钢木组合脚手板构造形式的探讨

刘玉中，程 金，胡牡香

(苏州中材建设有限公司，江苏苏州 215000)

脚手架是建筑施工及造船等行业中不可缺少的重要施工工具，而与之配套的脚手板同样也是不可缺少的重要器材。脚手板又称脚手片，是在脚手架、操作架上铺设，便于工人在其上行走、转运材料和施工作业的一种临时周转使用的建筑材料。脚手板种类主要有木脚手板，竹脚手板以及钢脚手板三大类。木脚手板由于存在易潮湿、易虫蛀、易翘曲等问题，大大降低了其周转次数，经济性难以得到保障，目前的应用已越来越少。竹脚手板虽然价格低廉，但其使用舒适性远不及木脚手板，且极易附着建筑垃圾，存在强度较差、周转次数少等缺点，目前仅在南方地区有所应用。钢脚手板是目前常见的一种脚手板，尤其是由冷弯薄壁型钢加工形成的钢脚手板具有轻质高强的特点，现已大规模地投入生产使用；但冷弯薄壁型钢构件由于其壁厚较薄，构件中板件的宽厚比较大，且截面大多开口，使得构件在受力过程中容易发生失稳破坏，因此，其在生产过程中需要进行复杂的构造处理以避免发生失稳破坏，这样便提高了生产成本，经济性仍难以保证。

而将冷弯薄壁型钢与木材进行有效地组合，形成钢-木组合脚手板，同样可有效地提高钢材稳定性，防止其过早屈曲失稳，进而提高脚手板的承载性能；早在20世纪60年代，我国就开始研发钢木混合脚手板[1]。另外，通过三十多年的建设，我国森林覆盖率已从改革开放之初的12 %提高到目前的21.63 %，森林资源已经得到极大地恢复，木材的生产和利用将逐步进入良性循环阶段，木材的环保优势也已更为突出。

1 我国钢木组合构件的研究应用现状

1.1 钢木组合构件受力性能研究

目前，我国学者主要针对不同截面形式的钢木组合梁，组合柱以及组合楼盖的力学性能进行了研究。

其中，东南大学的潘福婷等人[2]对钢-木组合悬臂梁进行了试验研究，其组合形式是在钢板两侧叠放木板，并通过螺栓进行连接固定；试验结果表明，组合梁具有较好的整体稳定性能，木板的侧限作用保证了钢板在达到材料屈服强度之前不会发生整体和局部屈曲破坏。同时，在组合梁试验的基础上，通过有限元分析软件对钢-木组合梁以及十字形组合柱的受力性能进行了分析，最后对组合构件在理论上进行了初步设计。

北京交通大学的陈爱国等人[3-5]对H型钢-木组合梁的抗弯性能及连接静力性能进行了研究，组合梁构造形式见图1。研究结果表明，H型钢和木板整体工作性能良好，组合效应显著，构件跨中横截面应变呈线性分布，试件荷载-跨中挠度曲线呈弹性和弹塑性两个阶段，最终以下翼缘木材跨中断裂而破坏；且随着木板厚度、钢梁翼缘厚度及宽度、腹板高度的增大，试件的承载力呈现不同程度的提高；最后提出了该种钢-木组合梁跨中挠度及受弯承载力的简化计算式，并将其计算结果与试验结果进行对比，结果表明计算式精度较高，可以为该种钢-木组合梁的应用提供设计依据。

图1 H型钢-木组合梁截面示意

同济大学的何敏娟等人[6-7]对轻型钢木混合楼盖的抗侧性能进行了研究，结果表明，由于铺设木材的原因，楼盖侧向刚度得到增强；且与木材相连接的C型钢搁栅上翼缘未出现屈曲现象，证明了木材对其有明显的加强作用。

根据以上学者对钢木组合构件的研究表明，木材对钢材有明显的加强作用，避免了钢材发生整体屈曲破坏，同时有效延缓了钢材的局部屈曲，进而使钢材的力学性能得到了更充分的发挥。

1.2 钢木组合构件在实际工程中的应用

中国美术学院风景建筑设计研究院的申屠团兵等人[8]依附交叉编织异形钢木组合屋架的实际工程案例，对代表榀屋架进行了机构分析，获得了优化后的无明确下弦杆异形钢木组合屋架结构体系(图2)，其中钢木组合杆件的构造形式见图3；并通过对3种节点以及整体足尺结构的受力试验研究，得到了钢木组合杆与木杆混搭时连接问题的解决方案，且结构体系既可实现建筑构想又能够满足结构的安全及使用要求。

图2 无明确下弦杆异形钢木组合屋架结构体系

图3 钢木组合杆件(单位：mm)

2 钢木组合脚手板构造形式探讨

我国在20世纪60年代曾研究开发过一批钢木混合脚手板(图4)。采用钢板、角钢或槽钢，与木板拼装而成，这种脚手板可充分利用小木板作板面，板面的防滑和耐热性能较好。但其刚度偏小，且重量较大，同时，木板裸露在外，仍会出现木脚手板常见的易潮湿、易虫蛀、易翘曲等问题。

图4 钢木混合脚手板

针对以上问题，为了避免木材易受外界环境影响的问题，同时，需要木材为钢材提供有效的侧向支撑，提出了一种外包钢式的钢木组合脚手板(图5)。该脚手板的特征在于，整片脚手板由若干根截面小、质量轻的冷弯薄壁钢木组合梁连接形成。

图5 钢木脚手板的结构示意

而这种钢木组合梁的特征在于，组合梁的组合形式与钢管混凝土相似(图6)，组合梁的主体为矩形截面冷弯薄壁型钢钢管；冷弯薄壁型钢钢管因其截面封闭，剪心与形心重合，相比于C形和U形等开口截面构件具有更好的抗扭性能及更大的抗弯刚度，构件形式更为安全。同时钢管内部的木材能够为冷弯薄壁型钢钢管提供一定的侧向支撑，防止钢材过早的屈曲失稳，进而可提高组合梁的承载能力；且木材被包裹于钢管内部，其耐久性也得到了进一步的提高。

图6 钢木组合梁剖面

在组合梁的底面两端设有C形卡槽，以便于将其搭设在脚手架的纵向水平杆上，并防止脚手板在脚手架上滑动，以避免工人在脚手板上作业时发生脚手板滑落的危险；组合梁底面两端的C形卡槽并非与组合板焊接成为整体，其是通过螺栓或套箍等方式进行连接，可拆卸更换；同时，为了防止工人在脚手板上作业时滑倒，还在组合板的表面设有橡胶防滑垫。组合梁各方向的平面图见图7。

图7 钢木组合梁各方向的平面

而钢木组合梁通过两根柔性铝条进行连接，且各组合板之间留有一定的间隙，以便于板上的沙土等杂物漏下，方便清洗；连接铝条只受水平方向拉力，不承担竖向荷载，各钢木组合板可沿铝条方向卷起，铺设与拆卸工作仅需一名工人即可完成，操作简便，且铺拆效率高；同时，铝条质量轻，价格比钢条低，且不易锈蚀，耐久性好，可大大提高脚手板的周转次数。连接各钢木组合板的铝条中间设有可移动的固定螺栓，其不仅可以固定组合板，还可以根据不同板宽的尺寸要求进行更换，或在某片组合板发生过大变形等问题不能继续使用时进行更换。其连接构造见图8。

图8 钢木组合梁连接构造示意

该钢木组合脚手板可充分利用冷弯薄壁型钢和木材各自的优点，轻质、高强。一方面冷弯薄壁型钢将木材包裹，可对其施加约束，提高木材强度，还可对其形成保护，起到防潮、防虫的效果，提高了木材的耐久性，延长了其使用寿命；另一方面，木材填充到冷弯薄壁型钢管内，对其起到了很好的支撑作用，增大了构件截面刚度，提高了构件的稳定性。两种材料的相互作用使得构件具有了轻质、高强的优势。同时，其组装灵活、简便，拆卸快捷，工作效率高；使用过程中，可根据需要进行组装、调整，拼装、连接与拆卸均较为简单，不需要大型或特殊的设备，工作效率高。

3 结束语

钢木组合构件中的木材对钢材有明显的加强作用，可避免钢材发生整体屈曲破坏，同时有效延缓钢材的局部屈曲，进而使钢材的力学性能得到充分的发挥。而将这种组合形式运用到脚手板中，可克服目前市场上所销售脚手板的缺点。文中所提出的钢木脚手板具有轻质、高强，组装与拆卸简便，施工快捷，耐锈蚀，循环次数多，综合效益好等优点，将具有良好的市场前景。