结构，具有自锁防脱、连接便捷、稳定可靠等特点。所形成的支架在保证竖向承载力的同时，大大提升了承重时的横向抗变形能力，弥补了以往支架自身稳定弱引起的整体支架失稳问题。支架单元由三角形构件组成，通过三角形支架首尾依次连接，形成稳定的正方体空间结构，结构形式见图1。

1.3支架连接接头

蟹钳式自锁三角钢管支架主要有4种连接接头：C形卡、U形卡、楔形插销和弧形插销（见图2）。

1）C形卡。设置于水平连接杆、水平对角拉杆、竖向对角斜杆的杆端，用于与立杆上的U形卡相连接。

2）U形卡。设置于立杆上，用于与其他杆件的 C形卡相连接。

3）楔形插销。设置于水平连接杆、水平对角拉杆、竖向对角斜杆的杆端，用于固定C形卡与U形卡。

4）弧形插销。设置于套接管处，用于上下两立杆的连接。

1.4人体工程学因素

支架设计过程中融入了人体工程学因素，当三脚架合围时，水平杆和斜向杆为站在四边形内部的工人提供安全操作环境，起到水平安全围栏的作用。如图3所示。

图2　连接接头示意

图3　安全围栏

2　支架设计验证

2.1应用迈达斯有限元软件计算分析

在选材和结构选型的基础上，从钢管壁厚、三角形大小，到考虑了工人频繁操作的劳动强度和安全性的因素，挑选出最合适的尺寸和重量，利用迈达斯有限元软件计算分析其结构竖向承载能力（单组竖向极限承载力）［6］，并对接头细部进行力学分析，见图4。

通过软件计算模拟分析得出单根钢管极限承载力为160 kN，承载能力远远高于常规支架，其承载力在25 m高度之内的数据见表1。

图4　接头细部有限元分析

表1　25 m高度内合理变形范围承载能力

2.2实验室破坏试验

在完成设计、计算分析的基础上将电算模拟的数据用于实验室做极限破坏试验，试验分级加载时每级荷载为40 kN，直至极限破坏。在支架上部的4根水平杆件两端各布置1个水平方向百分表，在支架东、西两个对角布置了2个竖向百分表。竖向和东北向荷载-变形曲线见图5和图6。试验得出单组支架的极限破坏荷载为621 kN，均分至单根立杆的极限承载力为155.25 kN［7］，与软件模拟计算值160 kN非常接近。

图5　荷载-竖向变形曲线

图6　荷载-东北向水平杆变形曲线

3　工程应用

3.1工程概况

蟹钳式自锁三角钢管支架已成功应用在杭新景高速公路第16标渊底枢纽E2匝道桥现浇箱梁施工中。E2匝道桥下部结构依次为钻孔灌注桩、系梁、方形柱式墩和盖梁，其中最高墩柱为2-1，高约19.5 m；上部结构为1联（3孔20 m，共计60 m）单箱单室非预应力现浇箱梁（箱梁高1.4 m，顶板宽8.5 m），平面位于缓和曲线和圆曲线上。断面尺寸见图7。

图7　E2匝道桥单箱单室断面示意（单位：cm）

3.2支架搭设与拆除

搭设步骤包括：施工准备→地基处理→底座位置放样→立底座、基杆→三脚架标准层搭设→各标准层水平连接→套入（顶杆）顶托→支架验收。

1）施工准备。支架施工前应编制专项施工方案，并应经审核批准后方可实施，实施前需进行技术和安全作业交底。

2）地基处理。支架搭设场地必须坚实、平整，排水措施得当。当地基高差较大时，需设置台阶。

3）底座位置放样。首先放出箱梁在地基上的竖向投影线，根据投影线定出纵横向中心线，再根据中心线定出可调底座坐标位置。

4）立底座、基杆。根据布设好的坐标位置安放可调底座，套入基杆配装水平横杆，用水平尺整体调水平，水平高差不得超过5 mm，随即将插销敲紧锁牢。

5）三脚架标准层搭设。在调平底座装好基杆后安装首层三脚架，每组4片三脚架首尾环扣蟹钳式接头，扣入楔形插销。待4片三脚架接头均环扣好后，利用随身佩戴的小锤锤紧。为确保安全，可铺设金属脚手板。

6）标准层水平连接。在各单组标准层每搭设完若干层（3层以下）时，各组之间采用水平横杆、竖向斜杆连接形成满堂支架，逐个核查插销是否敲紧锁牢。

7）套入（顶杆）顶托。在完成标准层搭设之后，套入（顶杆）顶托，为便于在支架上高空作业安全省时，可在地面上大致调好顶托伸出量，再运至支架顶安装。

8）支架验收。支架搭设完成后预压前必须进行验收，重点检查地基结合处、顶托与模板结合处以及各杆件连接处。

支架拆除由上而下逐层进行。具体工艺：拆护栏（悬臂部分）→拆脚手板→拆各组竖向斜连杆→拆水平横连杆→拆水平对角拉杆→拆三脚架→传递各杆件至地面→清除杆件杂物→按规格堆码。

3.3应用评价

在项目应用的过程中发现：支架搭设方便快速、省力，7 m以下高度内无需机械的配合，工人可自行安装。配合配套使用的金属脚手板、安全带，搭设每片三脚架全过程工人好像在四方体内工作一样，施工安全有保障，充分体现出了支架人体工程学的优势。基于以上优势，蟹钳式自锁三角钢管支架比传统钢管支架节约25%左右的成本。

4　结语

1）蟹钳式自锁三角钢管支架从设计入手不仅考虑产品结构形式，同时还考虑不同结构使用的钢材强度型号搭配，以发挥材料最大的性能，其设计承载能力是常规支架的2倍［7-8］。

2）工人搭设施工安全、便捷。支架设计融入人体工程学，单片质量约9 kg，方便工人频繁移动传递，在大大降低工人劳动强度的同时有效预防工程事故的发生和人员伤亡，加快工程工期进度。

3）蟹钳式自锁三角钢管支架，引入一体式设计，所有接头自锁插销都含防脱滑功能。

4）蟹钳式自锁三角钢管支架经过工程实践验证，具有以下优点：①横向刚度大，稳定性好，承载能力高；②操作简单、搭设便捷，接头连接可靠，劳动强度低；③模数式设计及特定组合，可适用于不同荷载及工况；④支架兼作安全围栏，配合脚手板，提供良好的施工安全保障；⑤经济效益显著。因此蟹钳式自锁三角钢管支架可以在公路大荷载现浇桥梁临时支撑结构中推广使用。

［1］谢其盛，金国光，王月灿.我国建筑脚手架现状及其发展方向［J］.建筑机械化，2006，27（9）：17-21.

［2］余宗明.脚手架及模板技术发展之路［J］.中国建筑金属结构，2008（1）：38-40.

［3］杜荣军.脚手架结构的稳定承载能力［J］.施工技术，2001，（4）：1-6.

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 130—2011建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［5］贾建国.ADG插销式脚手架稳定承载能力的研究分析［D］.西安：西安建筑科技大学，2014.

［6］林玉成.新型脚手架在大型混凝土梁板支撑工程上的应用［C］//中国建筑学会施工学术委员会模板与脚手架专业委员会2010年会论文集.北京：中国建筑学会施工学术委员会模板与脚手架专业委员会，2010：10-12.

［7］回忆.ADG装配式脚手架的应用性能研究［D］.北京：北京交通大学，2008.

［8］浙江大学土木工程测试中心.蟹钳式三角钢管支架力学性能试验检测报告［Z］.杭州：浙江大学土木工程测试中心，2014.

（责任审编赵其文）

Structural Design and Engineering Application of Crab-claw-type Self-locking Triangle Steel Pipe Scaffolding

ZHENG Jingyou1，LIU Yanyan2，HAN Xueming3，YE Shuibiao1，LU Bowen1
（1.Zhejiang Jinzhu Engineering Construction Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310051，China；2.Zhejiang Shunchang Advanced-grade Highway Maintenance Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310051，China；3.Zhejiang Provincial Transportation Engineering Construction Group Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310051，China）

T he defect of the structure is the main failure reason through the analysis of the frequent collapse accidents of current steel pipe formwork during cast-in-situ bridge construction.A new crab-claw-type self-locking triangle steel pipe scaffolding was designed according to analysis on the components types of the scaffolding used for cast-in-situ bridge construction.T hrough the simulation and experimental test，four joints in the structure were determined and tested.At the same time，laboratory failure test was carried out.T he results show that the unit is constituted of triangle components and connected by triangle scaffolding，forming cubic space.T he cubic space structure units are of the highest stability and bearing capacity.It can be applied in the temporary structure of heavyloading cast-in-situ bridges.

Cast-in-situ bridge；T riangle steel pipe scaffolding design；Failure test；Engineering application

郑竞友（1973— ），男，教授级高级工程师。

TU731.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.09

1003-1995（2016）07-0035-04

2015-11-27；

2016-03-28