承插型盘扣式脚手架节点自锁性能改进问题探讨

李玉宾

(贵州逢源恒通工程项目管理咨询有限公司，贵州 贵阳 550001)

0 引 言

长期以来，盘扣式脚手架结构设计计算大多以经验为主，随着高大建筑的出现，脚手架搭设的高度大大增加，若仅凭经验判断则无法保证其结构的可靠性。盘扣式脚手架属于附着式结构，其结构及性能的稳定性直接关系着所附着建筑的稳定，同时又受到施工结构体系的较大影响。在施工过程中，盘扣式脚手架受力较为复杂，导致其节点在所负荷载的作用下容易松动，进而引发脚手架体系局部甚至全局失稳。本文在分析承插型盘扣式脚手架节点自锁性能及自锁条件的基础上，进行了自锁性能良好的双圆盘承插型盘扣式脚手架节点结构的设计与分析，可为承插型盘扣式脚手架在工程建筑领域的更好应用提供借鉴参考。

1 工程概况

某商业+高层住宅楼为框架剪力墙结构，单体工程存在较多凸窗设计，受力结构复杂，导致其架体节点处理存在较大难度。所以，本分项工程应以细部构造处理为控制重点；建筑结构外形不规则，有较多阴阳角设计，悬挑主梁也存在较大设置难度。该商业+高层住宅楼结构建筑安全等级为二级，设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为丙类。脚手架是高层住宅楼建筑施工用临时性结构，其主要承受施工过程中各项垂直和水平荷载，故脚手架必须有足够的承载能力、刚度及稳定性，其节点必须连接稳固，在各种荷载综合作用下不至于失稳倒塌，以及发生超过允许要求的变形、倾斜摇晃及扭曲，以保证结构安全。

2 承插型盘扣式脚手架节点改进设计

在进行承插型盘扣式脚手架搭设时必须将横杆端扣接头卡进承插盘内，并将插销楔进横杆和承插盘内的插孔，再将插销敲紧。节点主要借助插销和横杆接头的接触进行作用力的传递[1]，所以节点连接的稳固性主要受插销楔紧程度和自锁性能的影响。

2.1 节点自锁性能分析

根据盘扣式脚手架受力模型，只有当其节点插销斜面的接触摩擦系数比插销和横杆端扣接头处的摩擦系数大时，脚手架节点才能在各种载荷条件下具备良好的自锁性能[2]。由于单圆盘承插型盘扣式脚手架节点处插销斜面和端扣接头处的当量摩擦系数相同，当插销斜面的驱动力超出斜面摩擦力时便会引发插销的滑动，进而打破节点自锁平衡，导致脚手架结构局部甚至整体失稳。

2.2 双圆盘脚手架节点设计

当驱动力增加至一定限度，作用于插销斜面的摩擦力达到最大水平，引发插销向上滑动，节点失去自锁功能，而承插盘和插销接触面当量摩擦系数的增大能使支架节点自锁性能提升。传统的承插型盘扣式脚手架通过调整接触面形式以使其当量摩擦系数增大的做法会因插销楔紧阻力的增大而不利于插销敲紧和装配。为保证支架节点具备良好的自锁性能，本文提出双圆盘承插型盘扣式脚手架节点结构。此节点结构主要通过增设承插盘，并将横杆端扣接头调整为钢板折弯件而发挥作用。

该节点结构主要包括横杆、立杆、插销、圆盘等部件，其承插盘主要为上下两个圆盘，上承插圆盘与单圆盘节点承插盘相同，而为增加当量摩擦系数，下承插圆盘则为V字形插销槽设计。在交变弯矩的作用下，双圆盘承插型脚手架节点处插销因受到端口接头的挤压而与下承插圆盘V字形插销槽接触面当量摩擦系数增大，自锁性能增强，对于较大冲击振动荷载的施工情形较为适用。

3 节点力学性能分析

横杆传递的弯矩会进一步作用于脚手架节点结构，采用ANSYS软件[3]进行双圆盘承插型盘扣式脚手架节点与单圆盘支架节点同在弯矩作用下承载性能对比分析，便可得出两种支架形式受弯矩作用后半刚性特性、力学性能及构件内部应力应变的变动情况。

3.1 节点有限元模型

按照实际脚手架节点尺寸进行有限元模型创建，立杆上下端均采用规定约束形式，而承插盘和横杆则通过插销连接，在进行脚手架节点抗弯数值模拟时，应结合弯矩情况进行接触对设置。单圆盘和双圆盘承插型盘扣式脚手架节点结构及弯矩作用下的抗弯模型如图1、图2所示。

图1 单圆盘承插型盘扣式脚手架节点结构及抗弯模型(单位：m)

图2 双圆盘承插型盘扣式脚手架节点结构及抗弯模型(单位：m)

荷载F作用于横杆左端后节点同时承受弯矩作用，荷载F与横杆长度乘积即为弯矩大小。为分析支架节点结构受力变形情况，采用ANSYS软件进行载荷力从1 kN增至10 kN过程的模拟分析。根据分析结果，节点结构应力随载荷力的增加而稳定增大，并能得出各级载荷作用下单圆盘节点和双圆盘节点应力云图[4]。当双圆盘节点载荷应力增大至7 kN时，横杆开始出现应力屈服部位和塑性变形区域，而其余构件因应力值较小而无应力屈服表现。根据节点结构弯矩和所对应转角之间的关系绘制节点刚度M-θr曲线，节点弯矩可根据横杆荷载和横杆尾端至立杆中心线距离之乘积求得，所对应转角则通过横杆末端边缘位移值求取[5]，具体公式如下：

式中：θr为节点结构弯矩所对应转角，rad；δ为横杆末端边缘位移值，m；L为横杆末端至立杆中心线的距离，m。正反向弯矩作用下的脚手架节点结构弯矩所对应转角取值详见表1和表2。

表1 正向弯矩作用下脚手架节点结构弯矩所对应转角

表2 反向弯矩作用下脚手架节点结构弯矩所对应转角

将两测点间曲线视为直线后，可进行正向弯矩作用下单圆盘和双圆盘承插型盘扣式脚手架节点结构转动刚度的估算，其转动刚度分别在38.5～50 (kN·m)/rad以及 45～75 (kN·m)/rad，可见自锁性能改进后的双圆盘节点结构刚度明显优于单圆盘结构。而在反向弯矩作用下，单圆盘和双圆盘承插型盘扣式脚手架节点结构转动刚度分别为30～50 (kN·m)/rad以及50～60 (kN·m)/rad。

3.2 节点抗弯实验

为进行双圆盘承插型盘扣式脚手架节点抗弯刚度及刚性特征的分析，通过微机控制电子式万能试验机进行节点抗弯实验[6]，且施加的荷载力及所产生的位移由试验机自动提取。当所施加的荷载力持续增大，双圆盘承插型盘扣式脚手架节点横杆端扣接处先出现塑性变形，而后承插盘也表现出塑性变形，且当荷载力达20 kN后节点出现屈服。

根据脚手架节点抗弯实验结果，在加载开始后，因构件之间初始间隙的存在，脚手架节点转角实验值大于数值分析结果，而当节点材料发生屈服后，材料塑性变形得到强化，导致转动刚度实验值超出数值分析结果，最终使实验结果和数值分析结果呈同趋势变动。在正向和反向弯矩作用下，双圆盘承插型盘扣式脚手架节点转动刚度实验值分别为71 (kN·m)/rad及60～75 (kN·m)/rad。

4 结束语

综上所述，脚手架节点自锁性能主要与连接构件接触面当量摩擦系数有关，以这种关系为基础构建节点受力模型并进行脚手架节点结构优化。通过分析发现，双圆盘承插型盘扣式脚手架节点自锁性能优良，并能避免在交变荷载影响下发生松动，稳固性较好，且具有比单圆盘节点更好的承载性能，其节点转动刚度也比单圆盘脚手架节点高，数值分析显示的误差也较小，说明有限元数值模拟分析能进行脚手架节点转动刚度的精确计算。