轮扣式脚手架破坏形式研究*

南作宾，王正振，李明聪

(1.甘肃建投建设有限公司，甘肃 兰州 730050； 2.兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050)

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随着我国建筑行业的蓬勃发展及科学技术的不断进步，脚手架工程作为建筑工程的附属工程必不可少。轮扣式脚手架为一种新型脚手架，具有施工方便、造价低、结构简单等特点，已在实际工程中得到广泛应用。轮扣式脚手架由立杆、水平杆、插销、轮盘等构成，如图1所示。

图1 轮扣式脚手架示意

对于轮扣式脚手架，很多学者已对其进行了研究。胡长明等[1]通过试验发现材料缺陷、加载偏心等原因易造成单元架发生扭转破坏，当架体四周不搭设竖向支撑时，架体会发生失稳破坏而不是屈曲破坏。唐海星[2]通过节点抗剪试验研究和数值模拟分析，得到轮盘节点抗剪性能。杨曙[3]采用有限元分析软件建立脚手架整体分析模型，通过设置不同参数得到极限承载力。杨永达[4]通过在节点处施加水平力模拟轮扣式支架初始缺陷，再结合有限元分析判断初始缺陷对其整体稳定性能的影响。于悦[5]通过对不同参数下的轮扣式钢管支架体系进行试验研究，得到各工况下，支架极限承载力和破坏形态。李文[6]指出应从2个方面考虑增强轮扣式模板支撑架稳定性：①利用轮扣式支撑架立杆与扣件式钢管一致的特点，增加剪刀撑；②通过增加水平拉杆将各不能连成片的小单元拉结起来，增强支撑架整体稳定性。王洲春[7]对承插型钢管支撑架进行系统研究，分析立杆初始缺陷对支撑架的影响，运用等效水平荷载原理建立新的支撑架整体稳定性分析模型，得到节点抗弯刚度。高利强[8]基于实际工程对轮扣式脚手架施工工艺及施工易难点进行分析，认为轮扣式脚手架安全性、稳定性优于扣件式、碗扣式支撑架；陈莲芳[9]通过整体试验研究承插式脚手架截面形式、节点连接方式对其承载力的影响；柏石豪[10]通过对轮扣式脚手架节点插头进行建模分析，研究其受力性能及抗拔脱性能，为轮扣式脚手架的进一步发展提供依据。

由以上研究成果可知，众多学者已对轮扣式脚手架展开了相关研究，也有了一定成果，但均未对轮扣式脚手架使用过程中可能的破坏形式展开深入研究，而可能的破坏形式对轮扣式脚手架的安全使用至关重要。因此，针对该问题，本文利用数值模拟及理论分析相结合的方法进行具体研究，在得到可能的破坏形式基础上，对常见的2种破坏形式影响因素展开分析，以期为轮扣式脚手架的推广应用提供参考。

1 轮扣式脚手架模拟研究

目前，轮扣式脚手架主要由Q235钢制造而成，Q235钢材密度为7 850kg/m3，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3。数值模拟过程中模型尺寸为：水平杆长300mm，立杆长500mm，立杆、水平杆由φ48×3.5钢管制成。轮盘及插销尺寸如图2所示。

1.1 单元选择

采用ANSYS有限元软件进行建模分析，实体结构采用solid45单元；插销与轮盘之间接触面采用conta175单元。

1.2 边界条件

模型中立杆顶部和底部及水平杆远端均采用固定约束条件。

1.3 计算工况

轮扣式脚手架在工程应用过程中可能遇到3种工况：①工况1(立杆为中心杆) 此时轮盘中插入4个水平杆插销，承受4个水平杆传来的荷载，如图3a所示；②工况2(立杆为边杆) 此时轮盘中插入3个水平杆插销，承受3个水平杆传来的荷载，如图3b所示；③工况3(立杆为角杆) 此时轮盘中插入2个水平杆插销，承受2个水平杆传来的荷载，如图3c所示。

1.4 本构模型

选用Mises屈服准则，强化准则选用BKIN随动强化材料模型，材料本构模型采用理想弹塑性线性强化模型。

Mises屈服准则表达式如式(1)所示：

σe-σy=0

(1)

式中：σe为等效应力；σy为屈服应力。

σe计算如式(2)所示：

(2)

式中：σ1，σ2，σ3为3个主应力。

1.5 模拟结果分析

3种工况下轮扣式脚手架某一时刻应力如图4所示。由图4可知，在荷载作用下，水平杆将发生较大的弯曲变形，故水平杆弯曲破坏是轮扣式脚手架主要破坏形式。除水平杆弯曲变形外，立杆也会发生一定的稳定性变形，带动轮盘产生向下位移，如图5所示。

图5 3种工况下的轮盘在正常工作状态下的位移-荷载曲线

由图4可知，在工况1下，立杆基本处于轴心受压状态，此时立杆产生的变形仅为稳定性变形，故变形很小；在工况2下，立杆由轴心受压变成单向偏心受压，此时偏心压力使立杆产生额外弯曲，故工况2变形大于工况1；在工况3下，立杆受到双向偏心荷载作用，双向偏心荷载产生的额外弯矩更大，故此工况下的变形最大。

由图5可知，在加载初期，轮盘竖向位移很小，基本随荷载呈线性增长，且增长幅度很小，处于弹性状态；随着荷载增大，竖向位移逐渐增大，与荷载变化呈非线性特征，已表现出明显的弹塑性特征；当荷载增大至一定值后，轮盘竖向位移呈加速增大趋势，预示轮扣式脚手架破坏。

2 轮扣式脚手架破坏形式分析

2.1 立杆失稳破坏

1)破坏性质 立杆作为脚手架的主要承力构件，其失稳破坏为延性破坏。

2)破坏条件 在荷载作用下，立杆承受轴向压力，当荷载增大至某值时，立杆出现挠度，挠度随荷载增大不断增大，当荷载增大至某值后，杆件出现塑性变形，发生偏心受压破坏，破坏形态为失稳破坏，对应的临界点即为失稳破坏点。

3)破坏现象 立杆承受轴向压力时，当压力较小时，压杆平衡属于稳定平衡，在轴压作用下立杆无明显挠度。当压力增大至某临界值时，压杆从稳定平衡转变为不稳定平衡，使立杆产生附加弯矩，随着荷载的不断增大，挠度逐渐增大，最终导致杆件完全丧失承载力。

4)破坏承载力计算方法 对于实腹式轴心受压钢构件的整体稳定承载力，采用式(3)或式(4)进行计算：

不组合风荷载时：

(3)

组合风荷载时：

(4)

式中：N为轴压承载力；φ为轴心受压整体稳定系数，根据长细比λ值按规范附录查表取值；A为构件全截面面积；Mw为立杆段风荷载设计值产生的弯矩，Mw=0.9×1.5Mwk，Mwk为风荷载产生的弯矩标准值；W为截面抗弯模量[11]；f为抗压承载力设计值。

根据立杆失稳破坏的相关分析，可得到本文有限元模拟工况下立杆理论承载力为172.1kN。

2.2 插销焊缝剪切破坏

1)破坏性质 插销破坏的主要形式为焊缝剪切破坏，破坏性质为脆性破坏。

2)破坏条件 随着竖向荷载不断增加，水平杆承受的荷载不断增大，插销作为支承水平杆的支座，其支座反力也不断增大。插销与水平杆间为焊接连接，故在竖向荷载作用下，水平杆两端插销承受剪力作用，当焊接质量不高导致水平杆与插销连接处焊缝承载力较低时，易发生插销焊缝剪切破坏。

3)破坏现象 随着竖向荷载不断增大，插销所承受的反力增大，当荷载增大至一定值后，插销与水平杆间的焊缝被剪断。

4)极限承载力计算方法：

(5)

式中：A为剪切面面积；Q为剪切面上的剪力；[τ]为剪切强度限值。

5)插销受剪承载力计算：

(6)

式中：fvw为插销焊缝抗剪强度。

根据插销焊缝破坏的相关分析，可得到本文有限元模拟工况下插销破坏理论承载力为140.7kN。

2.3 水平杆弯曲破坏

1)破坏性质 水平杆发生弯曲变形的破坏性质为延性破坏。

2)破坏条件 水平杆作为直接承受外部荷载的构件，当其所受荷载达到一定值时，截面发生弯曲屈服。

3)破坏现象 加载初期，水平杆在外荷载作用下几乎无变形，随着荷载不断增大，跨中部位开始出现弯曲变形，但弯曲变形的发展较缓慢；随着承受荷载继续增大，试件弯曲变形速度加快，竖向位移变得明显。

4)水平杆极限承载力需满足式(7)要求：

(7)

式中：Mx为水平杆承受弯矩，可通过简支梁静力平衡条件确定；γx为塑性发展系数；Wn为截面抗弯模量。

根据水平杆弯曲破坏的相关分析，可得到本文有限元模拟工况下水平杆理论承载力为121.9kN。

2.4 轮盘与立杆间焊缝剪切破坏

1)破坏性质 轮盘与立杆间通过焊接连接，焊缝发生剪切破坏的破坏性质为脆性破坏。

2)破坏条件 竖向荷载通过水平杆和插销传递给轮盘，当轮盘与立杆间焊缝质量较差时，焊缝在竖向荷载作用下发生剪切破坏。

3)破坏现象 轮盘与立杆间焊缝在加载初期，位移呈线性增长趋势但数值很小；当荷载达到极限荷载时，焊缝突然破坏，表现出明显的脆性破坏特征。

4)极限承载力计算公式：

(8)

根据轮盘与立杆间焊缝的剪切破坏相关分析，可得到本文有限元模拟工况下插销破坏的理论承载力为168.8kN。

3 理论破坏形式与有限元模拟及工程应用的对比分析

将轮扣式脚手架理论分析的4种破坏形式极限承载力与有限元模拟得到的极限承载力进行对比，如表1所示。由表1可知，理论分析的4种破坏形式中，水平杆弯曲破坏极限承载力最低，为121.9kN；而立杆失稳破坏极限承载力最高，达172.1kN。有限元分析得到的轮扣式脚手架破坏形式为水平杆弯曲破坏，说明轮扣式脚手架最有可能的破坏形式为水平杆弯曲破坏；有限元模拟得到的水平杆弯曲破坏承载力为120kN，与理论分析得到的值非常接近。

表1 承载力对比研究 kN

在实际工作中，轮扣式脚手架往往发生插销焊缝剪切破坏，如图6所示，分析原因如下。

图6 轮扣式脚手架插销焊缝剪切破坏

1)轮扣式脚手架插销在与水平杆焊接连接过程中，焊接质量不高，无法达到焊接强度或焊接面积要求。

2)钢管经过多次周转，产生变形、弯曲，导致对接部位出现初弯曲，使构件承载力下降。

3)钢管到达施工场地后，由于要进行多次切割，端面不平整，无法与其他构件更好地契合，导致更易发生破坏。

因此，在实际工程中，应注意对构件质量的控制，使用完成后应对杆件初始弯曲、缺陷等进行检查控制，要及时更换不合格杆件，保证轮扣式脚手架极限承载力[12]。

4 各因素对水平杆弯曲破坏承载力的影响

4.1 材质

轮扣式脚手架主要材料为钢管和扣件，这些材料强度直接影响脚手架承载力[13-14]。现将Q235钢更换为Q345钢，其他参数不变，分析轮扣式脚手架材质对水平杆弯曲破坏承载力的影响。

计算结果如表2所示。由计算结果可知，当脚手架钢材由Q235钢更换为Q345钢时，水平杆理论承载力为136.6kN，比Q235钢理论承载力提高12%，提升幅度较明显。

表2 钢材强度对水平杆弯曲破坏承载力的影响

4.2 钢管壁厚

当钢管直径不变、钢管壁厚发生变化时，钢管截面面积发生变化，对应的截面模量也会发生变化，会影响水平杆弯曲破坏承载力。为分析钢管壁厚对水平杆弯曲破坏承载力的影响，分别选取壁厚为3.5，3.2，3.0，2.8，2.5mm钢管进行计算，结果如表3、图7所示。

表3 钢管壁厚对水平杆弯曲破坏承载力的影响

图7 钢管壁厚对水平杆弯曲破坏承载力的影响

计算结果表明，钢管壁厚对水平杆弯曲破坏承载力有很大影响，随着钢管壁厚的减小，水平杆弯曲破坏承载力也逐渐减小，几乎呈线性关系。当钢管壁厚为3.5mm时极限承载力为121.9kN，当钢管壁厚为2.5mm时极限承载力减小至103.6kN，钢管壁厚减小28.6%，承载力降低15.0%。

4.3 钢管直径

在钢管壁厚不变的条件下，改变钢管直径同样会改变钢管截面面积，进而影响截面模量及水平杆弯曲承载力。为分析钢管直径对水平杆弯曲破坏承载力的影响，将钢管直径由48mm分别调整为42，36mm，计算结果如表4、图8所示。

表4 钢管直径对水平杆弯曲破坏承载力的影响

图8 钢管直径对水平杆弯曲破坏承载力的影响

由计算结果可知，水平杆弯曲破坏承载力与钢管直径有直接关系。随着钢管直径的减小，水平杆弯曲破坏承载力逐渐降低，基本呈线性关系。钢管直径由48mm减小至36mm时(减小25%)，极限承载力由121.9kN降低至103.6kN，降低15.0%。

从表4、图8可知，随着杆件横截面面积的增加，水平杆极限承载力也在增加。

5 焊缝长度对插销焊缝剪切破坏承载力的影响

插销焊缝剪切破坏是轮扣式脚手架在工程中常见的破坏形式[15-16]。而焊缝长度及强度是影响轮扣式脚手架插销焊缝剪切破坏承载力的主要因素，其中焊缝强度与工人技术有很大关系，随机性较强，故仅针对焊缝长度对插销焊缝剪切破坏承载力的影响展开研究。

为研究焊缝长度对插销焊缝剪切破坏承载力的影响，选取5种焊缝长度(分别为5，10，15，20，25mm)进行分析，计算结果如表5、图9所示。

表5 焊缝长度对插销焊缝破坏承载力的影响

图9 焊缝长度对插销焊缝剪切破坏承载力的影响

由计算结果可知，焊缝长度对插销焊缝剪切破坏承载力有较大影响。随着焊缝长度的增大，插销焊缝剪切破坏承载力明显提升。当焊缝长度为5mm时，插销焊缝剪切破坏承载力为101.3kN，而当焊缝长度增大至25mm时，插销焊缝剪切破坏承载力提高至140.7kN，提高38.9%。

6 结语

1)轮扣式脚手架可能发生的破坏形式主要包括立杆失稳破坏、插销焊缝剪切破坏、水平杆弯曲破坏及轮盘与立杆间焊缝剪切破坏。

2)4种破坏形式中，水平杆弯曲破坏承载力最低，而立杆失稳破坏承载力最高，故水平杆弯曲破坏是理想状态下最可能的破坏形式。实际工程中，由于施工质量等原因，插销焊缝剪切破坏也是常见的破坏形式。

3)钢管材质、壁厚和直径影响轮扣式脚手架水平杆弯曲剪切破坏承载力，随着钢管材质的提高及钢管壁厚和钢管直径的增大，水平杆弯曲破坏承载力均有所提升。

4)焊缝长度和强度对插销焊缝剪切破坏承载力的影响较大，焊缝长度越大，插销焊缝剪切破坏承载力越大。