（岩土工程专业论文）插销式钢管脚手架节点性能研究.pdf

中文摘要 摘要 插销式钢管脚手架是由四川华通建筑科技开发有限公司发明的一种新型脚手 架体系。该新型脚手架体系受到施工单位欢迎，已在建筑结构内外架工程、桥梁 工程、临时房屋及舞台搭设等工程中应用。为了推广这一专利产品，需要对这一 新型结构形式的脚手架体系的安全性进行科学的论证，故四川华通建筑科技开发 有限公司资助重庆大学土木工程学院对其结构安全性进行研究，并在重庆市建设 委员会设立了建设科研项目，项目编号为：城科字2 0 0 6 第4 6 号，研究课题名称 定为“插销式钢管脚手架安全性研究”。 整个研究课题分为三个子课题：插销式钢管脚手架节点性能研究；节点 半刚性特性及基本受力单元体力学性能研究；插销式钢管脚手架整架受力性能 及安全性评价。本文作者参加了整个课题的研究，本论文主要论述了关于节点性 能的研究内容及研究成果。 这一新型脚手架体系的安全性和稳定性关键在于其插销式节点的性能，因此 本论文针对这种节点的特点进行了以下几方面的工作：通过静力分析和试验实 测对插销的稳定性评价；通过理论分析、数值分析和试验实测研究焊缝对节点 性能的影响；通过数值分析和试验实测对节点传力机理研究；通过试验实测 对节点连接的半刚性特性研究；以及对脚手架基本受力单元体的力学性能和整体 安全性进行研究。 本文取得了如下的主要研究成果：插销式钢管脚手架节点插销在正常工作 状况下会发生自锁现象，因而不会自动向上滑出；节点焊缝裂纹的最大应力强 度因子小于材料的平面断裂韧性，所以焊接裂纹是稳定的；由v 型耳的竖向承 载力试验得到了节点v 型耳的极限承载力和破坏模式，同时也验证了裂纹稳定性 理论分析的正确性；采用有限元程序成功地进行了节点受力的数值模拟；通 过试验实测得到了节点连接的半刚性特征值；获得了基本受力单元体的受力性 能并对整体稳定性进行了安全性评价。 本文的研究成果通过重庆市建设委员会组织的成果鉴定，被评价为已达国内 领先水平，该成果解决了原企业标准中关于焊缝裂纹稳定性、节点插销稳定性、 节点传力机理和破坏模式以及脚手架的计算模式等问题，为使用这种新型脚手架 提供了一个理论依据，对推广该新型产品有着重要的意义。 关键词：插销式钢管脚手架，断裂力学，节点力学性能，半刚性连接，数值分析 英文摘要 a b s t r a c t p l u g - p i ns t e e l - t u b es c a f f o l di san e wt y p es c a f f o l ds y s t e mi n v e n t e db ys i c h u a n h u a t u n gc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n i ti sw e l c o m e db yb u i l d e r ss i n c ei t i n v e n t d ，i th a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha so u t e ro ri n n e rs c a f f o l do fb u i l d i n g s t r u c t u r e ，b r i d g es t r u c t u r ea n dc o n s t r u c t i o ns i t ef a c i l i t i e s e t e i no r d e rt oe n l a r g ei t su s e r a n g e , s c i e n t i f i ca r g u m e n t a t i o ni sn e c e s s a r y t h e r e f o r e ，s i c h u a nh u a t o n gc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o no p e n si tp u r s et oh e l pc i v i le n g i n e e r i n gc o l l e g eo fc q u t o r e s e a r c ho nt h i ss c a f f o l d ss a f e t yb e h a v i o r t h es u b j e c ti sn a m e d p l u g - p i ns t e e l - t u b e s c a f f o l ds a f e t yb e h a v i o rr e s e a r c h a n dt h ec h o n g q i n gc o n s t r c t i o nc o m m i t t e e e s t a b l i s h sar e s e a r c hp r o j e c tf o rt h i sr e s e a r c l l ，c i t yr e s e a r c hn o 4 6 , 2 0 0 6 t h ee n t i r er e s e a r c hi sd i v i d e di n t ot h r e es u b - t o p i c s ：( _ 1 ) p l u g - i ns t e e l - t u b es c a f f o l d p o i n tb e h a v i o rr e s e a r c h ；蓬) j o i n ts e m i r i g i dt r a i tr e s e a r c ha n db a s i cu n i tm e c h a n i c b e h a v i o rr e s e a r c h ；( 耍) p l u g - p i ns t e e l - t u b es c a f f o l df u l ls i z em o d e lt e s tr e s e a r c ha n ds a f e t y p e r f o r m a n c ea p p r a i s a l t h ea u t h o ro ft h i sp a p e rp a r t i c i p a t e si nt h ee n t i r er e s e a r c h ；t h e p a p e rm a i n l ye l a b o r a t e st h er e s e a r c ha b o u tt h e j o i n tb e h a v i o r t h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h i sn e w t y p eo fs c a f f o l dl i ei nj o i n tb e h a v i o r i nt h i s p a p e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e j o i n ti sr e s e a r c h e da sf o l l o w ：o a p p r a i s et h es t a b i l i t yo f p i nt h r o u g hs m i l ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n t ；蓬) r e s e a r c ht h eb e h a v i o ro fj o i n tw i t h w e l d e dc r a c kt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o nc o m p u t a t i o na n de x p e r i m e n t ； ( 9 r e s e a r c ht h e f o r c et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mt h r o u g hs i m u l a t i o nc o m p u t a t i o na n d e x p e r i m e n t ；r e s e a r c ht h es e m i r i g i dt r a i to ft h ej o i n tb yt e s t r e s e a r c ht h eb a s i cu n i t m e c h a n i cb e h a v i o ra n d a p p r a i s et h es a f e t yo f t h eo v e r a l ls c a f f o l da sw e l la s t h i sp a p e ro b t a i n st h ef o l l o w i n gm a i nr e s e a r c hr a s u l t s e s ：( d p i u g - p i ns t e o l - t u b e s c a f f o l ds e l f - l o c k su n d e rn o r m a lw o r kc o n d i t i o n , s ot h e p i nc a n n o ts l i d eu p w a r d a u t o m a t i c a l l y ；蜘1 eb i g g e s tc r a c ks t r e s si n t e n s i t yf a c t o ri ss m a l l e rt h a nt h em a t e r i a l p l a n ef i a c t u r et o u g h n e s s ，s ow e l d e dc r a c ki ss t a b l e ； v - c a rl i m i tb e a r i n gc a p a c i t ya n d t h ed e s t r u c t i o np a t t e ma l eo b t a i n e db yt e s t , s i m u l t a n e o u s l y , t h e a n a l y s i so fc r a c k s t a b i l i t yi sc o n f i r m e db yt h et e s t ；t h ef m i t ee l e m e n tp r o c e d u r ec o m p u t a t i o ns i m u l a t e s j o i n tb e h a v i o rs u c c e s s f u l l y ；t h e 鲫嘶矗萄dv a l u eo f j o i n ti so b t a i n e db yt e s t ；t h e m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h eb a s i cs c a f f o l du i mi so b t a i n e d ；s c a f f o l dw o r k ss a f e l y u n d e rn o r m a lw o r kc o n d i t i o n t h er e s e a r c hr e s u l th a sb e e ni d e n t i f i e db yc h o n g q i n gc o 删o nc o m m i t t e ea n d i l l 重庆大学硕士学位论文 h a sb e e na p p r a i s e da st h el e a d i n gd o m e s t i cl e v e l t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rh a s s o l v e dp r o b l e m ss u c ha s ：t h es e c u r i t yo fp i n , t h es t a b i l i t yo fw e l d e dc r a c ka n dt h e d e s t r u c t i o np a t t e r no f j o i n t , e t c ，w h i c ha r eu r g e n t l yc o n c e r n e db yb u i l d e r s t h ep a p e r p r o v i d e sat h e o r yb a s i st ou s et h i sk i n do fn e ws c a f f o l d ；i th a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n g f o rp r o m o t i n gt h i sn e w p r o d u c t k e yw o r d s ：p l u g - p i ns t e e l - t u b es c a f f o l d , f l a c t u r em e c h a n i c s ，j o i n tm e c h a n i c a l b e h a v o i r ，s e m i - r i g i dc o n n e c t i n g , s i m u l a t i o na n a l y s i s i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：名终 签字日期：( 3 口，6年h 月6 曰 学位论文作者签名：前绳 签字日期：0 口7 6年h 月6 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽态堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于厂 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名劳、；专 签字日期：渺年，上月( ，日 导师签名：惭 签字日期：y 一修多年f 月e t 1 绪论 l 绪论 1 1 脚手架技术在我国的发展 脚手架是土木工程施工的重要设施，是为保证高处作业安全，顺利进行施工 而搭设的工作平台或作业通道。它对于建筑施工所具有的特殊重要性是人所共知 的，脚手架不仅是施工作业中必不可少的手段和设备，没有它就难以进行施工作 业和确保施工安全、工程质量以及施工进度，而且它也大量地占用着施工企业的 流动资金，是企业经济管理工作中的重要环节之一。 脚手架技术在中华人民共和国成立以后在国家的建设中发挥了重要的作用。 其早期经历了较长的自然发展阶段，在第一、第二个五年计划期间，我国进行了 大规模的工业建设。在当时的技术条件下砖石结构仍然是结构主体；跨度较大的 工业厂房多采用预制柱和桁架装配式结构；只有多层的工业厂房，如电站等采用 现浇钢筋混凝土结构。其中需要脚手架的主要为砌筑工程，也就是采用传统的单 排或双排脚手。对于现浇结构则需搭设满足支模、钢筋绑扎和浇灌混凝土的脚手 架体系，这种脚手架还是有较大难度的，从高度上讲有时达到2 0 - 3 0m ，而且混凝 土的浇灌要依靠高车架提升混凝土手推车，并在上部满足手推车运输的需要。但 是不论这种需要多么艰难，我国脚手架工人都能依靠传统技艺使之解决。当然， 随着建设规模的不断扩大，脚手架的供应日趋紧张，于是出现了“以钢代本”的革新 运动。同时，由于建筑机械化的发展，从施工工艺角度改革由外脚手逐步发展为 里脚手，于是出现了砌筑工程的平台架取代了外脚手。工业厂房的装配化也使得 脚手架的应用有所减少。 对于特殊的工业结构物施工，我国的架子工充分发挥其技能创造了一些专门 的脚手架体系，譬如砌筑砖烟囱的挂架子及提升砖和沙浆的扒杆成为专门的脚手 架。对于钢筋混凝土烟囱及冷却塔等引入了内钢架体系( 用螺栓连接的钢管架) 等 等，可以说传统技艺发挥了不可估量的作用。 到了2 0 世纪7 0 年代，钢管架开始引入我国，使脚手架技术进到了一个新阶段。 钢管架的引入是由于国内杉篙资源的日渐减少不能满足建设工程的需要的必然结 果。但由于我国钢材的生产也不能满足生产的需要，钢管架的使用过程也是极为 缓慢的。但是2 0 世纪7 0 年代末期又是我国建设发展的新阶段，迎来了民用建筑的 建设高潮，出现了“大模板体系”、“装配式大板体系”等新型钢筋混凝土结构，而 且建筑高度也由6 层变为1 0 层以上。由于这些新型建筑体系的出现，对脚手架提出 了一些新的要求，根据这些需要，相应开发了桥架、插口架、挂架、吊篮架等专 用脚手架体系。 重庆大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代以后高层建筑由上述几种体系走向全现浇结构，大型公共建筑 也开始出现。脚手架技术方面，开发了碗扣架，引进了门形架。脚手架技术呈现 百花齐放的局面 2 0 世纪9 0 年代适应高层建筑的发展，陆续出现丁爬架、爬模等高技术脚手架 体系给我国脚手架技术的发展展现了无限美好的前景j h 。 建筑业的飞速发展促使新技术、新工艺不断涌现，新型脚手架应用技术是建 设部重点推广的“建筑业1 0 项新技术”之一例。本文将要介绍的插销式钢管脚手架 就是一种全新的脚手架技术，它是我国土木工程师又一智慧的结晶。 1 2 脚手架的分类 钢脚手架大致可分为固定式组合脚手架、移动式脚手架和吊脚手架三大类， 其中固定式组合脚手架又包括钢管脚手架和框式脚手架两大类 ( 1 ) 钢管脚手架( 又称单管脚手架) ，是各国应用最广泛的脚手架之一。根据其 连接方式的不同，又可分为扣件式、承插式等多种钢管脚手架。 ( 2 ) 框式脚手架有门型、梯型、三角型等多种型式，其中门型脚手架在欧美、 日本等国使用量最多，约占各类脚手架的5 0 左右。 下面介绍目前我国使用较多及正在开发和推广应用几种新型脚手架： 扣件式钢管脚手架 这种脚手架由钢管和扣件组成，具有加工简便、搬运方便、通用性强等特点， 已成为当前我国使用量最大、应用最普遍的一种脚手架，占脚手架使用总量的7 0 左右，在今后较长时间内，这种脚手架仍占主导地位但是，这种脚手架的安全 保证性较差，施工工效低，不能满足高层建筑施工的发展需要。近年来，也有一 些施工单位在高层建筑施工中，成功地采用扣件脚手架作外脚手架，其施工方法 主要有以下两种： 1 ) 悬挑式脚手架：将外脚手架分段悬挑搭设，每隔一定高度，在建筑物四周 水平布置支承架，脚手架和施工荷载均由悬挑支承架承担。 2 ) 悬吊式脚手架：将落地式脚手架采用分段制荷的办法，即每5 层楼设道吊 件，吊件的上端吊在建筑物预埋的吊环上，下端吊在主杆与大、小横杆的交点处， 通过吊杆将吊点以上的脚手架自重和施工荷载分段传至建筑物。 采用以上两种施工方法，可以搭设lo o m 左右高度的外脚手架。但是，这种脚 手架材料耗用多，劳动强度大，施工工效低，并不是理想的方法。 承插式脚手架 承插式脚手架是单管脚手架的一种形式，其构造与扣件式钢管脚手架基本相 似，主要由主杆、横杆、斜杆、可调底座等组成，只是主杆与横杆、斜杆之间的 连接不是用扣件，而是在主杆上焊接插座，横杆和斜杆上焊接插头，将插头插入 1 绪论 插座，即可拼装成各种尺寸的脚手架。由于各国对插座和插头的结构设计不同， 形成了各种形式的承插式脚手的。下面介绍我国己使用或正在开发应用的几种承 插式脚手架。 1 ) 碗扣式脚手架 这种脚手架的插座由上、下碗和限位销组成，在直径4 8 r a m 的主杆上，每隔 一定间距设置l 组碗式插座，组装时将横杆两端的插头插入下碗，扣紧和旋转上 碗，用限位销压紧上碗螺旋面，每个节点可同时连接4 个横杆。 楔紧式脚手架 这种脚手架的构造与碗扣式脚手架基本相仿，插座也是由上、下碗和限位销 组成，只是下碗和横杆插头的构造作了改进，每个节点可以同时插入6 个不同方 向的横杆。 3 ) 圆盘式脚手架 这种脚手架的插座为直径1 2 0 m m ，厚l g n u n 的圆盘，四盘上开设8 个插孔，横 杆和斜杆上的插头构造设计先进。组装时，将插头先卡紧圆盘，再将楔板插入插 孔内，压紧楔板即可固定横杆。 4 ) 轮扣式脚手架 这种脚手架的插座为轮扣形的钢板，四边凸出部分开设矩形孔。横杆两端各 焊接一只长形插头。组装时，将插头插入轮扣上相应的孔内，用铁锤敲打插头即 可锁紧，每个轮扣可同时插入4 根横杆。拆卸时只要敲击插头松开，就能拿下横 杆。 门式脚手架 这种脚手架主要由立柜、横框、交叉斜撑、脚手板、可调底座等组成。它具 有装拆简单、承载性能好、使用安全可靠等特点。它不但能用作建筑施工的内外 脚手架，又能用作模板支架和移动式脚手架，具有多种功能，所以又称多功能脚 手架。 方塔式脚手架 这种脚手架主要由标准架、交叉斜撑、连接棒、可调底座、项托等组成。该 脚手架由德国首先开发应用，名称为i d l 5 ，目前在西欧各国己被广泛应用。2 0 世 纪9 0 年代初，我国在大亚湾核电站和二滩水电站工程中，引进这种脚手架，并取 得良好效果。 三角框塔式脚手架 这种脚手架主要由三角框、横杆、对角杆、可调底座、顶托等组成。该脚手 架在英国、法国开发较早，目前在西欧各国已得到推广应用，日本在2 0 世纪7 0 年代也已开始批量生产和大量应用。 附着式升降脚手架 附着式升降脚手架也称爬架，主要由架体结构、提升设备、附着支撑结构和 重庆大学硕士学位论文 防倾、防坠装置等组成。它用少量不落地的附墙脚手架，以墙体为支承点，利用 提升设备沿建筑物的外墙面上下移动。这种脚手架吸收了吊脚手和挂脚手的优点， 不但可以附墙升降，而且可以节省大量材料和人工。我国爬架施工技术起步较晚， 近几年，在各地施工工程中，出现了各种形式的爬架【4 】嘲 1 3 本文研究的脚手架 综上所述，我国现在常用的脚手架门类齐全，基本能满足目前各类工程项目 的需要，但是各自在经济性或者方便性、安全性上均有一定的不足。例如使用最 为广泛的扣件式钢管脚手架，虽然具有搭设灵活、安全可靠、技术成熟等优点， 但是同样也存在扣件容易被盗，搭设比较费工的缺点工程实践提出了迫切需要 更方便、更经济、更实用的脚手架产品的要求。四川华通建筑科技开发有限公司 敏锐洞察了这一市场需求，积极地开展了新型脚手架体系的研发工作，经过长期 不懈的反复试制，发明了一种新型的脚手架体系，这就是本文要研究的插销式钢 管脚手架。该脚手架体系中的模板支撑头、脚手架立杆接头获得国家知识产权局 实用新型专利证书；建筑架板、连墙杆、插接式脚手架组件获得国家知识产权局 发明专利证书。该体系结构合理、搭拆方便、省工省料、应用范围广泛、具有良 好的结构性能和经济效益。 插销式钢管脚手架已在多项实际工程中得到了运用，如四川电解铝厂工程、 成都天府民居工程、西安咸宁立交工程等，如图1 1 、图1 2 、图1 3 所示。工程类 型涵盖普通建筑结构、桥梁、体育场馆工程等搭设类型包括双排外架、模板支 架、移动脚手架、临时房屋等。在这些工程中，插销式钢管脚手架体现了良好的 图1 1 双捧外架工程实例 f i g 1 1p l u g - p i nm c l - t u b es c a f f o l du s e df o rt v o - b a n ks c a f f o l d i n gw o r k 1 绪论 图1 2 模板支架工程实例 f i g 1 2p l u g - p i ns t e e l - t u b es c a f f o l du s e df o rf o r mc a r r i a g e 图1 3 插销式钢管脚手架搭设的l l 缶时舞台 f i g 1 3 p l u g - p i ns t e e l - t u b es c a f f o l du s e df o r t e m p o r a r ys t a g e 综合效益，得到了用户的广泛好评。在这些工程运用中，插销式钢管脚手架的安 全性也得到了一定的验证。为了在更广范围，更好地推广这一专利产品，需要对 这一新型结构形式的脚手架体系的安全性进行全面科学的研究，为此四川华通建 筑科技开发有限公司资助重庆大学土木工程学院对其结构安全性进行研究，并在 重庆市建委立项，课题名称为“插销式钢管脚手架安全性研究”。 1 3 1 插销式钢管脚手架组件及工作原理示意图 插销式钢管脚手架工作原理示意图，如图1 4 插销式钢管脚手架的搭设方式如图1 5 ，图1 6 所示，插销的节点详图如图1 7 ， 重庆大学硕士学位论文 图1 8 所示 图1 5 内架搭设 图1 4 插销式钢管脚手架工作示意图 f i g 1 4p l u g - p i ns t e e l - t u b es c a f f o l ds k e t c hm a p 图1 6 外架搭设 f i g 1 5p h o t o g r a p ho f s c a f f o l ds u p p o r t i n g t e m p l e t f i g 1 6p h o t o g r a p ho f o m e rw a l ls c a f f o l d 6 1 绪论 图1 7 节点详图l 图1 8 节点详图2 7 重庆大学硕士学位论文 插销式钢管脚手架组件及术语 1 ) 插销式钢管脚手架 由可调底座、立杆、立杆连接头、横拉杆、斜拉杆、墙体拉杆、模板、支撑 头等部件及v 形耳、u 形耳、插销、弧形耳等零件构成的施工作业架。 2 1 可调底座 用于调节支垫高度的底座。 3 ) 立杆 脚手架中垂直于水平面的竖向杆件。 钔横拉杆 两端焊有连接槽，垂直于立杆并连接固定左右立杆的脚手架配件。 5 1 斜拉杆 两端焊有侧连接槽，用于立杆一侧斜向连接固定左右立杆的脚手架构配件。 6 ) 墙体拉杆 一端焊有连接槽，另一端带墙体连接槽，用于连接墙体和立杆的脚手架构配 件。 7 ) 支撑头 模板支撑头，由套管和拉槽焊接而成，套在立杆顶端，拉槽开口向上，支撑纵 向或横向水平钢管的手架部件。 8 ) v 形耳 焊接在立杆外皮面的钢板制件。 9 ) u 形耳 焊接在横、斜拉杆和墙体拉杆上并带有上下插孔。 l o ) 插销 。 连接v 形耳和u 形耳的钢板零件。 1 1 ) 弧形耳 踏板两端用于挂靠横拉杆的钢板零件。 1 2 ) 脚手架高度 自立杆底座下皮至栏杆上皮之间的垂直距离 1 3 ) 立杆步距 上下水平杆轴线间的距离。 1 4 ) 立杆间距 脚手架相邻立杆之间的轴线距离。 1 5 ) 立杆纵距 脚手架立杆的纵向间距，也可称为横杆步距 0 i 绪论 1 6 ) 立杆横距 脚手架立杆的横向阃距。 1 3 2 插销式钢管脚手架的特点 装拆方便、省工省时。装拆方便是插销式钢管脚手架的突出优点，根据经 济性分析，插销式钢管脚手架的装拆耗工只有扣件式钢管脚手架的1 6 ，这一优点 将极大地提高劳动生产率，加快工期。 适用范围广。插销式钢管脚手架可广泛用于房屋建筑结构内外架、桥梁结 构支模、临时建筑物、移动脚手架等多种用途。 整体刚度好，承载力高。试验研究表明插销式钢管脚手架节点连接刚度大 于扣件式钢管脚手架，连接可靠，插销式钢管脚手架体系的结构整体刚度好，整 体稳定性好，承载力高。 插销式钢管脚手架体系的基本杆件长度较短，一般小于3 米，刚度较大， 反复使用后残余变形较小，对受力有利。 插销式钢管脚手架的插销式连接节点与杆件一体化，不存在扣件式钢管脚 手架体系经常发生的扣件丢失问题，施工现场管理更加容易 1 4 研究内容和研究方法 1 4 1 本课题的研究内容 插销式钢管脚手架是一种新型脚手架体系，目前在国内的应用尚处于起步阶 段，因此对其结构性能的研究也是一个全新的课题。此前四川华通建筑科技开发 有限公司曾组织进行过一些初步的研究工作，并且制定了企业标准，在该企业标 准中规定了插销式钢管脚手架的材料、基本构配件体系、搭设要求以及使用范围。 “插销式钢管脚手架安全性研究”课题研究是以该企业标准提供的基本资料为基础 进行的，在研究方法上借鉴了此前已经研究成熟的，具有结构相似性的其他类型 脚手架的研究成果以及研究方法，特别是借鉴了扣件式钢警脚手架的研究经验， 为了达到对插销式钢管脚手架从节点连接性能到结构整体性能等各个层次全面认 识的目的，本文确定了如下的研究内容和研究方法： 节点性能研究；1 ) 通过静力分析和试验实测对插销的稳定性进行评价；2 ) 通过理论分析、数值分析和试验实测研究焊缝对节点性能的影响；3 ) 通过数值分析 和试验实测对节点传力机理进行研究；4 ) 通过试验实测节点半刚性连接刚度； 插销式钢管脚手架基本受力单元体力学性能研究及整体安全性整体评价： 1 ) 通过对基本受力单元体竖向力加载至破坏，认识基本受力单元体受力性能；2 ) 通过理论分析、模拟计算和现场足尺模型试验对插销式钢管脚手架整体力学性能 9 重庆大学硕士学位论文 进行研究和评价：3 ) 对脚手架失稳形式进行初步讨论并提出防范措施。 1 4 2 本文的研究目的 插销式钢管脚手架体系采用了与扣件式钢管脚手架同样的材料，二者的基本 杆件均为q 2 3 5 ，0 4 8 3 5 钢管制作，插销式钢管脚手架的新型主要体现在其节点 的连接与传统的脚手架不同，它采用了拆卸更方便、整体性能更好的插销连接节 点，脚手架体系的整体安全性以及整体受力性能都与节点连接的可靠性和节点的 工作性能有着密切的关系，本文将通过科学的试验方法和严密的理论分析对其节 点连接的安全性做全面的评价。 1 4 3 本文的研究内容 本文研究课题为“插销式钢管脚手架安全性研究”子课题，子课题名称为“插销 式钢管脚手架节点性能研究”，研究的内容主要包括：插销的稳定性研究，节点焊 缝的稳定性研究，节点的传力机理及破坏模式研究。 1 4 4 本文的研究方法 节点连接性能研究是本课题的一个关键点，也是本文研究的主要内容，节点 连接的可靠性以及失效模式是人们最为关心的一个问题，在本文的研究中，将以 理论分析为指导加以试验实测验证，具体的研究内容及方法如下： 静力分析找出插销在正常工作中向上自动滑出的界限摩擦系数，试验实测 找到插销向上滑出的最小拉拔力； 采用断裂力学理论分析节点v 型耳焊接裂纹的稳定性，通过试验实测节点 v 型耳的极限承载力； 有限元数值分析节点的传力机理及破坏模式并以试验验证； 确定节点半刚性连接的数值模型并通过试验测试节点的半刚性特征值； 将第步得到的半刚性特征值代入整架的数值模型中进行数值分析，参考 数值分析的结果确定整架试验方案，并进行整架安全性分析的现场试验。 2 插锖连接可靠性研究 2 插销连接可靠- 陛研究 2 1 引言 插销式钢管脚手架的插销靠其与节点其它部件之间的接触进行传力，节点的 连接性能与插销的紧固程度有着必然的联系。脚手架是一个临时性结构体系，要 承受各种各样的施工荷载，插销会不会在施工荷载作用下松动甚至向上滑出? 如 果插销滑出，则由于节点连接的失效将危及整个脚手架体系的安全，这也是该新 型脚手架在推广中最受质疑的问题之一，虽然从实物和现场来看插销不太可能自 动滑出，但此处一直没有定量分析和试验证明，本节将以理论计算和试验实测的 方式对这个问题进行回答。 2 2 插销静力分析 将插销简化为刚体，对其进行刚体静力分析，这样分析的目的是为了计算插 销在节点的受力过程中是否会向上滑出。 ( a ) ( b ) ( 墨) 插销接触点 插销静力分析( c ) 插销尺寸 ( a ) c o n t a c tp o i n ts t a t i ca n a l y s i s( c ) t h es i z eo f p i 图2 1 插销静力分析图 f i g 2 1 p i ns t a t i ca n a l y s i sd i a g r a m 重庆大学硕士学位论文 插销在脚手架正常工作状态下的受力模式可简化为横杆受轴拉力的情况分 析，如图2 1 a 所示，插销受力后会与u 型耳和v 型耳接触，这些接触区域在静力 分析时可简化为接触点插销在u 型耳与v 型耳之间的接触点以及插销的静力分 析如图2 1 所示： 由节点的几何关系可以得出插销与u 型耳、v 型耳之间的接触点为a 、b 、c 三点。 插销竖直时两侧边的倾斜角度为( 图2 1 c ) ： 么l ：蛐三业：3 5 8 当插销插楔紧后，插销的竖直角度发生了改变( 图2 1 b ) ，改变后的角度为： z 2 = 鲫：t a 】缸5 8 5 5 ) = 6 0 2 角度改变量为：6 0 2 。一3 5 8 = 2 “ 插销的静力分析如图2 1 b 所示，插销在法向反力、切向摩擦力和重力的作用 下保持静力平衡。在分析时忽略重力的作用，也不考虑咬合力的有利影响，这样 的分析是偏安全的u 】。 由静摩擦的库伦定律可得： 石= p e正= 【| 五石= p e( 4 1 ) 式中石、五、石a 、b 、c 三点处的静摩擦力； 五、最、e a 、b 、c 三点处的正压力； i 静摩擦系数。 对于一般工程材料的滑动摩擦系数可在的材料工程手册中查出，一般钢材一 钢材的静( 动) 滑动摩擦系数为0 1 5 8 l 。【1 0 1 所以取插销的滑动摩擦系数为：1 l = 0 1 5( 4 2 ) 假设插销受力后会向上滑动，当插销处于刚好滑动的临界状态时，由图b 中 的静力平衡关系可得： ( 五+ e ) c o s 6 0 2 、u + 五) 咖6 m ：。2 鼻c o s 3 - 4 、石咖3 1 中( 4 3 ) 【( 互+ e ) s i n 6 0 2 。+ e s i n 3 1 4 。= u + 五) c o s 6 0 2 。+ 石c o s 3 1 4 。 、7 将( 4 1 ) 代入( 4 3 ) 中可得： j 嵋+ e ) c 0 5 6 0 2 + 儿僻+ 五) 3 证6 0 2 = f 3 c o s 3 1 4 + 凡e 8 缸3 “。 ( 4 4 ) 【( e + 五) s i n 6 0 2 。+ es i n 3 1 4 = 地( 五+ e ) c o s 6 0 2 + 心e c o s 3 1 4 、7 直接消元( 五+ e ) 及e 可得： 2 插销连接可靠性研究 忑cos3硒14。+hsin314=篙sin60湍2-hoos60 2 ( 4 5 ) c o s 6 0 2 + 地s h 6 0 2 。 、7 即： o 1 6 h 2 + 1 9 2 2 一o 1 6 = 0 解上式可得：坞= o 0 8 ( 4 6 ) 鳓=008弘2015(47) 式( 4 7 ) 即是插销r 句f - _ 滑动的临界摩擦系数小于材料本身的摩擦系数，这时插销 发生自锁现象，因此，插销不会向上滑出。 由以上的静力分析表明：插销在脚手架正常工作状态中会自锁，因两不会自 动向上滑出。 2 3 试验测试 2 3 1 试验设计 插销式钢管脚手架是一种新型的脚手架体系，节点连接方式的不同是它与其 它脚手架体系的一个最大区别。插销式钢管脚手架采用了插销式节点连接方式， 插销在脚手架的工作中是否会自动向上滑出是值得关注的一个问题。 上一节中用理论力学的有关理论分析证明了插销在正常受力过程中不会向上 自动滑出，在本节中将以试验的方式加以验证。由于直接测试插销的摩擦力有试 验操作上的困难，在试验中采取测试将插销向上顶出所需接力的方式。阋接她测 试插销的抗拨力，千斤顶的推力即为插销的抗拔力，只要铡试出插销的抗拔力值 大于零，则可以说明插销不会自动向上滑出。 试验目的 1 1 测试插销在脚手架受单侧水平荷载作用时的抗拨力； 2 ) 测试插销在脚手架受反复水平荷载作用后的抗拨力； 试验设备 5 0 k n 手动千斤顶一台，5 0 ；n 螺旋式千斤顼两台，l o k n 传感器两只，) _ - s 8 便携式应变仪一台。 试验装置示意图 插销式钢管脚手架的常用搭设方案一般采用如下几种规格；( 横距x 纵距x 步 距) 7 2 0 m i n x l 2 2 0 m i n x l 0 0 0 m m ，7 2 0 m m x 2 4 4 0 m m x s o o m m 、1 2 2 0 m i n x l 2 2 0 r n m x 1 0 0 0 m m ，在本次试验中采取1 2 2 0 m i n x l 0 0 0 m m 的平面搭设方案。图2 2 为插 销连接可靠性试验装置示意图，图2 3 为试验现场全貌图。 重庆大学硕士学位论文 螺旋式 千斤顶一 千斤顶 传感嚣2 - u ” 抗拔力t i 【” 传摩靴 传盛嚣16 反手动- 桑 重 千斤顶 n 犀 支 丕“ 力 架 架 1霍 - e 姐u 底部与 地槽连接 吖 l 石 i 图2 2 插销连接可靠性试验装置图 f i g 2 2 p i nr e l i a b i l i t yt e s ti n s t a l l a t i o nd i a g r a m 图2 3 插销连接可靠性试验现场装置图 f i 9 2 3p i nr e l i a b i l i t yt e s ti t 删o np h o t o g r a p h 1 4 2 插销连接可靠性研究 试验参数计算 在抗拨试验中，应该使脚手架在弹性工作范围内测试插销的抗拨力，因此需 要计算出脚手架弹性工作所施加的最大水平荷载。 1 ) 试验控制参数计算 乱控制原则为： ( 1 ) 保证各杆件在加载过程中始终处于弹性受力状态。 ( 2 ) 保证连接节点，连接焊缝不发生破坏。 b 杆件弹性承载力计算： 杆件截面尺寸：0 4 8 x 3 5 杆件几何性质参数：w = 5 0 7 7 m m 3 4 = 4 8 9 m m 2 其中，是截面惯性矩，彳是钢管横截面积。 材料性能参数：e = 2 0 6 g p a = 2 1 5 m p a 其中，e 是钢材的弹性模量，厂是钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值，其 值取自钢结构设计规范( g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) 。 杆件的抗弯承载力： m = 矿，= 5 0 7 7 x 2 1 5 = 1 0 6 k n m 式中，材表示钢管横截面的抗弯能力。 c 焊缝连接强度计算 插销式钢管脚手架基本构件中有2 种类型的焊缝，分别为v 形耳连接焊缝和 u 形耳连接焊缝，如图2 4 、图2 5 所示。 口 图2 4v 形耳连接焊缝 f i g 2 4 “v ”s h a p ew e l d e ds e a m 图2 5u 形耳连接焊缝 f i g 2 5 “u _ ，s h a p ew e l d e ds e a m 重庆大学硕士学位论文 ( 1 ) v 形耳连接焊缝连接强度计算： v 形耳连接焊缝抗弯承载力： m = 形z = 1 6 0 2 0 6 6 x 4 = 1 3 2 k n m 式中，z ”是焊缝的抗拉、抗压和抗弯强度设计值。 ( 2 ) u 形耳连接焊缝连接强度计算： u 形耳连接焊缝抗弯承载力： m = 形z = 1 6 0 x 7 6 2 3 = 1 2 2 k n m 综上所述，在试验中，应控制杆件中弯矩绝对值小于1 0 6 k n m ，节点处弯矩 小于1 3 2 k n m ，以上计算，各参数选取于钢结构设计规范，用于试验中，保证结 构处于弹性受力阶段的富余度还很大。 2 ) 试验模型试算 为了得到在试验中施加水平力的具体量值、合理选择量测仪器的精度和量程、 制定合理的试验加载方案和数据观测方案，我们对试验用的平面框架试件用 s a p 2 0 0 0 进行模拟计算，由于节点的连接刚度未知，需要预测插销式连接节点的 连接刚度的大概量值，根据以往的研究成果，此连接刚度约为1 0 k n m r a d 量级， 我们选用节点连接刚度k = 5 k n m r a d ，3 0 k n m t a d ，6 0 k n m t a d 分别进行试算， 控制截面、节点图见图2 6 。 杆件截面尺寸：0 4 8 x 3 5 杆件几何性质参数：矿= 5 0 7 7 m m 3 彳= 4 8 9 m m 2 7 i = 1 2 1 8 6 7 m m 4 材料性能参数：e = 2 0 6 g p a 厂= 2 1 5 m p a 分析工况：线弹性静力分析，按3 种不同的节点连接刚度分别计算。 荷载工况：框架自重g + 节点水平力f 。f 叫k n 。 1 6 2 插销连接可靠性研究 ll 甜 图2 6 试件试算模型控制截面、节点图 f i g 2 6 t h es k e t c hm a po f c o n t r o le c t i o n sa n d j o i n ti nn o 2s p e c i m e n 表2 1 试件截面弯矩 t a b l e 2 1t h es e c t i o nm o m e n to f s p e c i m e n 节点连接刚度截面1截面2截面3截面4截面5截面6 k ( k n m t a d )( 州m )n 【n i n )( k n 1 )( k n m )f 1 ( n i n )( k n m ) 5o 0 6o ，0 6 o 4 4o “0 0 60 5 6 3 00 1 7o ，1