一種新型鋼管腳手架結構模型的探討

黨泉勇，張芳芳，王曉雪

（山西大同大學建筑與測繪工程學院，山西大同037003）

當前建筑行業中，扣件式鋼管腳手架技術已經非常成熟，在實踐中應用廣泛，占據了整個腳手架市場的很大份額。多年來的應用中其優勢明顯：通用性強，在平面及立面搭設靈活，可以很好適應現場條件的需求；連接扣件形式單一，利于拆裝；加工、維修簡單易行，可以多次周轉使用。但是，在多年的使用過程中其缺陷也日益顯現出來，扣件式腳手架事故時有發生，從2000年到2004年，建設部備案的重大施工坍塌事故中，腳手架坍塌事故占到22%以上[1]，其安全性受到廣泛質疑，不少建筑單位都在尋求更好的替代品，國外許多國家也積極研制并推廣各種新型腳手架，如英國的碗扣式腳手架、美國的門式腳手架、德國的多功能承插式支架等已被當地政府大力推廣。

1 發展現狀

改革開放以來，我國建筑業發展非常迅速，尤其在加入WTO 后，建筑業更是面臨巨大的機遇和挑戰，為適應建筑工程超高層、大跨度、高支模、高承重及綠色節能的施工要求，新型腳手架技術已經進入了以嚴謹的設計和計算為基礎的科學化、標準化的施工和管理的階段，傳統的扣件式腳手架因其安全性差、施工工效低、材料消耗大而正在被淘汰。分析扣件式腳手架組成部件，其規范要求扣件螺栓擰緊力矩應為40～65 N·m[2-3]，才能夠使腳手架的節點具有滿足設計要求的剛性和強度，但實際施工操作中螺栓緊固程度在管理上把控極易疏忽。另外，扣件式節點受力存在偏心問題，在設計計算中其精確度偏差較大，影響腳手架搭設用鋼量。還有，在搭建或拆卸腳手架時，扣件高空脫落的問題時有發生，腳手架扣件的操作繁簡程度也直接影響著腳手架的搭建效率和工作人員的工作強度。從安全性、高效性、經濟性、受力性能等方面考慮，借鑒國外各種新型腳手架使用經驗，經過不斷的實踐應用，我國腳手架領域近年來發展迅速，門式、碗扣式、套扣式、輪扣式、盤扣式鋼管腳手架在工程建設中都有應用。本文以承插型套扣式鋼管腳手架為理論基礎，優化其節點形式，設計一種新的套接式腳手架節點模型。

2 設計思路

鋼管腳手架是由立桿、水平桿、斜桿為主組成的桿件承重系統，其承載力和結構剛度受多種因素影響，其中桿件節點的強度是一個重要影響因素。本文所述的新型承插型套接式鋼管腳手架由立桿、水平桿、斜桿、可調螺桿底座和托撐、自鎖式插銷等組成[4]，用于搭設建筑工程施工用支撐架和腳手架。支撐架簡圖，見圖1。

套接式腳手架主要構配件規格要求：

（1）套接式腳手架節點由焊接于立桿上的連接套扣和水平桿端接頭組成，見圖2。

（2）十字套扣塊中每側套扣正立面尺寸為50 mm×50 mm，外伸33 mm，套扣塊上下壁厚度不小于10 mm，左右不小于5 mm，水平桿端插孔為40 mm×20 mm，插銷孔尺寸為20 mm×10 mm。

（3）水平桿端接頭應焊接于水平桿的兩端，其外形尺寸為50 mm×50 mm×40 mm，承壓端厚度不應小于10 mm，見圖3。

圖1 承插型套接式鋼管支撐架

圖2 套接式腳手架節點

圖3 十字套扣、水平桿端接頭和插銷

（4）水平桿端接頭應與立桿上十字套扣匹配，水平桿端接頭插入套扣內，其外表面應與套扣內表面相吻合，插銷為帶自鎖功能的楔形塊，錘擊自鎖后不能拔脫，其抗拔力不得小于3 kN。

（5）立桿和水平桿宜采用截面外徑48.3 mm、厚度3.2 mm 或以上規格的鋼管。立桿的長度宜為600～2 400 mm，以300 mm為模數的規格。十字套扣宜按600 mm 的模數焊接于立桿上，且保證各套扣立面在同一平面上。水平桿的長度規格宜按600～1 500 mm 之間，以300 mm為模數。

（6）立桿之間的連接應采用連接套管，見圖2，其長度、壁厚、可插入長度及立桿與套管間隙等要求應符合相關規范[5-8]。

（7）斜桿規格應與立桿和水平桿間距相適應，其兩端頭為帶螺栓孔的扁鋼焊接于斜桿上，用同樣的水平桿端接頭固定于十字套扣上，桿端接頭一端帶有固定斜桿的螺栓，見圖4。

圖4 套接式腳手架斜桿

（8）其他構配件與套扣式鋼管腳手架要求一致，在此不一一陳述。

此外，腳手架各構配件材質要求應符合相關規范[5-8]。

3 技術要點分析

腳手架在結構形式上與套扣式腳手架有相同的結構構架，其結構計算方式也完全一致，但腳手架所采用的上述節點形式目的在于增強節點強度，從而使整體腳手架有更高的承載力和結構剛度。

（1）新型腳手架與傳統扣件式鋼管腳手架相比，優點有：①效率高：在使用中，只需要把橫桿插入立桿上相對應的接頭套扣中即可，免去安裝工人擰緊螺栓的大量工作。其搭拆的快捷性和搭接的質量是優于傳統扣件式鋼管腳手架的，其搭拆速度是扣件鋼管腳手架無法比擬的；②承載力高、經濟性好：沒有連接扣件，只由立桿、橫桿兩類主要構件組成，較大限度地防止了傳統腳手架活動零配件易丟失，易損壞的問題，減少經濟損失。立桿采用套管連接，銷釘固定，優于傳統腳手架對接扣件連接，水平桿與立桿連接垂直交叉精度高，受力性能合理，承載力高。承受同樣荷載的情況下，可減少立桿、頂撐數量，相應人工、材料、運輸成本都可降低；③安全性好：套接式腳手架采用自鎖式插銷，且在同一節點處多個橫桿與同一立桿的連接鎖緊形式由傳統的互鎖式變成了單個獨立、互不干攏的自鎖形式，各個節點受力狀態穩定，受力性能更加合理，保證其很好的剛度和整體穩定性，較大限度地防止了傳統腳手架上活動鎖緊件造成的不安全隱患；④外型美觀：相比傳統扣件式腳手架，套接式腳手架外型美觀，經久耐用。

（2）新型腳手架與套扣式鋼管腳手架比較，主要區別在水平桿與立桿連接節點形式不同。套扣式腳手架在反彎矩作用下節點轉動剛度遠大于正彎矩作用下節點轉動剛度[9]，而新型套接式腳手架節點從構造看，其正反彎矩作用下其節點轉動剛度是一樣的。套扣式腳手架通過應力分析得知節點轉動剛度在插銷與橫桿連接處為最薄弱處，也是其塑性破壞的開始部位。腳手架插銷與橫桿連接處接觸面積大于套扣式腳手架，推斷腳手架正反彎矩的節點轉動剛度大于套扣式腳手架。

4 結論

從傳統扣件式鋼管腳手架出發，以承插型套扣式腳手架為基礎，引申出一種新型鋼管腳手架節點模型，從節點構造形式做定性分析，其力學性能應優于目前的套扣式腳手架，但沒有通過實驗和模擬計算對比兩者的力學性能，如后期的實驗和模擬計算結論證實其節點優化可行，那么此腳手架從安全性和經濟性角度考慮具有一定的工程實用價值。