扣件不同緊固力矩對工字鋼懸挑鋼管外腳手架變形影響分析

何夕平，王 璜，趙雪會

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

在房建工程施工安全事故中，腳手架坍塌事故占了很大的比例，其中，由于腳手架架體變形過大導致的事故比比皆是，往往造成重大生命財產損失和不良的社會影響.

工字鋼懸挑鋼管外腳手架是一種常用于高層建筑施工的外腳手架.縱觀已發生的腳手架事故，人為因素是首要的原因[1]，其中：忽視腳手架安全施工方案、扣件緊固力矩值嚴重不足、腳手架施工荷載超載和施工現場管理混亂等，而由于扣件緊固力矩值不足導致腳手架變形過大，導致腳手架事故不勝枚舉.由于市場上的鋼管、扣件等材料質量參差不齊，使得工字鋼懸挑鋼管外腳手架在實際使用時產生地變形不能滿足現行國家規范的要求.通過查閱國內外相關文獻，關于腳手架的理論分析研究和試驗研究，把架體看做鉸接結構體系、半剛性結構體系和剛性結構體系，采用規范推薦法、彈性屈曲分析法和非線性有限元分析等方法，對架體的受力傳遞規律、變形特征、整體穩定性等有全面系統的分析，但對扣件緊固力矩對腳手架的影響研究相對較少，鑒于工字鋼懸挑鋼管外腳手架懸挑出建筑物主體結構這種搭載方式，具有很大的危險性，因此，有必要對扣件式鋼管外腳手架采用工字鋼懸挑搭設方式的變形進行分析研究.

首先進行直角扣件抗扭轉試驗，在此試驗結果基礎上，利用有限元結構分析軟件SAP2000建立工字鋼懸挑扣件式鋼管外腳手架實體模型，分析扣件不同緊固力矩值對工字鋼懸挑外腳手架變形的影響[2-3].

1 直角扣件抗扭轉試驗

工字鋼懸挑鋼管外腳手架采用直角扣件連接，連接節點剛性處于純鉸接和理想剛接之間，剛性大小主要由施加在扣件螺栓上的緊固力矩值大小決定[4].

在室內開展直角扣件抗扭轉試驗，來確定直角扣件豎直平面內的抗扭轉剛性.同時為模擬施工現場腳手架上扣件真實受力狀態，用于試驗的扣件、鋼管均隨機選自工程現場.由于現場使用的鋼管多次周轉和部分銹蝕等因素，經量測鋼管外直徑為φ48.3 mm，壁厚為3.0 mm.

本次抗扭轉試驗共選擇20個直角扣件，分為5組進行.由于直角扣件剛性受扣件緊固力矩值影響，試驗分五組緊固力矩值等級，用數顯力矩扳手擰緊螺栓至對應等級，各組等級分別設置為30 N·m、35 N·m、40 N·m、45 N·m和50 N·m.直角扣件在扭轉力矩作用下，豎直桿的扭轉變形通過設置在距離直角扣件中心上方L1=200 mm處的位移計1和中心右側L2=200 mm處位移計2測得.集中荷載加載裝置為萬能試驗機和液壓千斤頂，在水平桿距離直角扣件中心水平間距L3=500 mm的加載點上分級加載，每級加載0.1 kN，直至扣件破壞，破壞標準為連續加載3級，位移計指針無變化.試驗裝置和示意圖見圖1-圖2.

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Diagram of experimental device

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental Device

由圖2和文獻[5]可知扣件的轉角位移：

(1)

式中：θ為直角扣件的轉角位移；Δ1為位移計1測得的位移；Δ2為位移計2測得的位移；L1為直角扣件中心至位移計1的豎向距離；L2為直角扣件中心至位移計2的水平距離.

將每組試驗數據的平均值代入公式(1)，求得轉角位移θ，并繪制出在不同緊固力矩值下直角扣件扭轉彎矩與轉角的關系曲線(M-θ曲線)，如圖3所示.

圖3 不同緊固力矩值時直角扣件彎矩—轉角關系曲線Fig.3 Moment and rotation angle curve of right angle coupler under different tightening torques

從圖3中可看出，不同緊固力矩值下直角扣件扭轉彎矩與轉角呈非線性關系，扣件緊固力矩值對扣件抗扭轉剛度有直接影響.同時，在相同彎矩值下，緊固力矩值與扣件抗扭轉剛度成正比，與轉角變形成反比.

由圖3可知，扣件在緊固力矩30～50 N·m范圍內，破壞彎矩在0.9 ～1.1 kN·m之間，相差不大.結合文獻[6]，以扣件發生材料破壞的前提，取0.9 kN·m作為經多次周轉、存在一定磨損和銹蝕的舊直角扣件的極限彎矩承載力是較合適的.

2 M-θ曲線的數學模型

由上述抗扭轉實驗數據，結合圖3的圖形特征，使用MATLAB數學軟件擬合，得到直角扣件彎矩—轉角關系曲線M-θ的三次多項式數學模型[4-6]，三次多項式數學模型見表1.

根據M-θ曲線的特點，同時也便于SAP2000模擬分析，提出以分段折線模型代替M-θ曲線模型[6, 8]，并得到不同緊固力矩下扣件線剛度系數，見表2.

表1 不同緊固力矩時直角扣件彎矩—轉角(M-θ)曲線三次多項式模型

表2 不同緊固力矩直角扣件線剛度系數(kN·m/rad)

3 工字鋼懸挑扣件式鋼管外腳手架實體模型的建立

3.1 工字鋼懸挑扣件式鋼管外腳手架實體模型的簡化處理

竹笆腳手板和木腳手板擋板等構配件自重等效成均布線荷載作用在相應的水平桿上；施工均布荷載按2.5 kN/m2計算，以考慮架體上有2個作業層同時工作；作用在懸挑架上的風荷載等效成線荷載作用在立桿上[9-10].

實際工程中，工字鋼懸挑鋼管外腳手架不可避免存在一定的初始缺陷，如鋼管的初始撓度、 銹蝕、斷面不平整，以及架體中縱橫向水平桿和立桿不垂直等，這些初始缺陷都直接影響懸挑架的變形[11-12].在SAP2000有限元分析中，通過在架體橫向水平桿和立桿連接節點作用大小為1 kN的虛擬集中荷載來作為考慮這些初始缺陷對架體變形的影響，該集中荷載平行于架體剛性較弱一側[13-17].本文模型分析忽略了地震和其他水平荷載的影響.

3.2 工字鋼懸挑扣件式鋼管外腳手架實體模型的建立

某工程外腳手架采用主次梁工字鋼懸挑扣件式鋼管，搭設高度為19.2 m，搭設參數如下：

步距18 m；立桿縱距為1.5 m；立桿橫距為1.05 m；懸挑型鋼主梁為18#熱軋2號鋼；型鋼次梁為14#熱軋工字鋼；剪刀撐為5步5跨；連墻件為2步2跨.

在有限元模型中，采用框架-鋼截面-圓管單元模擬鋼管，框架-鋼截面-工字鋼單元模擬型鋼，鑄鐵扣件采用2節點連接模擬，限制2節點連接兩端的x、y、z三個軸向平動位移和轉角.選用多段線彈性單元(Multi-Linear Elastic)作為2節點連接類型，U1、U2、U3、R2、R3方向屬性均選為固定，R1選為非線性，并按表3輸入M-θ數據.將立桿底端設置為彎矩釋放，保證立桿與工字鋼懸挑主梁的連接為鉸接.為研究工字鋼懸挑扣件式鋼管外腳手架變形和直角扣件緊固力矩值之間的關系，有限元模型分為5種不同工況研究分析，分別為工況1～工況5，直角扣件緊固力矩值變化分為五個等級，分別為30 N·m、35 N·m、40 N·m、45 N·m和50 N·m，其他搭設根據國家現行相關規范要求執行.

表3 不同緊固力矩值時連接單元的多段線性彎矩-轉角(M-θ)定義

按照上述參數和處理方式建立工字鋼懸挑扣件式鋼管外腳手架模型，如圖4所示.

圖4 工字鋼懸挑鋼管外腳手架有限元模型Fig.4 Finite element model of I-steel cantilever external scaffold

4 對扣件不同緊固力矩值懸挑架有限元分析

運用SAP2000對工況1—工況5的懸挑架模型進行有限元非線性分析.得到該工程在工況1-工況5下的常規部位和轉角處18#懸挑工字鋼主梁、14#工字鋼次梁、縱向水平桿、橫向水平桿的最大撓度變形和18#懸挑工字鋼主梁承受的集中力，分別如表4—表5所示.18#懸挑工字鋼主梁撓度變形在懸挑遠端節點處最大，常規部位最大值為節點位移U3，如圖5所示.

圖5 工況3常規部位18#工字鋼最大撓度變形值Fig.5 Largest definition of No.18 I-steel at conventional site in No.3 condition

工況工況1工況2工況3工況4工況5容許撓度常規部位18#工字鋼主梁10.06589.85469.35489.12808.651811.6縱向水平桿0.18690.18580.18530.16170.161610橫向水平桿2.03271.97541.82991.75991.60227轉角處18#工字鋼主梁9.59259.38958.91328.69848.235216.402414#工字鋼次梁4.04153.83733.39363.32092.856310縱向水平桿0.94600.92610.87930.85970.819910橫向水平桿3.95383.70383.14872.91282.65377

注：水平桿和工字鋼容許撓度根據國家現行規范計算取值.單位：mm.

表5 18#工字鋼承受的集中力

注：表中F1、F2分別表示腳手架內、外側立桿傳遞至18#工字鋼的集中力.單位：N.

根據數值模擬分析知，相同荷載作用下，扣件緊固力矩值與縱向水平桿的支座反力和負彎矩成正比，與正彎矩和撓度成反比，與橫向水平桿撓度成反比.通過分析表5，發現扣件緊固力矩值與腳手架內側立桿傳遞至工字鋼主梁上的集中力F2成正比，與外側立桿傳遞至工字鋼主梁上的集中力F1成反比.所以，18#工字鋼主梁最大撓度隨著工況1-工況5扣件緊固力矩值的增大而減小.18#工字鋼主梁承受的集中力如圖6所示.

與工況1相比，隨著工況1-工況5緊固力矩值每增大5 N·m，懸挑架工字鋼主梁、工字鋼次梁、縱向水平桿、橫向水平桿最大撓度變形下降幅度如表7所示.

圖6 18#工字鋼承受的集中力示意圖Fig.6 Schematic diagram of concentrated forces on 18# I-steel

工況工況2工況3工況4工況5常規部位18#工字鋼主梁2.1%7.0%9.3%14.0%縱向水平桿0.6%1.8%13.5%13.6%橫向水平桿2.8%10.0%13.4%21.2%轉角處18#工字鋼主梁2.1%7.1%9.3%14.1%14#工字鋼次梁5.1%16.0%17.8%29.3%縱向水平桿2.1%7.1%9.1%13.3%橫向水平桿6.3%20.4%26.3%32.9%

注：表中各工況數據均是相對于工況1各構件撓度變形下降幅度

分析表6知，隨著由工況1至工況5扣件緊固力矩值的增加，工字鋼懸挑扣件式鋼管外腳手架中工字鋼、縱、橫水平桿等構件的撓度呈下降趨勢，且下降幅度明顯.工況5相對于工況1常規部位工字鋼主梁、縱、橫向水平桿最大撓度下降幅度分別達到14.0%，13.6%和21.2%；轉角處工字鋼主梁、工字鋼次梁、縱、橫向水平桿最大撓度下降幅度分別達到14.1%、29.3%、13.3%和32.9 %.在常規部位，最大撓度變形18#工字鋼懸挑主梁減小值最大，減小值1.504 mm.在扭轉試驗中，部分質量不好的直角扣件，緊固力矩值還未達到規范要求的45 N·m時就出現滑絲破壞現象，從而失去了扣件應有的約束作用，所以，在實際工程中，對于銹蝕的扣件應避免出現扭矩過大.考慮到施工現場鋼管的多次周轉使用、初始彎曲、銹蝕等不利因素，在滿足規范中要求允許變形的條件下，還應留有一定的安全儲備，因此，建議對已多次使用銹蝕的扣件緊固力矩值設置為40 N·m較為合理.

5 結論

(1) 通過對比分析抗扭轉試驗數據，當緊固力矩值設置為30 N·m、35 N·m、40 N·m、45 N·m和50 N·m時，可以得出扣件相對轉角位移受螺栓緊固力矩值數值影響.在相同彎矩作用下，隨著螺栓緊固力矩值增大，扣件相對轉角位移將減小.

(2) 施工現場經多次周轉使用的直角扣件，取0.9 kN·m作為極限彎矩承載力較合適.

(3)對于工字鋼懸挑鋼管外腳手架，增大直角扣件緊固力矩值可有效的減小各個構件最大撓度變形值，其中工字鋼懸挑主梁最大撓度減小尤為明顯.通過本文實際工程架體搭設情況分析，對已多次使用銹蝕的舊直角扣件取緊固力矩值為40 N·m較為合理，同時本文的分析方法和結論可供懸挑腳手架工程借鑒.

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