重庆产业园孵化楼工程中盘扣式脚手架力学性能分析

王洁

摘要：承插型盘扣式脚手架由于其良好的力学性能、耐久性和观感，近年来在工程中应用越来越广泛。开展抗扭刚度试验，分析插销楔紧度与盘扣架体节点抗扭刚度的关系，并给出了合理化建议。通过数值模拟手段，分析不同参数对架体承载力的影响。研究结果表明：盘扣节点扭矩与转角位移成正相关关系，在不同的楔紧度工况下盘扣节点刚度存在峰值。相比于Ф48型盘扣构件，Ф60型盘扣构件抗扭刚度更高，但延性相对较低。Ф48型盘扣构件插销下沉量宜取约2.7cm，Ф60型盘扣构件插销下沉量宜取约1.8cm。数值分析结果表明，水平杆步距对架体承载力影响更为显著，在实际工程中，应着重考虑支撑架体承载力受水平杆步距的影响。

关键词：承插型盘扣式脚手架；抗扭刚度试验；数值模拟；承载力

0   引言

承插型盘扣式脚手架由于其良好的力学性能、耐久性和观感，近年来在工程中应用越来越广泛，许多研究人员对其力学特点和施工工艺进行了一系列研究[1-2]。刘京红等[3]开展了一系列盘扣架足尺试验，对比分析了三种斜杆布置方式的力学差异。李金明[4]依托青岛地铁四号线海泊桥车站项目，介绍了盘扣架的主要施工步序和施工工艺。杨和钟和周士杰[5]提出了一种新的盘扣架体复合支撐体系，并对其经济、社会效益进行了分析。赵虎等[6]将盘扣架技术应用于超高及不规则建筑中，并详细论述了其施工要点。

在前人研究的基础上，本文开展了一系列抗扭刚度试验，分析了插销楔紧度对盘扣架体节点抗扭刚度的关联。通过数值模拟手段，研究了不同参数对架体承载力的影响，并对相关施工要点进行了探讨。本文的研究成果可为承插型盘扣式脚手架的设计与施工提供一定的指导、借鉴意义。

1   试验概况

1.1   选取试验构件

本文依托重庆市传感器特色产业基地项目，开展抗扭刚度试验，探究盘扣架节点抗扭刚度受插销楔紧程度的影响。盘扣节点抗扭试验如图1所示。选用Ф48型和Ф60型两种盘扣构件，试验试件主要为施工现场随机抽取的盘扣架水平杆、带水平圆盘的立杆和插销。

试验构件规格和材质如表1所示。其中立杆与水平杆规格由直径×壁厚表示，插销规格由厚度表示，连接圆盘规格由直径×厚度表示，单位均为mm。通过位移计对立杆、水平杆的控制点进行测定，从而对节点转角位移大小计算。

1.2   实验过程

试验开始前，通过液压机加持钳将立杆两端进行固定，将两端边界条件视为刚接。施加集中荷载于水平杆远离立杆一侧端部，采用逐级加载方式进行试验加载，每级荷载控制在0.1kN，持续时间为2min。在进行正式加载前，进行预加载，以消除各构件间的安装间隙，并对监测仪器进行检验。当测点位移超过位移量程10cm或钢管出现明显弯曲破坏后，试验结束，即停止加载并进行卸载。

通过插销楔紧度对插销楔紧等级进行表示。Ф48型盘扣节点构件插销下沉量为0.3cm时，楔紧度为10%。插销下沉量为3cm时，楔紧度为100%。Ф48型盘扣节点构件插销下沉量为0.2cm时，楔紧度为10%。插销下沉量为2cm时，楔紧度为100%。

2   试验结果分析

不同插销楔紧度工况下盘扣节点扭矩随转角变化曲线如图2所示，其中图2a为Ф48型盘扣构件试验结果，图2b为Ф60型盘扣构件试验结果。

2.1   Ф48型盘扣构件试验结果

从图2a中可以看出，盘扣节点扭矩随着转角位移的增加而增大，扭矩大小与转角位移呈现正相关关系。随着转角位移的增加，盘扣扭矩增加速率逐渐下降，曲线随转角位移的增加而逐渐平缓。各工况相比，同一转角位移下，节点扭矩最高的为80%楔紧度工况，峰值扭矩约为1.39kN·m。低于80%楔紧度下，节点扭矩呈现出随着楔紧度增加而提高的规律，100%楔紧度工况与60%楔紧度工况扭矩-转角曲线基本一致。

2.2   Ф60型盘扣构件试验结果

从图2b中可以看出，相比于Ф48型盘扣构件，Ф60型盘扣构件刚度更高，延性较低，即同一工况下各转角位移对应的节点扭矩数值更高。这是由于Ф60型盘扣构件截面外径更大，其回转半径也大于Ф48型盘扣构件，因此其节点承载力更大。各工况下其与图2a现象有明显差异，同一转角位移下，节点扭矩呈现出随着插销楔紧度增加而增大的规律，100%插销楔紧度工况下，峰值扭矩达到了1.61kN·m。但随着楔紧度的增加，构件延性呈现出明显的下降趋势。而Ф48型盘扣构件延性未有明显差异。

2.3   综合结果分析

结合试验数据可以推论出，当插销楔紧度小于90%时，节点抗扭刚度与插销楔紧度呈现正相关关系。但随着楔紧度的进一步增加，盘扣节点抗扭刚度呈现出一定的下降趋势，在不同的楔紧度工况下盘扣节点刚度存在峰值。因此，Ф48型盘扣构件插销下沉量宜取2.7cm，Ф60型盘扣构件插销下沉量宜取1.8cm。

3   有限元数值模拟与分析

3.1   模型建立

为进一步研究盘扣架体参数对承载力的影响，本文通过有限元软件建立盘扣架体数值模型，盘扣架体如图3所示。相关架体参数如表2所示。架体高度为2700mm，斜杆采用螺旋布置，立杆间距设为900mm，扫地杆高度和顶部伸出长度均为350mm。通过半刚性模型模拟盘扣节点，立杆与水平杆均采用梁单元模拟。

3.2   参数分析

不同水平杆步距与立杆间距工况下承载力计算结果如表3所示。从表3中可以看出，盘扣架承载力随着水平杆步距的增加而下降。水平杆步距为1m和1.5m工况下，提高立杆间距，对盘扣架体承载力影响不大，立杆间距为900mm和1200mm承载力基本一致，1500mm工况下承载力略微下降。水平杆步距2m工况下，承载力随着立杆间距的增加而下降。

整体而言，相较于立杆间距，水平杆步距对架体承载力影响更为显著。因此在实际工程中，应着重考虑支撑架体承载力受水平杆步距的影响。

4   难点部位支撑探讨

承插型盘扣式脚手架在为产品安全提供进一步保证的同时，兼具较长的使用寿命，且应用具有良好的观感，因此在大型市政设施和超高层建筑等项目中应用较为广泛。然而，由于盘扣连接盘的限制以及模数要求，其布置尺寸受到了较大限制，在实际工程应用中，存在较多的搭设难点。本文就部分难点部位提出一些搭设建议，以供参考。

4.1   楼梯位置

在楼梯位置处，楼梯底部的扫地杆和顶部的托撑宜采用扣件式钢管拉结，与相邻架体连接，以确保架体的整体稳定性。

4.2   梁底模板支撑

由于盘扣架立杆的材质性能较高，因此可设置托梁于梁下进行回顶，无需额外单独设置立杆亦可保证承载力满足要求，有利于节省架体材料。

4.3   后浇带

根据相关规范要求，禁止提前拆除后浇带区域支模架，因此在进行架体搭设时，宜与周边分开搭设。与周边架体的连接可采用扣件钢管作为水平杆，同时在底部铺设槽钢，以防止立杆悬空。

4.4   斜坡基础面

为确保架体稳定性，建议采用扣件式钢管对底部扫地杆进行拉结，同时与上层架体相连接。

4.5   边梁位置

加长梁底主楞槽钢，采用斜杆支撑梁侧模，并通过扣件式钢管架回顶槽钢底部，同时将扣件钢管架连接立杆。

5   结束语

为研究承插型盘扣式脚手架力学特性，本文依托重庆市传感器特色产业基地项目，进行抗扭刚度试验，研究插销楔紧度对盘扣架体节点抗扭刚度的影响。通过有限元软件建立数值分析模型，分析水平杆步距和立杆间距对架体承载力的影响。最后对相关施工要点进行了探讨。得出主要结论如下：

盘扣节点扭矩随着转角位移的增加而增大，扭矩大小与转角位移呈现正相关关系。随着转角位移的增加，盘扣扭矩增加速率逐渐下降，曲线随转角位移的增加而逐漸平缓。

相比于Ф48型盘扣构件，Ф60型盘扣构件刚度更高，即同一工况下，各转角位移对应的节点扭矩数值更高，但延性较低。

当插销楔紧度小于90%时，节点抗扭刚度与插销楔紧度呈现正相关关系，随着楔紧度的进一步增加，盘扣节点抗扭刚度呈现出一定的下降趋势。Ф48型盘扣构件插销下沉量宜取2.7cm，Ф60型盘扣构件插销下沉量宜取1.8cm。

相较于立杆间距，水平杆步距对架体承载力影响更为显著。因此在实际工程中，应着重考虑支撑架体承载力受水平杆步距的影响。

参考文献

[1] 俞泽平，李芳，孙飞等.盘扣式脚手架在工程应用中的力学优势[J].建筑技术开发，2021，48（18）：50-51.

[2] 王黎明，朱鑫昱，肖林等.承插型盘扣式钢管支架盘扣节点扭矩–转角三维杆系ANSYS有限元模型适用性研究[J].建筑技术，2021，52（12）：1463-1466.

[3] 刘京红，李文坡，张凌博等.承插型盘扣式钢管支撑脚手架试验及有限元分析[J].北京理工大学学报，2023，43（5）：478-484.

[4] 李金明.“型钢门架+盘扣式脚手架”式支架在地铁车站中的施工技术研究[J].黑龙江交通科技，2023，46（2）：146-148.

[5] 杨和钟，周士杰.沉降后浇带素混凝土柱与盘扣架体复合支撑技术[J].建筑机械化，2022，43（10）：81-83.

[6] 赵虎，张海风，南勃等.承插盘扣架体在超高及不规则建筑结构中的应用技术[J].建筑技术开发，2022，49（20）：29-31.