高强工具式脚手架配套构配件研究与应用述评

于海祥，刘源

（1 重庆建工集团股份有限公司设计研究院，重庆 400080；2 云南大力神金属构件有限公司，云南昆明 650032）

1 我国使用高强工具式脚手架的现状

目前，从全世界建筑施工脚手架的应用情况来看，高强度钢材立杆、模数化杆件、配套化、工具式构配件是脚手架发展的必然选择，这既是建筑施工安全的要求，也是减少施工临时设施用材、提高现场文明化程度的不二选择。从目前我国使用碗扣、盘扣、轮扣、蟹扣式（安德固）、键槽式、插扣式等类型的工具式脚手架的情况来看，主要存在如下问题：大部分脚手架除了架体必要的立杆、水平杆、底座、可调顶托外，几乎再无其他专用的配件，甚至连必要的专用斜杆都不再配备（盘扣式、大力神DURALOK、安德固蟹扣式配备有专用斜杆，其余类型架体很少配备斜杆）；或者现场过多依赖普通钢管扣件进行辅助组架，现场搭设随意，架体传力不明确，结构存在薄弱环节，这就造成了新型架体的高承载力不能充分发挥。很多企业无专用的工具式主楞，简单以工字钢代替，或者采用双钢管，使得只能采用较小的立杆间距。这些问题严重影响了高强度、工具式、模块化脚手架的推广和使用。本文在国内外现状调研的基础上，对高强工具式脚手架立杆多功能顶托（底座）与螺杆、支架顶部工具式主楞、杆件等强连接头、多功能斜杆等配套构配件的研发和应用情况进行介绍。

2 多功能顶托（底座）与螺杆

在各类钢管支撑体系中，作业层荷载如何从上部轴心传至立杆是需要重点解决的问题，通常的做法是在立杆顶部设置带丝牙及调节螺母的可调U形顶托，同样，在立杆底部设置底座将立杆轴力可靠传递至地基也是架体设计的关键。但实际支模操作中会存在如下特殊情况：（1）由于顶部或底部高差或坡度的存在，使得局部杆件端部的自由悬臂长度过大；（2）上部荷载有大有小，单一的大U形托或单一的小U形顶托不能适用不同尺寸的分配主楞；（3）地面坡度较大时，水平固定底座板与倾斜地面匹配度差；（4）梁板结构联合支模时，梁侧的板荷载向梁下立杆传力困难，过多依赖二次小支架或双横梁托梁（盘扣架）。上述情况使得普通可调螺杆顶托（底座）无法适应具体工程实际。支模架多功能顶托（底座）与螺杆在这种条件下应运而生，国际及国内各地都有一些创新研发，其中最具有代表性的是Scafom-rux Yunnan Hercules Steel Company（荷兰Scafomrux公司下属云南大力神金属构件有限公司）针对高强CUPLOK碗扣式钢管支架进行的下述几种顶、底托产品研发和工程实践。

2.1 带管顶托（底座）

为解决局部高差部位立杆顶部自由外伸长度超过标准上限或扫地杆离地间距过大问题，在普通丝杆顶托或底座靠近托板处设置φ48.3mm的短钢管，短钢管与顶托或底座焊接成整体，可整体拆卸，通过销钉固定于螺杆丝杆上。由此，可利用扣件在此段钢管上灵活设置纵横向附加水平杆，形成顶部或底部附加步距，以减小顶、底部立杆自由长度，同时可拆卸的顶底座板提升了多功能丝杆的通用性（图1）。在该创新改造中，可调托撑和可调底座统一采用相同规格的20#无缝钢管可调螺杆，外径φ38mm，一端不带有丝牙，该端无论作为顶托还是底座，始终插入钢管，长度不小于150mm（实际使用方式决定了该端部一定长度范围内无需设置丝牙）。

图1 多功能可拆卸式可调螺杆

2.2 带节点顶托

同上述加强原理，以高强碗扣架为例，立杆顶部可调托撑还可设置带上下碗扣的专用顶托，用于立杆顶部自由外伸长度超过标准上限要求时，通过设置附加水平杆对螺杆顶部进行加强处理（图2），对可调底座也可采用同样的加强构造措施。应用中需注意，当通过该带管（或节点）丝杆设置附加水平杆时，架体的专用斜杆需延伸至该附加步距。对其他类型脚手架也可采取同样的顶托丝杆附加活动节点的处理方法，如图2d所示的键槽式脚手架的带可调节点顶托丝杆。

2.3 双向顶托

如图1b、图2b所示，在普通单一方向顶托的基础上，将托座板两个方向均设置为U形承托。其中一个方向净空较大，适合大荷载或大立杆间距情况下较大主楞梁搁置；另一个方向净空较小，适合小荷载或小立杆间距下较小主楞梁的搁置，实现“一托两用”。

图2 带加强节点的专用可调托（座）及附加水平杆设置

2.4 旋转底座（地托）

在地面坡度较大时，可在可调底座的螺杆与垫座板之间通过销钉设置可旋转地托，能有效适用各种坡度情况下的立杆布置，并确保立杆垂直度不受影响（图3）。

图3 旋转地托

2.5 带肩托多功能可调顶托

通过在立杆顶部设置下部插入立杆接长、上部插入小可调丝杆的过渡立杆的方式，可形成一种新型传力顶托。此段立杆带丝杆、带节点（通过定型水平杆可与周围立杆连接，保证架体整体性和稳定性），在丝杆上设置可调位置的承托装置（肩托），由此梁板结构中主次梁的支模主楞便可以搁置在肩托上，从而将荷载轴心传递至立杆（图4a）。此种做法可有效实现梁板共用立杆支模，有效避免了在梁模板的主楞上再次另起立杆设置小支架的弊端；同时由于肩托位置可调，因此搁置在肩托上的主楞可直接作为梁模板的主楞，主楞上直接设置次楞及模板，避免了在传统双槽托梁上再次设置可调托撑、主楞、次楞的复杂支模方式；最重要的是，该方法能够解决不等高主次梁交接部位立杆的主楞设置，主次梁高差设定为次楞截面高度即可（图4b、4c），当交叉主次梁截面高度相差较大时，可设置上下两个可调肩托，其高差设置为主次梁截面高差即可（图4a）。

图4 带肩托多功能可调顶托

3 工具式主楞

高强度脚手架单立杆承载力较大，一般单杆承载力设计值可以达到35~70kN，由此带来的问题是：较普通脚手架立杆间距明显增大（钢管扣件脚手架常用跨度为900mm，而φ48.3盘扣、高强碗扣架常用立杆间距是1.2~1.8m），这就使得支架顶托上的主楞计算跨度大大增加；采用普通的以木方或型钢为主的主楞会遇到三个问题，其一是木方承载力不足，其二是型钢自重过大，操作不便，第三是主楞连续接长不易实现。为此，应用高强支撑架需采用高承载力、轻质、易拼接式的工具式主楞，一般采用承载力较大的工字木梁（图5）、专用铝梁（图6）、铝木组合截面梁（图7）、腹板开孔双U型钢梁（图8）等。其中，腹板开孔双U型钢托梁采用螺栓连接接长，能有效适应被支撑混凝土构件底部折线（图9）或曲线（图10）造型，且腹板的开孔增多了主楞对接拼接时的可调拼接长度范围。按现行行业标准《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》[1]（JGJ 166—2016）的规定，不论采用哪种工具式主楞，在单件主楞的端部均宜设置可调长度接头，以实现主楞的连续接长，如无法设置接头，则应注意主楞的长度与脚手架杆件的模数化相协调，确保接头位于顶托之上。

图5 工字木梁

图6 铝梁

图7 铝木组合截面梁

图8 双U型钢梁

图9 双U型钢梁用于折线支模

图10 双U型钢梁用于曲线支模

4 杆件等强接头

随着近年来工具式模数化脚手架的大量应用，定尺的杆件类型较多，国际上一些大型脚手架企业发明了一种可实现短杆件通过专用接头接长为长杆件的接头，如两个0.6m的水平杆接长为一根1.2m长的水平杆。其中又分为两种方式：一种是碗扣架的水平杆通过碗扣式专用接头将水平杆接长（图11），锻造水平杆插片可以实现水平杆间的等强度（抗剪、抗弯、抗拉）扩展连接，可以将短水平杆连接成长水平杆，大大提高了模数化定长杆件的利用率；另一种是英国Harsco INFRASTRUCTURE公司推出的等强接头Tube-Lock扣件式钢管脚手架体系所采用的承插旋紧式等强、等截面接头（图12）。Tube-Lock是一种新型的富有生命力的扣件式钢管脚手架系统，不仅通过等截面、等强接头提高了架体的应用范围与搭设灵活性，更重要的是在传统扣件的基础上，创造了插扣式楔紧型扣件（图13），大大提高了扣件节点的锁紧程度，提升了节点转动刚度，增强了节点抗滑承载力，同时其也是各类模块化支架的必要补充，几乎很难找到不用钢管扣件的项目，应该得到重视。

图11 碗扣式水平杆连接头

图12 Tube-Lock承插旋紧式等强等截面杆件接头

图13 插扣式楔紧型扣件

5 专用斜杆

斜杆是保证各类脚手架（包括作业脚手架和支撑脚手架）空间整体稳定性、提高其承载力的重要构造措施，但长期以来国内形成了使用交叉大剪刀撑（俗称“十字盖”）的方法，交叉大剪刀撑的长杆件不能通过架体的节点（或靠近节点），有限元屈曲分析表明，同样的斜向杆件用量条件下，过节点的短斜杆（无论是专用工具式斜杆还是普通钢管扣件短斜杆），相比于大剪刀撑，其承载力高出15%~50%（架体越高，差别越明显）。支撑架应用方面，对于轮扣、碗扣等类型仅有4个孔眼的节点，由于每个节点有4个杆件接头连接，受节点杆件占位影响，无法直接采用插入立杆节点的斜杆，因此国内外目前有3种处理思路：（1）采用活动半扣件定尺短杆件作为斜杆，对于碗扣、轮扣这类定尺架体，斜杆可采用在钢管两端设置旋转半扣件的方式制作，其几何构造及组架方式如图14所示，半扣件与斜杆端部压扁钢管一体化设计，不可分离，使用时通过半扣件将斜杆设置于靠近节点的立杆上；（2）采用Scafom-rux公司发明的钩式锁头[2]，斜杆仍为定长杆件，可通过敲击专用锁紧楔子固定于靠近节点的水平杆上（与主节点的距离不应超过100mm），为实现斜杆的多功能使用目的，可在杆件中设置可调节长度装置，实现不同的架体框格对角线长度需求（图15）。此种设置方法基于DURALOK架体的节点转动刚度不小于80kN·m/rad；（3）直接采用普通钢管扣件短斜杆，设置于靠近节点的立杆或水平杆上，设置于水平杆上时需保证架体节点具有较高的转动刚度（图16）。

图14 活动半扣件定尺短斜杆

图15 卡扣式接头专用内斜杆几何构造

图16 钢管扣件过节点的短斜杆

还有一种方法是近些年针对高强、重型架体发展起来的一种连接形式，一般针对立杆间距较大的情况，此时不再设置斜杆，而是采取柱间平联（竖向平面桁架形式），从而有效提高架体的整体性和稳定性（图17）。

图17 柱间平联

此外，越来越多代替专用斜杆的做法采用交叉拉条，图18为采用交叉拉条的碗扣式脚手架。对于各种类型的外脚手架，由于节点有空闲空位，因此可以突破节点水平杆接头数量的限制，采取放入立杆节点的插头式专用斜杆，各类脚手架的专用斜杆插头做法不尽相同，图19为碗扣式架体的标准专用斜杆。

图18 交叉拉条设置

图19 碗扣架专用外斜杆

6 结论

各类专用构配件是高强度、工具式脚手架充分发挥其高承载力、有效扩大应用范围、提升施工现场文明施工程度的重要依托，本文在对高强工具式脚手架立杆多功能托座、工具式主楞、杆件等强连接头、多功能斜杆等配套构配件的研发和应用情况调研分析的基础上，得到如下结论：

（1）可调托撑与底座在与丝牙螺杆间设置无丝钢管段，可方便设置附加封顶杆或扫地杆，有效解决立杆端部自由外伸长度过大问题，充分适应立杆顶部或立杆基础高差变化时的支模需求；

（2）通过在可调托撑靠近托座板位置或可调底座靠近垫座板处设置节点，形成带节点螺杆，可方便附设附加纵横水平杆，有效解决立杆端部自由外伸长度过大问题；

（3）对可调托承的托板形状进行改进，可适应两个方向不同截面型号主楞的搁置，扩大可调托撑应用范围；

（4）旋转地托能有效适应立杆地基斜度较大的支架搭设情况，地面坡度较大时应用效果好；

（5）通过对长螺杆进行改造，设置可调位置的肩托形成多功能可调顶托，能够实现梁板共用立杆支模，有效避免了在梁模板的主楞上再次另起立杆设置小支架的缺陷，并能实现主次梁共用支架的支模需求；

（6）高强、轻质、便于接长的主楞对于确保作业层荷载向立杆传递、提高架体安全性具有重用作用，但应重视其接长方式；

（7）立杆及水平杆等强接头能大大提高模数化定长杆件的利用率，提升架体安全性能，采用此方式效果显著；

（8）在大力推广高强度、模块化脚手架的今天，扣件式脚手架仍有较大的生命力，是各类工具式脚手架的重要补充，插扣式楔紧型扣件由于其免螺栓、紧固性高，是今后扣件发展的主流；

（9）需重视脚手架斜杆的设置方式，设置过主节点的工具式短斜杆或钢管扣件式短斜杆是确保高强架体承载力的重要构造措施，应尽量避免大剪刀撑的使用，各类连接方式的定长、可调长度斜杆的研发是今后工具式脚手架领域研发的主要方向之一。