李玉賓

(貴州逢源恒通工程項目管理咨詢有限公司，貴州 貴陽 550001)

0 引 言

長期以來，盤扣式腳手架結(jié)構(gòu)設(shè)計計算大多以經(jīng)驗為主，隨著高大建筑的出現(xiàn)，腳手架搭設(shè)的高度大大增加，若僅憑經(jīng)驗判斷則無法保證其結(jié)構(gòu)的可靠性。盤扣式腳手架屬于附著式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)及性能的穩(wěn)定性直接關(guān)系著所附著建筑的穩(wěn)定，同時又受到施工結(jié)構(gòu)體系的較大影響。在施工過程中，盤扣式腳手架受力較為復(fù)雜，導(dǎo)致其節(jié)點在所負(fù)荷載的作用下容易松動，進(jìn)而引發(fā)腳手架體系局部甚至全局失穩(wěn)。本文在分析承插型盤扣式腳手架節(jié)點自鎖性能及自鎖條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了自鎖性能良好的雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析，可為承插型盤扣式腳手架在工程建筑領(lǐng)域的更好應(yīng)用提供借鑒參考。

1 工程概況

某商業(yè)+高層住宅樓為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，單體工程存在較多凸窗設(shè)計，受力結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致其架體節(jié)點處理存在較大難度。所以，本分項工程應(yīng)以細(xì)部構(gòu)造處理為控制重點；建筑結(jié)構(gòu)外形不規(guī)則，有較多陰陽角設(shè)計，懸挑主梁也存在較大設(shè)置難度。該商業(yè)+高層住宅樓結(jié)構(gòu)建筑安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年，建筑抗震設(shè)防類別為丙類。腳手架是高層住宅樓建筑施工用臨時性結(jié)構(gòu)，其主要承受施工過程中各項垂直和水平荷載，故腳手架必須有足夠的承載能力、剛度及穩(wěn)定性，其節(jié)點必須連接穩(wěn)固，在各種荷載綜合作用下不至于失穩(wěn)倒塌，以及發(fā)生超過允許要求的變形、傾斜搖晃及扭曲，以保證結(jié)構(gòu)安全。

2 承插型盤扣式腳手架節(jié)點改進(jìn)設(shè)計

在進(jìn)行承插型盤扣式腳手架搭設(shè)時必須將橫桿端扣接頭卡進(jìn)承插盤內(nèi)，并將插銷楔進(jìn)橫桿和承插盤內(nèi)的插孔，再將插銷敲緊。節(jié)點主要借助插銷和橫桿接頭的接觸進(jìn)行作用力的傳遞[1]，所以節(jié)點連接的穩(wěn)固性主要受插銷楔緊程度和自鎖性能的影響。

2.1 節(jié)點自鎖性能分析

根據(jù)盤扣式腳手架受力模型，只有當(dāng)其節(jié)點插銷斜面的接觸摩擦系數(shù)比插銷和橫桿端扣接頭處的摩擦系數(shù)大時，腳手架節(jié)點才能在各種載荷條件下具備良好的自鎖性能[2]。由于單圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點處插銷斜面和端扣接頭處的當(dāng)量摩擦系數(shù)相同，當(dāng)插銷斜面的驅(qū)動力超出斜面摩擦力時便會引發(fā)插銷的滑動，進(jìn)而打破節(jié)點自鎖平衡，導(dǎo)致腳手架結(jié)構(gòu)局部甚至整體失穩(wěn)。

2.2 雙圓盤腳手架節(jié)點設(shè)計

當(dāng)驅(qū)動力增加至一定限度，作用于插銷斜面的摩擦力達(dá)到最大水平，引發(fā)插銷向上滑動，節(jié)點失去自鎖功能，而承插盤和插銷接觸面當(dāng)量摩擦系數(shù)的增大能使支架節(jié)點自鎖性能提升。傳統(tǒng)的承插型盤扣式腳手架通過調(diào)整接觸面形式以使其當(dāng)量摩擦系數(shù)增大的做法會因插銷楔緊阻力的增大而不利于插銷敲緊和裝配。為保證支架節(jié)點具備良好的自鎖性能，本文提出雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)。此節(jié)點結(jié)構(gòu)主要通過增設(shè)承插盤，并將橫桿端扣接頭調(diào)整為鋼板折彎件而發(fā)揮作用。

該節(jié)點結(jié)構(gòu)主要包括橫桿、立桿、插銷、圓盤等部件，其承插盤主要為上下兩個圓盤，上承插圓盤與單圓盤節(jié)點承插盤相同，而為增加當(dāng)量摩擦系數(shù)，下承插圓盤則為V字形插銷槽設(shè)計。在交變彎矩的作用下，雙圓盤承插型腳手架節(jié)點處插銷因受到端口接頭的擠壓而與下承插圓盤V字形插銷槽接觸面當(dāng)量摩擦系數(shù)增大，自鎖性能增強(qiáng)，對于較大沖擊振動荷載的施工情形較為適用。

3 節(jié)點力學(xué)性能分析

橫桿傳遞的彎矩會進(jìn)一步作用于腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件[3]進(jìn)行雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點與單圓盤支架節(jié)點同在彎矩作用下承載性能對比分析，便可得出兩種支架形式受彎矩作用后半剛性特性、力學(xué)性能及構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的變動情況。

3.1 節(jié)點有限元模型

按照實際腳手架節(jié)點尺寸進(jìn)行有限元模型創(chuàng)建，立桿上下端均采用規(guī)定約束形式，而承插盤和橫桿則通過插銷連接，在進(jìn)行腳手架節(jié)點抗彎數(shù)值模擬時，應(yīng)結(jié)合彎矩情況進(jìn)行接觸對設(shè)置。單圓盤和雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)及彎矩作用下的抗彎模型如圖1、圖2所示。

圖1 單圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)及抗彎模型(單位：m)

圖2 雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)及抗彎模型(單位：m)

荷載F作用于橫桿左端后節(jié)點同時承受彎矩作用，荷載F與橫桿長度乘積即為彎矩大小。為分析支架節(jié)點結(jié)構(gòu)受力變形情況，采用ANSYS軟件進(jìn)行載荷力從1 kN增至10 kN過程的模擬分析。根據(jù)分析結(jié)果，節(jié)點結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨載荷力的增加而穩(wěn)定增大，并能得出各級載荷作用下單圓盤節(jié)點和雙圓盤節(jié)點應(yīng)力云圖[4]。當(dāng)雙圓盤節(jié)點載荷應(yīng)力增大至7 kN時，橫桿開始出現(xiàn)應(yīng)力屈服部位和塑性變形區(qū)域，而其余構(gòu)件因應(yīng)力值較小而無應(yīng)力屈服表現(xiàn)。根據(jù)節(jié)點結(jié)構(gòu)彎矩和所對應(yīng)轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系繪制節(jié)點剛度M-θr曲線，節(jié)點彎矩可根據(jù)橫桿荷載和橫桿尾端至立桿中心線距離之乘積求得，所對應(yīng)轉(zhuǎn)角則通過橫桿末端邊緣位移值求取[5]，具體公式如下：

式中：θr為節(jié)點結(jié)構(gòu)彎矩所對應(yīng)轉(zhuǎn)角，rad；δ為橫桿末端邊緣位移值，m；L為橫桿末端至立桿中心線的距離，m。正反向彎矩作用下的腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)彎矩所對應(yīng)轉(zhuǎn)角取值詳見表1和表2。

表1 正向彎矩作用下腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)彎矩所對應(yīng)轉(zhuǎn)角

表2 反向彎矩作用下腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)彎矩所對應(yīng)轉(zhuǎn)角

將兩測點間曲線視為直線后，可進(jìn)行正向彎矩作用下單圓盤和雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動剛度的估算，其轉(zhuǎn)動剛度分別在38.5～50 (kN·m)/rad以及 45～75 (kN·m)/rad，可見自鎖性能改進(jìn)后的雙圓盤節(jié)點結(jié)構(gòu)剛度明顯優(yōu)于單圓盤結(jié)構(gòu)。而在反向彎矩作用下，單圓盤和雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動剛度分別為30～50 (kN·m)/rad以及50～60 (kN·m)/rad。

3.2 節(jié)點抗彎實驗

為進(jìn)行雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點抗彎剛度及剛性特征的分析，通過微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)進(jìn)行節(jié)點抗彎實驗[6]，且施加的荷載力及所產(chǎn)生的位移由試驗機(jī)自動提取。當(dāng)所施加的荷載力持續(xù)增大，雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點橫桿端扣接處先出現(xiàn)塑性變形，而后承插盤也表現(xiàn)出塑性變形，且當(dāng)荷載力達(dá)20 kN后節(jié)點出現(xiàn)屈服。

根據(jù)腳手架節(jié)點抗彎實驗結(jié)果，在加載開始后，因構(gòu)件之間初始間隙的存在，腳手架節(jié)點轉(zhuǎn)角實驗值大于數(shù)值分析結(jié)果，而當(dāng)節(jié)點材料發(fā)生屈服后，材料塑性變形得到強(qiáng)化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動剛度實驗值超出數(shù)值分析結(jié)果，最終使實驗結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果呈同趨勢變動。在正向和反向彎矩作用下，雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度實驗值分別為71 (kN·m)/rad及60～75 (kN·m)/rad。

4 結(jié)束語

綜上所述，腳手架節(jié)點自鎖性能主要與連接構(gòu)件接觸面當(dāng)量摩擦系數(shù)有關(guān)，以這種關(guān)系為基礎(chǔ)構(gòu)建節(jié)點受力模型并進(jìn)行腳手架節(jié)點結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過分析發(fā)現(xiàn)，雙圓盤承插型盤扣式腳手架節(jié)點自鎖性能優(yōu)良，并能避免在交變荷載影響下發(fā)生松動，穩(wěn)固性較好，且具有比單圓盤節(jié)點更好的承載性能，其節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度也比單圓盤腳手架節(jié)點高，數(shù)值分析顯示的誤差也較小，說明有限元數(shù)值模擬分析能進(jìn)行腳手架節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度的精確計算。