不同钢管脚手架构件力学性能差异性试验研究

2022-04-13杨兴宇黄得杨张海辉段瑞斌

广东土木与建筑 2022年3期

杨兴宇，黄得杨，张海辉，段瑞斌

（1、广东省建设工程质量安全检测总站有限公司广州 510500；2、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司广州 510500）

0 引言

随着建筑业发展进程的推进，我国大量现代化大型建筑体系的出现，传统扣件式钢管脚手架已经无法满足建筑施工发展的需要，新型脚手架的推广和应用成为当务之急。1994 年“新型模板和脚手架应用技术”项目被建设部选定为建筑业重点推广应用的新技术，自此，新型脚手架进入飞速发展的阶段，各种新型脚手架或引进或开发，都逐渐进入建筑市场展开角逐。承插型盘扣式钢管支架为德国于20世纪80年代所发明，后被引入国内，近几年成为国内包括上海、温州、苏州、嘉兴、广州等多地强制或推广的新型脚手架，发展迅猛。而轮扣式脚手架为由承插型盘扣式刚支架简化衍生的一种架体［1］，节点形式与承插型盘扣式脚手架相似，均为半刚性节点承插式连接，继承了承插型盘扣式钢管支架自锁、安拆方便等优点，且型式更加简易。轮扣式钢管脚手架作为我国第一个拥有完整新型钢管脚手架自主产权的产品，在2005年被列入了《建筑产品选用技术推广应用产品》，现已逐渐取代碗扣式、门式钢管脚手架等，成为主流应用脚手架之一。在《建筑施工承插型轮扣式模板支架安全技术规程：T/CCIAT 0003—2019》［2］总则中，明确轮扣式脚手架可用于房屋建筑工程及市政工程等场景，而在《承插型盘扣式钢管支架构件：JG/T 503—2016》［3］中，规定承插型盘扣式钢管支架也同样适用于以上场景。二者的构件力学性能有何差异？厘清个中差异，对今后设计施工选用及推广新型脚手架，保障建筑施工安全具有一定意义。现有文献中，对于承插型盘扣式钢管支架与轮扣式钢管脚手架的分析大多围绕施工周期及造价［4-5］，或是整体结构的理论分析［6-7］，鲜有对比二者主要承力构件进行力学性能试验分析与研究。基于此，本文着眼于结构单元节点，通过对相关标准与试验，对承插型盘扣式钢管支架（以下简称盘扣）与轮扣式钢管脚手架（以下简称轮扣）构件力学性能进行了分析研究。

本文从以下两个方面进行分析研究。

1 材质分析

对比各相关标准中的材料材质要求，盘扣与轮扣的主要构配件材质与规格如表1所示。

从表1 中可以看出，盘扣在立杆、连接盘、可调托撑底座材质、连接盘厚度和可调底座托撑丝杆外径以及防锈处理的要求上均高于《轮扣式钢管脚手架安全技术规程：广东省地方标准DB 44/T 1876—2016》［8］中轮扣的材质要求，立杆的横截面积方面盘扣式也要求≥轮扣。显而易见，理论单根立杆承载能力上盘扣要大于文献［8］所规定的轮扣的单根立杆承载能力，且盘扣会有相对更为优秀的耐腐蚀性能。而文献［2］的主要构配件材质规格要求相较文献［8］在立杆、水平杆、连接盘、扣接头材质等要求上均有着相当程度上的提高，在水平杆材质规格、连接盘、可调托撑底座材质厚度等方面在要求上均高于盘扣。

表1 轮扣式钢管脚手架与承插型盘扣式钢管支架主要构配件材质对比Tab.1 Material Comparison of Main Components and Accessories between Disk Lock Steel Tubular and Wheel-buckled Tubular

2 构件力学性能试验

如图1、图2 所示，盘扣与轮扣的结构形式相近，均为承插式的半刚性节点连接。依照标准的试验方法，从单元构件试验对二者进行对比剖析，是对性能差异性最直观且可行的方法之一。

图1 承插型盘扣式钢管支架节点Fig.1 Joint of Disk Lock Steel Tubular

图2 轮扣式钢管脚手架节点Fig.2 Joint of Wheel-buckled Tubular

2.1 技术要求对比分析

通过对标准中构件力学性能参数的试验方法与技术要求的解读［10］，为便于理解，引入《建筑施工脚手架安全技术统一标准：GB 51210—2016》［11］中的构件力学性能参数作为比照参考。

无试验形式相近对照试验的情况在此不作讨论。标准中构件力学性能参数的评定要求中均包含“试件各部位不应破坏”，故各项参数实际包含对构件节点综合力学性能的评定。由表2 可见，盘扣的构件力学性能参数试验中，各类型盘扣的连接盘内侧环焊缝抗剪强度、连接盘双侧抗剪强度、可调托撑和可调底座抗压强度、连接盘抗拉强度的技术要求，均较轮扣构件相似的力学性能方法试验要求持平或更高。

表2 轮扣式钢管脚手架与承插型盘扣式钢管支架构件力学性能技术要求对比Tab.2 Technical Requirements Comparison of Mechanical Properties between Disk Lock Steel Tubular and Wheel-buckled Tubular

2.2 试验结果对比分析

通过对某第三方检测机构的轮扣与标准型、重型盘扣委托检测数据随机抽取各8 组总计88 套立杆节点64 套水平杆48 个支座样本，依据标准对其构件力学性能参数进行综合对比与分析。其结果如表3所示。

表3 构件力学性能试验结果对比Tab3. Comparison Results of Component Mechanical Property Test

值得注意的是，从外表观察，轮扣样品部分存在掉漆严重或锈蚀明显的情况，还大量存在部分构配件尺寸规格不符合文献［2-3］要求的情况，而盘扣样品则较少出现此类情况。

2.2.1 节点焊缝受剪承载力

如图3所示，轮扣的8组节点焊缝受剪承载力试验结果中，有2组总计5个试样破坏荷载未达到60 kN，试验出现最小破坏荷载为44.25 kN，破坏形式主要为焊缝开裂。试验方法类似的标准型与重型盘扣连接盘内侧环焊缝抗剪强度各8 组结果均符合文献［2-3］要求。其中标准型破坏荷载均超过80 kN，最小破坏荷载为198.23 kN；重型破坏荷载均超过120 kN，最小破坏荷载为257.42 kN，其平均破坏荷载均明显高于轮扣，破坏形式主要为立杆钢管开裂变形。

图3 不同种类构件节点焊缝受剪承载力Fig.3 Comparison of Shear Capacity of Joint Welds

2.2.2 节点受压及双侧抗剪承载力

如图4 所示，轮扣的8 组节点受压承载力试验结果中，有1 组总计2 个试样破坏荷载未达到30 kN，试验出现最小破坏荷载为23.12 kN，破坏形式主要为轮扣盘与立杆钢管焊缝开裂、水平杆端接头焊缝开裂。试验方法类似的标准型与重型盘扣连接盘双侧抗剪强度各8 组结果均符合标准要求。其中标准型破坏荷载均超过14 kN，最小破坏荷载为40.02 kN，重型破坏荷载均超过21 kN，最小破坏荷载为45.17 kN，其平均破坏荷载均明显高于轮扣，破坏形式主要为连接盘断裂或明显变形。

图4 不同种类构件节点受压承载力/双侧抗剪承载力Fig.4 Comparison of Joint Compression Bear⁃ing Capacity / Bilateral Shear Bearing Capacity

2.2.3 可调支座抗压承载力

因可调托撑与可调底座结构形式与试验方法均一致，故不单列讨论。如图5、图6 所示，轮扣的各8 组可调底座受压承载力与可调托撑的受压承载力试验结果中，有1组总计1个试样破坏荷载未达到100 kN，试验出现最小破坏荷载为95.45 kN，破坏形式主要为螺杆明显变形、调节螺母破裂。试验方法类似的标准型与重型盘扣的可调底座抗压强度与可调托撑抗压强度各8组结果均符合标准要求。其中标准破坏荷载均超过100 kN，最小破坏荷载为215.8 kN；重型破坏荷载均超140 kN，最小破坏荷载为300.52 kN。从试验结果反映出重型可调底座托撑抗压承载力明显高于标准型，且其平均破坏荷载均明显高于轮扣，破坏形式主要为螺杆明显变形、调节螺母破裂。

图5 不同种类构件可调托撑抗压承载力Fig.5 Comparison of Compressive Bearing Capacity of Adjustable Brace

图6 不同种类构件可调底座抗压承载力Fig.6 Comparison of Compressive Bearing Capacity of Adjustable Base

2.2.4 节点抗拉承载力

如图7 所示，轮扣的8 组节点受拉承载力试验结果均符合标准要求，破坏荷载均超过25 kN，试验出现最小破坏荷载为65.36 kN，破坏形式主要为水平杆端接头焊缝开裂。试验方法类似的标准型与重型盘扣连接盘抗拉强度各8 组结果均符合标准要求，标准型与重型构件的破坏荷载均超过25 kN，标准型最小破坏荷载为41.56 kN，重型最小破坏荷载为42.17 kN。从试验结果反映出标准型与重型盘扣构件连接盘抗拉承载力无明显差异，且平均破坏荷载明显低于轮扣，破坏形式主要为连接盘与插销扣锁部位断裂、水平杆杆端扣接头破断。