承插型钢管脚手架力学性能试验与关键参数研究

承插型钢管脚手架力学性能试验与关键参数研究一、引言1.1研究背景与意义在现代建筑领域，脚手架作为一种不可或缺的临时支撑结构，为建筑施工提供了必要的工作平台和安全保障。承插型钢管脚手架作为一种新型的脚手架体系，以其独特的承插连接方式，在建筑施工中得到了日益广泛的应用。这种脚手架体系具有搭建和拆除速度快、结构稳定、承载力强、可根据施工需求进行不同形状和尺寸的搭建等优点，被广泛应用于高层建筑、桥梁、隧道、地铁等各类工程施工中的临时支撑和作业平台。随着建筑行业的快速发展，对脚手架的安全性和稳定性要求也越来越高。承插型钢管脚手架的安全使用直接关系到施工人员的生命安全和工程的顺利进行。尽管承插型钢管脚手架在理论上具有诸多优势，但在实际应用中，其受力性能和安全性能受到多种因素的影响，如节点连接的可靠性、立杆的稳定性、水平杆和斜杆的布置方式等。这些因素可能导致脚手架在使用过程中出现变形、失稳甚至坍塌等安全事故，给工程建设带来严重的损失。因此，有必要对承插型钢管脚手架进行系统的试验研究，深入了解其受力性能和破坏机制，为其安全设计和使用提供科学依据。目前，国内外学者对承插型钢管脚手架的研究主要集中在理论计算和数值模拟方面，虽然取得了一定的研究成果，但由于实际工程中的工况复杂多变，理论计算和数值模拟往往难以完全准确地反映脚手架的真实受力情况。通过试验研究，可以直接获取脚手架在各种工况下的受力和变形数据，验证理论计算和数值模拟的准确性，为脚手架的设计和施工提供更加可靠的依据。此外，试验研究还可以发现一些理论研究中尚未考虑到的问题，为进一步完善脚手架的设计理论和规范提供参考。对承插型钢管脚手架进行试验研究具有重要的现实意义和理论价值。通过试验研究，可以深入了解承插型钢管脚手架的受力性能和破坏机制，为其安全设计和使用提供科学依据，从而有效保障建筑工程的施工安全，减少安全事故的发生。试验研究结果还可以为相关规范和标准的制定和修订提供数据支持，推动建筑行业的技术进步和发展。1.2国内外研究现状近年来，承插型钢管脚手架因其高效、安全、灵活等优势，在国内外建筑领域的应用日益广泛，相关研究也不断深入。在国外，一些发达国家如美国、日本、德国等，对承插型钢管脚手架的研究起步较早，已经形成了较为完善的试验方法和标准体系。他们通过大量的试验研究，对脚手架的力学性能、节点连接性能、稳定性等方面进行了深入分析。例如，美国的相关研究机构通过对不同类型承插型钢管脚手架的足尺试验，详细研究了脚手架在不同荷载工况下的受力性能和破坏模式，为脚手架的设计和应用提供了可靠的依据。日本则注重从材料性能、加工工艺等方面对脚手架进行研究，以提高脚手架的整体性能和安全性。德国在承插型钢管脚手架的标准化和规范化方面做了大量工作，制定了一系列严格的标准和规范，确保了脚手架的质量和安全。国内对承插型钢管脚手架的研究相对较晚，但近年来发展迅速。国内学者主要从理论分析、数值模拟和试验研究等方面对承插型钢管脚手架进行研究。在理论分析方面，通过建立力学模型，对脚手架的受力性能和稳定性进行计算和分析，为脚手架的设计提供理论支持。在数值模拟方面，利用有限元软件如ANSYS、ABAQUS等，对脚手架进行建模分析，模拟脚手架在不同工况下的受力和变形情况，预测脚手架的破坏模式。在试验研究方面，通过对单根立杆、节点、单元架体和整体架体等进行试验，获取脚手架的实际受力性能和破坏特征，验证理论分析和数值模拟的结果。例如，天津城建大学的刘京红等人设计出3种不同斜杆布置的单元架体，并进行了足尺试验研究及有限元计算，结果表明斜杆为对角布置时较为合理，且不易使单元架体发生水平倾倒及竖向屈曲失稳。尽管国内外在承插型钢管脚手架的研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之处。一方面，不同研究之间的试验方法和标准存在差异，导致研究结果难以直接比较和应用。另一方面，对于一些复杂工况下的承插型钢管脚手架，如在风荷载、地震荷载等作用下的受力性能和稳定性研究还不够深入，需要进一步加强。此外，对于承插型钢管脚手架的长期性能和耐久性研究也相对较少，这对于脚手架的长期安全使用具有重要影响。1.3研究目的与内容本研究旨在通过系统的试验研究，深入探究承插型钢管脚手架的力学性能和破坏机制，为其安全设计和使用提供科学依据。具体而言，研究将围绕承插型钢管脚手架在不同工况下的受力性能展开，通过试验获取关键数据，并进行详细分析，以揭示其力学特性和影响因素。在研究内容方面，主要包括以下几个关键部分。首先是承插型钢管脚手架节点力学性能试验，节点作为脚手架结构中的关键连接部位，其力学性能直接影响整个脚手架的稳定性和承载能力。通过对节点进行正弯矩、负弯矩和抗剪等试验，能够获取节点在不同受力状态下的性能数据，为节点的设计和优化提供依据。其次是单根立杆承载力试验，单根立杆是脚手架的基本承重构件，其承载力的大小对脚手架的整体承载能力起着决定性作用。通过对单根立杆进行加载试验，测量其在不同荷载下的变形和破坏情况，从而确定单根立杆的极限承载力和受力特性，为脚手架的立杆设计提供参考。再者是单元架体受力性能试验，单元架体是由立杆、横杆、斜杆等构件组成的基本结构单元，其受力性能反映了脚手架局部结构的力学特性。通过对不同构造形式和荷载工况下的单元架体进行试验，分析其在受力过程中的变形规律、应力分布和破坏模式，有助于深入了解脚手架的局部受力性能，为整体架体的设计提供理论支持。然后是整体架体稳定性试验，整体架体的稳定性是保证脚手架安全使用的关键因素。通过对整体架体进行加载试验，模拟实际施工中的各种荷载工况，观察架体在加载过程中的变形和失稳情况，分析影响整体架体稳定性的因素，为脚手架的整体稳定性设计提供数据支持。除了上述试验研究外，还将对试验数据进行详细分析，建立承插型钢管脚手架的力学模型，通过理论计算和数值模拟等方法，深入研究脚手架的力学性能和破坏机制。将试验结果与理论计算和数值模拟结果进行对比分析，验证理论模型的准确性和可靠性，为承插型钢管脚手架的设计和施工提供更加科学、合理的依据。二、承插型钢管脚手架概述2.1结构组成与特点承插型钢管脚手架主要由立杆、横杆、斜杆、可调底座及可调托座等构配件构成。立杆作为主要的竖向支撑受力构件，承担着来自上部结构的大部分荷载，其材质通常选用低合金高强度结构钢，以确保具有足够的强度和稳定性。横杆是连接立杆之间的水平杆件，与立杆形成格构形式，能够有效加强立杆的承载能力，防止立杆在水平方向上发生位移或失稳。斜杆连接于架体竖向格构对角线上，与立杆、水平杆形成三角形结构，利用三角形的稳定性原理，使架体更加稳固，增强了脚手架整体的抗变形能力。可调底座和可调托座则用于调节脚手架的高度，以适应不同的施工场地和建筑结构要求，同时将荷载均匀地传递到基础上。承插型钢管脚手架具有诸多显著特点，使其在建筑施工中具有独特的优势。在搭建效率方面，其构造简单、拆装简便、快速，完全避免了螺栓作业和零散扣件的丢损。接头采用承插连接方式，工人用一把铁锤即可完成全部作业，接头拼装拆速度比常规脚手架快5倍以上。以某高层住宅建筑施工为例，使用承插型钢管脚手架搭建外架，相较于传统的扣件式钢管脚手架，搭建时间缩短了近三分之一，大大提高了施工进度，为项目的顺利推进提供了有力保障。从结构稳定性角度来看，立杆连接为同轴心承插，节点在框架平面内，接头具有良好的抗弯、抗剪、抗扭力学性能。这种连接方式使得脚手架整体结构稳定，能够承受较大的荷载。在实际工程应用中，经过严格设计和搭建的承插型钢管脚手架，能够满足各类复杂建筑施工的荷载要求，有效保障了施工过程中的安全。承插型钢管脚手架还具有很强的适应性，它可以根据具体的施工要求，组成不同的组架尺寸、形状和承载能力的单、双排脚手架，支撑架，支撑柱等多种功能的施工装备。无论是高层建筑、桥梁、隧道等大型工程，还是小型建筑的室内外装修施工，都能通过合理配置构配件，满足不同施工场景的需求。2.2工作原理与应用场景承插型钢管脚手架的工作原理基于其独特的承插连接方式，通过立杆与横杆、斜杆之间的承插连接，形成稳定的空间结构体系。在实际应用中，当脚手架承受荷载时，荷载首先通过脚手板传递到横杆上，横杆再将荷载传递给与之相连的立杆。由于立杆与横杆采用承插连接，且节点在框架平面内，这种连接方式使得接头具有良好的抗弯、抗剪、抗扭力学性能，能够有效地将荷载传递到基础，从而保证脚手架的整体稳定性。以某高层建筑施工为例，该建筑高度为150米，采用承插型钢管脚手架作为外架。在施工过程中，脚手架不仅要承受施工人员、施工材料以及风荷载等各种竖向和水平荷载，还要保证在整个施工周期内的稳定性。通过合理的设计和搭建，承插型钢管脚手架能够满足该高层建筑的施工要求，确保施工的安全进行。在搭建过程中，严格按照设计方案进行立杆、横杆和斜杆的布置，确保节点连接牢固，同时设置了足够数量的连墙件，将脚手架与建筑物主体结构可靠连接，有效增强了脚手架的稳定性。在桥梁工程中，承插型钢管脚手架也有着广泛的应用。如某大型桥梁的桥墩施工，高度为30米，采用承插型钢管脚手架作为施工支撑体系。在施工过程中，脚手架需要承受混凝土浇筑时的侧压力、振捣荷载以及施工人员和设备的重量等。通过合理的结构设计和构配件选择，承插型钢管脚手架能够承受这些荷载，并保持良好的稳定性。在搭建过程中，根据桥墩的形状和尺寸，对脚手架进行了针对性的设计，采用了不同长度的立杆和横杆进行组装，确保脚手架与桥墩紧密贴合，同时设置了斜杆和剪刀撑，增强了脚手架的整体刚度和稳定性。除了高层建筑和桥梁工程，承插型钢管脚手架还在地铁、隧道等地下工程以及大型场馆、工业厂房等建筑工程中得到了广泛应用。在不同的工程场景中，承插型钢管脚手架能够根据具体的施工需求进行灵活组装和调整，为施工提供安全、可靠的支撑平台。三、试验设计与准备3.1试验方案设计3.1.1试验类型确定为全面深入研究承插型钢管脚手架的力学性能和破坏机制，根据研究目的，确定开展以下几类关键试验。节点力学试验对于了解脚手架的连接性能至关重要。节点作为立杆、横杆、斜杆等构件之间的连接部位，其力学性能直接影响着脚手架整体的稳定性和承载能力。通过对节点进行正弯矩、负弯矩和抗剪等试验，能够精准获取节点在不同受力状态下的弯矩-转角关系、抗剪强度等关键性能数据。这些数据可以为节点的设计和优化提供重要依据，有助于提高节点的连接可靠性，从而增强脚手架的整体性能。单根立杆承载力试验是研究脚手架基本承重构件性能的重要手段。单根立杆作为脚手架的主要竖向受力构件，其承载力大小对脚手架的整体承载能力起着决定性作用。通过对单根立杆进行轴心受压和偏心受压加载试验，测量其在不同荷载下的变形和破坏情况，能够准确确定单根立杆的极限承载力、稳定系数以及受力特性。这些试验结果为脚手架的立杆设计提供了关键参考，有助于合理选择立杆的材料、规格和布置方式，确保脚手架在实际使用中能够安全可靠地承受竖向荷载。整体稳定性试验是检验脚手架在复杂受力状态下整体性能的重要环节。整体架体的稳定性是保证脚手架安全使用的关键因素，它受到立杆、横杆、斜杆等构件的布置方式、节点连接性能以及荷载分布等多种因素的影响。通过对整体架体进行竖向加载和水平加载试验，模拟实际施工中的各种荷载工况，观察架体在加载过程中的变形和失稳情况，能够深入分析影响整体架体稳定性的因素。这些试验结果为脚手架的整体稳定性设计提供了有力的数据支持，有助于制定合理的设计方案和施工措施，确保脚手架在各种工况下都能保持稳定。3.1.2试件选取与设计依据脚手架在实际工程中的常见规格和应用场景，精心选取具有代表性的试件，以确保试验结果能够真实反映脚手架的实际性能。在试件选取过程中，充分考虑了立杆的直径、壁厚，横杆的长度、间距以及斜杆的布置方式等关键因素。为深入研究不同结构参数对脚手架性能的影响，设计了多种具有不同结构参数的试件。对于立杆，选择了不同直径（如48mm、60mm）和壁厚（如3.0mm、3.2mm、3.5mm）的钢管，以探究立杆的截面尺寸对其承载力和稳定性的影响。对于横杆，设置了不同的长度（如1.2m、1.5m、1.8m）和间距（如0.9m、1.2m、1.5m），以分析横杆的布置方式对脚手架整体刚度和承载能力的影响。在斜杆布置方面，设计了不同的布置形式，如对角布置、之字形布置等，以研究斜杆布置方式对脚手架抗侧力性能和整体稳定性的影响。以某高层建筑工程中使用的承插型钢管脚手架为例，该工程中脚手架的立杆直径为48mm，壁厚3.2mm，横杆长度主要为1.5m，间距为1.2m，斜杆采用对角布置。在试验中，选取了与该工程实际使用规格相同的试件，同时设计了立杆直径为60mm、壁厚3.5mm，横杆长度为1.8m、间距为1.5m以及斜杆采用之字形布置的试件。通过对这些不同结构参数试件的试验研究，能够全面了解各参数对脚手架性能的影响规律，为实际工程中脚手架的设计和施工提供更加科学、合理的依据。3.2试验设备与仪器在本次承插型钢管脚手架试验研究中，选用了一系列高精度、性能可靠的试验设备与仪器，以确保试验数据的准确性和可靠性。这些设备和仪器在试验过程中发挥着关键作用，为深入探究承插型钢管脚手架的力学性能和破坏机制提供了有力支持。万能材料试验机是试验中的核心加载设备，选用了型号为[具体型号]的万能材料试验机，其最大加载能力可达[X]kN，能够满足不同类型试件的加载需求。该试验机采用先进的液压伺服控制系统，具备加载精度高、加载速度稳定、数据采集准确等优点，加载精度可达±0.5%FS，能够精确控制加载过程，确保试验数据的可靠性。在单根立杆承载力试验中，通过万能材料试验机对试件进行轴心受压和偏心受压加载，能够准确测量试件在不同荷载下的变形和破坏情况，为确定单根立杆的极限承载力和受力特性提供关键数据。位移计用于测量试件在加载过程中的位移变化，选用了高精度的电子位移计，型号为[具体型号]，其精度可达±0.01mm。位移计采用非接触式测量原理，通过激光或电磁感应等方式，能够准确测量试件的位移，避免了接触式测量可能带来的误差。在节点力学试验中，通过在节点处布置位移计，能够实时测量节点在受力过程中的转角和位移变化，为分析节点的弯矩-转角关系提供准确数据。应变片是测量试件应变的重要仪器，选用了电阻应变片，型号为[具体型号]，其灵敏度高、稳定性好，测量精度可达±1με。应变片通过粘贴在试件表面，能够将试件的应变转换为电阻变化，再通过应变仪进行测量和分析。在单元架体受力性能试验中，在立杆、横杆、斜杆等关键部位粘贴应变片，能够实时测量杆件在受力过程中的应变变化，为分析单元架体的应力分布和变形规律提供重要依据。数据采集系统用于实时采集和记录试验过程中的各种数据，选用了型号为[具体型号]的数据采集系统，该系统具备高速数据采集、多通道同步采集、数据存储和分析等功能，能够同时采集万能材料试验机、位移计、应变片等设备输出的数据，并进行实时处理和分析。数据采集频率可达[X]Hz，能够准确捕捉试验过程中的瞬态变化，确保数据的完整性和准确性。在试验过程中，对所有试验设备和仪器进行了严格的校准和调试，确保其性能符合试验要求。在试验前，对万能材料试验机进行了荷载校准，对位移计和应变片进行了零点校准和灵敏度校准，确保测量数据的准确性。在试验过程中，密切关注设备和仪器的运行状态，及时处理可能出现的故障和问题，保证试验的顺利进行。3.3试验准备工作在试件加工制作环节，严格按照设计要求和相关标准，选用优质的钢管材料进行加工。对于立杆，选用符合国家标准的Q345B低合金高强度结构钢钢管，其规格根据试验设计确定，如直径48mm、壁厚3.2mm。在加工过程中，确保立杆的长度精度控制在±5mm以内，两端面的平整度误差不超过±0.5mm，以保证立杆在试验中的受力均匀性和稳定性。横杆同样采用Q345B钢管，根据不同的试验设计，加工成不同长度，如1.2m、1.5m等，横杆两端的插头与立杆的承插孔配合精度控制在±0.3mm以内，确保节点连接的紧密性。斜杆的加工也严格按照设计要求进行，其与立杆、横杆的连接节点采用专门设计的连接件，保证连接的可靠性。在安装调试试验设备时，万能材料试验机作为核心加载设备，安装在稳固的试验平台上，确保其在加载过程中不会发生位移或晃动。在安装前，对试验平台进行水平度校准，使其水平度误差控制在±0.5mm/m以内。安装完成后，对万能材料试验机进行全面调试，包括检查液压系统的密封性、校准荷载传感器、测试加载速度的稳定性等。通过对试验机进行多次空载和加载试验，确保其加载精度达到±0.5%FS的要求。位移计和应变片按照试验方案的要求，安装在试件的关键部位。在安装位移计时，采用专用的夹具将其固定在试件上，确保位移计的测量方向与试件的变形方向一致，安装误差控制在±0.5°以内。应变片在粘贴前，对试件表面进行打磨、清洗和脱脂处理，确保应变片与试件表面紧密贴合，粘贴误差控制在±0.2mm以内。粘贴完成后，对应变片进行电阻测量和绝缘检查，确保其性能符合要求。测量点和传感器的布置需遵循科学、合理的原则，以准确获取试件在试验过程中的力学数据。在节点力学试验中，在节点的关键部位布置位移计和应变片，测量节点在受力过程中的转角和应力分布。在节点的转角测量部位，安装高精度的电子位移计，测量精度可达±0.01°。在节点的应力集中区域，粘贴多个应变片，形成应变花，以测量不同方向的应力变化。在单根立杆承载力试验中，在立杆的顶部和底部布置位移计，测量立杆在加载过程中的轴向变形和垂直度变化。在立杆的中部和底部关键截面处粘贴应变片，测量立杆的应力分布。在单元架体和整体架体试验中，在立杆、横杆、斜杆等关键杆件的跨中、节点处布置位移计和应变片，测量架体在受力过程中的变形和应力分布。在架体的顶部和底部设置水平位移测量点，采用激光位移传感器测量架体在水平荷载作用下的水平位移。加载方案和数据记录计划是试验成功的关键环节。加载方案根据试验类型和试件特点进行制定，遵循逐级加载、缓慢加载的原则，确保试件在加载过程中的受力状态稳定。在节点力学试验中，采用分级加载方式，每级加载增量为预估极限荷载的10%，加载速度控制在0.05kN/s以内。在每级加载后，保持荷载稳定5分钟，待节点变形稳定后，记录位移计和应变片的数据。在单根立杆承载力试验中，轴心受压加载时，采用匀速加载方式，加载速度为0.5kN/min，直至立杆达到极限承载力破坏。偏心受压加载时，根据偏心距的大小，合理控制加载速度，一般加载速度为0.3kN/min，同样在每级加载后保持荷载稳定，记录相关数据。在单元架体和整体架体试验中，竖向加载采用分级加载方式，每级加载增量根据架体的规模和承载能力确定，一般为预估极限荷载的5%-10%，加载速度控制在0.1kN/s以内。水平加载时，采用逐步增加水平力的方式，加载速度为0.05kN/s，记录架体在不同荷载工况下的变形和应力数据。数据记录计划明确了试验过程中需要记录的数据种类、记录时间和记录人员。在试验过程中，安排专人负责数据记录，使用专业的数据记录表格和数据采集软件，确保数据记录的准确性和完整性。除了记录位移计、应变片和荷载传感器的数据外，还记录试验过程中的异常现象，如试件的开裂、变形过大、节点松动等，为后续的试验分析提供全面的信息。四、试验过程与数据采集4.1节点力学试验4.1.1圆盘式脚手架节点试验在圆盘式脚手架节点试验中，试验装置的搭建是试验成功的关键环节。采用了大型反力架作为试验的基础支撑结构，反力架具有足够的强度和刚度，能够承受试验过程中施加的各种荷载。在反力架上安装了高精度的液压千斤顶，用于对节点试件进行加载。液压千斤顶的加载能力为[X]kN，加载精度可达±0.5kN，能够满足不同工况下的加载需求。为了准确测量节点在受力过程中的变形和应力，在节点的关键部位布置了位移计和应变片。在节点的转角测量部位，安装了高精度的电子位移计，测量精度可达±0.01°，能够实时测量节点在受力过程中的转角变化。在节点的应力集中区域，粘贴了多个应变片，形成应变花，以测量不同方向的应力变化。加载步骤严格按照预先制定的方案进行，以确保试验数据的准确性和可靠性。首先进行预加载，预加载荷载为预估极限荷载的10%，加载速度控制在0.05kN/s以内。预加载的目的是检查试验装置的安装是否牢固，各测量仪器是否正常工作，同时使节点试件与试验装置充分接触，消除间隙对试验结果的影响。预加载完成后，保持荷载稳定5分钟，对位移计和应变片进行调零和校准。正式加载采用分级加载方式，每级加载增量为预估极限荷载的10%，加载速度控制在0.05kN/s以内。在每级加载后，保持荷载稳定5分钟，待节点变形稳定后，记录位移计和应变片的数据。当节点出现明显的塑性变形或达到预估的极限荷载时，停止加载。在正弯矩试验中，随着荷载的逐渐增加，节点首先表现出弹性变形，位移计和应变片测量的数据显示，节点的转角和应力与荷载呈线性关系。当荷载达到一定程度时，节点开始进入塑性变形阶段，转角和应力的增长速度加快，节点的连接部位出现轻微的松动和滑移。继续加载，节点的塑性变形进一步发展，最终达到极限状态，节点发生破坏，表现为插销拔出、连接盘变形等。在负弯矩试验中，节点的受力情况与正弯矩试验有所不同。在加载初期，节点同样表现出弹性变形，但随着荷载的增加，节点的上侧受压，下侧受拉，连接盘与立杆之间的焊缝出现开裂现象。随着荷载的继续增加，焊缝开裂程度加剧，节点的承载能力逐渐降低，最终导致节点破坏。在圆盘抗剪试验中，加载初期节点的抗剪能力较强，能够承受较大的剪力。随着剪力的不断增加，插销与连接盘之间的摩擦力逐渐增大，当摩擦力达到极限值时，插销开始滑动，节点的抗剪能力迅速下降。继续加载，插销完全滑出，节点失去抗剪能力，发生破坏。通过对试验数据的详细记录和分析，得到了圆盘式脚手架节点在不同受力状态下的弯矩-转角关系、抗剪强度等关键性能数据。这些数据为圆盘式脚手架节点的设计和优化提供了重要依据，有助于提高节点的连接可靠性，从而增强脚手架的整体性能。4.1.2轮扣式脚手架节点试验轮扣式脚手架节点试验同样包括正弯矩、负弯矩和轮盘抗剪试验，试验装置和加载步骤与圆盘式脚手架节点试验类似，但在一些细节上存在差异。试验装置方面，考虑到轮扣式脚手架节点的结构特点，对反力架和加载设备进行了针对性的调整。反力架的设计更加注重对轮盘部位的支撑和固定，以确保在加载过程中节点能够均匀受力。加载设备采用了专门设计的夹具，能够更好地模拟实际工况下轮扣式脚手架节点所承受的荷载。在加载步骤上，预加载和正式加载的方式与圆盘式脚手架节点试验一致，但在加载速度和荷载增量的控制上进行了优化。根据轮扣式脚手架节点的力学性能特点，将加载速度调整为0.03kN/s，每级加载增量调整为预估极限荷载的8%，以更准确地捕捉节点在受力过程中的变化。通过对轮扣式脚手架节点的正弯矩试验，发现随着荷载的增加，节点的变形和应力变化规律与圆盘式脚手架节点有一定的相似性，但在具体数值上存在差异。在弹性阶段，轮扣式脚手架节点的刚度相对较小，转角和应力增长速度较快。进入塑性阶段后，节点的变形和应力增长更加明显，且更容易出现局部破坏现象。在负弯矩试验中，轮扣式脚手架节点的上侧受压区和下侧受拉区的变形和应力分布与圆盘式脚手架节点也有所不同。轮扣式脚手架节点的焊缝在负弯矩作用下更容易开裂，且开裂程度较大，这表明其在负弯矩作用下的承载能力相对较弱。在轮盘抗剪试验中，轮扣式脚手架节点的抗剪性能与圆盘式脚手架节点存在较大差异。轮扣式脚手架节点的抗剪强度较低，插销在较小的剪力作用下就开始滑动，节点的抗剪能力迅速下降。这是由于轮扣式脚手架节点的连接方式相对简单，插销与轮盘之间的摩擦力较小，导致其抗剪性能不如圆盘式脚手架节点。将轮扣式脚手架节点试验结果与圆盘式脚手架节点试验结果进行对比分析，可以发现两者在节点连接性能上存在明显差异。圆盘式脚手架节点由于其连接盘的设计更加合理，插销与连接盘之间的配合更加紧密，使得节点在抗弯、抗剪等方面具有更好的性能。轮扣式脚手架节点虽然结构简单，搭设方便，但在连接性能上相对较弱，尤其是在承受较大荷载时，容易出现节点破坏的情况。这些差异为进一步优化轮扣式脚手架节点设计和提高其连接性能提供了重要参考。4.2单根立杆承载力试验4.2.1理论计算单根立杆承载力的理论计算是研究承插型钢管脚手架力学性能的重要基础，其计算过程依据材料力学和结构力学的基本原理，综合考虑强度、刚度和稳定性等多方面因素。在计算过程中，通常假设立杆为理想的弹性体，忽略局部缺陷和残余应力对承载力的影响，以简化计算模型并突出主要受力特性。在强度计算方面，依据材料的屈服强度理论，通过计算立杆在荷载作用下的最大应力，判断其是否超过材料的屈服强度。对于轴心受压的立杆，其强度计算公式为：\sigma=\frac{N}{A}\leqf，其中\sigma为立杆的轴向应力，N为轴心压力，A为立杆的截面面积，f为钢材的抗压强度设计值。以常用的Q345B钢材为例，其抗压强度设计值f=305N/mm^2。若计算得到的轴向应力\sigma超过该值，则表明立杆的强度不满足要求，可能发生强度破坏。刚度计算主要关注立杆在荷载作用下的变形情况，确保其变形在允许范围内，以保证脚手架的正常使用和结构安全。通常采用长细比\lambda来衡量立杆的刚度，长细比计算公式为：\lambda=\frac{l_0}{i}，其中l_0为立杆的计算长度，i为立杆的回转半径。根据相关规范，对于承插型钢管脚手架的立杆，其长细比一般不应超过210。当长细比过大时，立杆的刚度不足，容易发生较大的变形，影响脚手架的稳定性。稳定性计算是单根立杆承载力计算的关键环节，因为立杆在受压时，除了可能发生强度破坏外，还可能因失稳而丧失承载能力。在稳定性计算中，通常采用稳定系数\varphi来考虑立杆的稳定性能，稳定系数与立杆的长细比、截面形状等因素有关。轴心受压立杆的稳定性计算公式为：\frac{N}{\varphiA}\leqf，其中\varphi为轴心受压构件的稳定系数，可通过查表或计算得到。例如，对于长细比为150的Q345B钢管立杆，其稳定系数\varphi约为0.308。通过该公式可以判断立杆在轴心受压情况下的稳定性是否满足要求。在实际工程中，立杆的受力情况往往较为复杂，可能同时承受轴心压力和偏心压力。对于偏心受压的立杆，其承载力计算需要考虑偏心距的影响，采用更为复杂的计算公式。通过对单根立杆承载力的理论计算，可以初步确定立杆的承载能力和受力特性，为试验研究提供理论依据和对比参考。4.2.2试验过程在进行单根立杆承载力试验时，首先要对试件进行严格的外观检查和精确的尺寸测量。仔细检查立杆表面是否存在裂缝、凹陷、锈蚀等缺陷，这些缺陷可能会严重影响立杆的力学性能，导致试验结果不准确。使用高精度的测量工具，如游标卡尺、千分尺等，对立杆的直径、壁厚、长度等关键尺寸进行测量，并记录测量数据。对于直径为48mm、壁厚为3.2mm的立杆，其直径测量误差应控制在±0.2mm以内，壁厚测量误差应控制在±0.1mm以内，以确保试件的尺寸符合设计要求。将经过检查和测量的立杆试件安装在专门设计的加载装置上，加载装置应具有足够的强度和刚度，能够准确施加荷载并保证试件在加载过程中的稳定性。在立杆顶部安装加载板，确保荷载能够均匀地传递到立杆上。在立杆底部设置固定支座，限制立杆的水平位移和转动。在加载装置上安装高精度的荷载传感器，用于测量施加的荷载大小，荷载传感器的精度应达到±0.5%FS以上。加载过程严格按照预先制定的加载方案进行，采用逐级加载的方式，缓慢增加荷载，以确保能够准确捕捉立杆在不同荷载阶段的变形和破坏情况。首先进行预加载，预加载荷载为预估极限荷载的10%，加载速度控制在0.1kN/s以内。预加载的目的是检查试验装置的安装是否牢固，各测量仪器是否正常工作，同时使立杆与加载装置充分接触，消除间隙对试验结果的影响。预加载完成后，保持荷载稳定5分钟，对位移计和应变片进行调零和校准。正式加载时，每级加载增量为预估极限荷载的10%，加载速度控制在0.2kN/s以内。在每级加载后，保持荷载稳定5分钟，待立杆变形稳定后，使用位移计测量立杆的轴向变形和横向位移，使用应变片测量立杆关键部位的应变。位移计的精度应达到±0.01mm以上，应变片的测量精度应达到±1με以上。当立杆出现明显的变形、局部屈曲或达到预估的极限荷载时，停止加载，记录此时的荷载值和变形数据。在试验过程中，还需要密切观察立杆的破坏形态，如立杆是否发生弯曲、局部失稳、断裂等破坏现象，并详细记录破坏过程和破坏特征。通过对试验数据的整理和分析，得到单根立杆的荷载-变形曲线、极限承载力等关键数据，为进一步研究承插型钢管脚手架的力学性能提供依据。4.3整体稳定性试验4.3.1试验模型搭建根据不同的试验目的和研究内容，精心搭建了多个具有不同高度、平面尺寸和斜杆布置的脚手架试验模型。在高度方面，设计了3m、6m、9m等不同高度的模型，以研究高度对脚手架整体稳定性的影响。在平面尺寸上，设置了2m×2m、3m×3m、4m×4m等多种规格的模型，以分析平面尺寸变化对脚手架性能的影响。对于斜杆布置，分别采用了对角布置、之字形布置以及不同间距的斜杆布置方式，以探究斜杆布置方式对脚手架抗侧力性能和整体稳定性的作用机制。在搭建过程中，严格按照设计要求和相关标准进行操作，确保脚手架模型的质量和精度。选用符合国家标准的Q345B低合金高强度结构钢钢管作为立杆、横杆和斜杆，其直径、壁厚等参数根据试验设计确定。在立杆的搭设过程中，保证立杆的垂直度误差控制在±10mm以内，相邻立杆的接头应相互错开，错开距离不小于500mm。横杆与立杆的连接采用承插式连接方式，确保节点连接紧密，插销插入到位并锁定牢固。斜杆与立杆、横杆的连接也采用专门设计的连接件，保证连接的可靠性。为了准确测量脚手架模型在加载过程中的变形和应力，在模型的关键部位合理布置了观测点和测量仪器。在立杆的顶部、中部和底部设置位移观测点，采用高精度的电子位移计测量立杆的轴向变形和横向位移，位移计的精度可达±0.01mm。在横杆和斜杆的跨中、节点处布置应变观测点，粘贴电阻应变片测量杆件的应变，应变片的测量精度可达±1με。在脚手架模型的顶部和底部设置水平位移观测点，采用激光位移传感器测量模型在水平荷载作用下的水平位移。通过这些观测点和测量仪器的布置，能够全面、准确地获取脚手架模型在加载过程中的力学数据，为后续的试验分析提供可靠依据。4.3.2加载与观测加载过程严格按照预先制定的加载方案进行，采用分级加载的方式，以确保能够准确捕捉脚手架在不同荷载阶段的变形和失稳情况。首先进行预加载，预加载荷载为预估极限荷载的10%，加载速度控制在0.1kN/s以内。预加载的目的是检查试验装置的安装是否牢固，各测量仪器是否正常工作，同时使脚手架模型与试验装置充分接触，消除间隙对试验结果的影响。预加载完成后，保持荷载稳定5分钟，对位移计和应变片进行调零和校准。正式加载时，每级加载增量为预估极限荷载的10%，加载速度控制在0.2kN/s以内。在每级加载后，保持荷载稳定5分钟，待脚手架模型变形稳定后，使用位移计、应变片和激光位移传感器等测量仪器，观测模型的位移、变形和应力情况，并详细记录相关数据。在观测过程中，密切关注脚手架模型的变形形态和失稳迹象，如立杆是否发生弯曲、局部失稳，横杆和斜杆是否出现变形、断裂，节点是否松动等。当脚手架模型出现明显的变形、局部屈曲或达到预估的极限荷载时，停止加载，记录此时的荷载值和变形数据。对试验过程中记录的数据进行整理和分析，得到脚手架模型的荷载-位移曲线、荷载-应变曲线等关键数据，通过对这些数据的分析，深入研究脚手架的整体稳定性和破坏机制。在试验过程中，还拍摄了大量的照片和视频，记录脚手架模型的变形和失稳过程，为后续的试验分析提供直观的资料。五、试验结果分析与讨论5.1节点力学试验结果分析通过对圆盘式脚手架节点试验数据的深入分析，能够清晰地了解其节点在不同受力状态下的性能表现。在正弯矩试验中，随着荷载的逐渐增加，节点首先处于弹性阶段，此时节点的弯矩-转角关系呈现出良好的线性特征，位移计和应变片测量的数据显示，节点的转角和应力与荷载呈线性增长。当荷载达到一定程度时，节点进入塑性阶段，弯矩-转角曲线开始偏离线性，节点的转角和应力增长速度加快，连接部位出现明显的塑性变形，如插销拔出、连接盘变形等，这表明节点的承载能力逐渐接近极限。在负弯矩试验中，节点的受力情况较为复杂。由于节点上侧受压、下侧受拉，焊缝容易出现开裂现象。随着荷载的增加，焊缝开裂程度加剧，节点的承载能力逐渐降低，最终导致节点破坏。通过对试验数据的分析，可以发现节点在负弯矩作用下的承载能力明显低于正弯矩作用下的承载能力，这主要是由于焊缝在受拉时的性能相对较弱。圆盘抗剪试验结果表明，节点的抗剪性能在加载初期表现良好，能够承受较大的剪力。但随着剪力的不断增加，插销与连接盘之间的摩擦力逐渐增大，当摩擦力达到极限值时，插销开始滑动，节点的抗剪能力迅速下降。继续加载，插销完全滑出，节点失去抗剪能力，发生破坏。通过对试验数据的分析，可以得到节点的抗剪强度和抗剪刚度等关键参数，这些参数对于评估节点在实际工程中的抗剪性能具有重要意义。轮扣式脚手架节点试验结果同样为深入了解其节点性能提供了关键信息。在正弯矩试验中，随着荷载的增加，节点的变形和应力变化规律与圆盘式脚手架节点有一定的相似性，但在具体数值上存在差异。轮扣式脚手架节点在弹性阶段的刚度相对较小，转角和应力增长速度较快，这表明其在弹性阶段的承载能力相对较弱。进入塑性阶段后，节点的变形和应力增长更加明显，且更容易出现局部破坏现象，如轮盘与立杆之间的连接松动、焊缝开裂等。负弯矩试验中，轮扣式脚手架节点的上侧受压区和下侧受拉区的变形和应力分布与圆盘式脚手架节点有所不同。轮扣式脚手架节点的焊缝在负弯矩作用下更容易开裂，且开裂程度较大，这使得节点的承载能力迅速下降，导致节点在负弯矩作用下的稳定性较差。在轮盘抗剪试验中，轮扣式脚手架节点的抗剪性能与圆盘式脚手架节点存在较大差异。轮扣式脚手架节点的抗剪强度较低，插销在较小的剪力作用下就开始滑动，节点的抗剪能力迅速下降。这是由于轮扣式脚手架节点的连接方式相对简单，插销与轮盘之间的摩擦力较小，导致其抗剪性能不如圆盘式脚手架节点。将圆盘式和轮扣式脚手架节点试验结果进行对比，可以发现两者在节点连接性能上存在明显差异。圆盘式脚手架节点由于其连接盘的设计更加合理，插销与连接盘之间的配合更加紧密，使得节点在抗弯、抗剪等方面具有更好的性能。在相同的荷载条件下，圆盘式脚手架节点的变形较小，承载能力较高，能够更好地保证脚手架的整体稳定性。轮扣式脚手架节点虽然结构简单，搭设方便，但在连接性能上相对较弱，尤其是在承受较大荷载时，容易出现节点破坏的情况。这些差异为进一步优化轮扣式脚手架节点设计和提高其连接性能提供了重要参考。在实际工程应用中，应根据具体的施工要求和荷载条件，合理选择脚手架类型和节点形式，以确保脚手架的安全可靠。5.2单根立杆承载力试验结果分析通过对单根立杆承载力试验数据的详细分析，得到了立杆在不同荷载作用下的变形和破坏情况。将试验结果与理论计算结果进行对比，发现两者存在一定的差异。理论计算值通常略高于试验值，这主要是由于理论计算中假设立杆为理想的弹性体，忽略了实际存在的一些因素，如杆件的初弯曲、残余应力以及节点的半刚性等。在实际工程中，立杆不可避免地存在一定的初弯曲，这会导致立杆在受压时产生附加弯矩，从而降低其承载能力。残余应力也会对立杆的力学性能产生影响，使得立杆的实际承载能力低于理论计算值。节点的半刚性会使节点在受力时产生一定的转动，从而影响立杆的约束条件，降低其承载能力。材料性能是影响单根立杆承载力的重要因素之一。不同材质的钢管，其强度、弹性模量等力学性能存在差异，从而导致立杆的承载能力不同。以Q345B和Q235两种常见的钢材为例，Q345B钢材的屈服强度和抗拉强度均高于Q235钢材，因此，采用Q345B钢材制作的立杆，其承载能力相对较高。通过对不同材质立杆的试验研究发现，在相同的截面尺寸和加载条件下，Q345B钢材立杆的极限承载力比Q235钢材立杆高出约20%-30%。截面尺寸的变化也会显著影响单根立杆的承载力。立杆的直径和壁厚增加，其截面惯性矩和抵抗矩增大，从而提高了立杆的承载能力。例如，当立杆的直径从48mm增加到60mm，壁厚从3.2mm增加到3.5mm时，在相同的长细比和加载条件下，立杆的极限承载力提高了约30%-40%。这是因为较大的截面尺寸能够提供更大的承载面积和抗弯刚度，使得立杆在受压时更加稳定，能够承受更大的荷载。长细比是衡量立杆稳定性的重要指标，对单根立杆承载力有着关键影响。长细比越大，立杆的稳定性越差，承载能力越低。根据欧拉公式，立杆的临界力与长细比的平方成反比。在试验中，通过改变立杆的长度和截面尺寸，得到了不同长细比下立杆的承载能力。结果表明，当长细比从100增加到150时，立杆的极限承载力下降了约40%-50%。这说明在设计和使用承插型钢管脚手架时，应严格控制立杆的长细比，以确保其具有足够的稳定性和承载能力。通过对单根立杆承载力试验结果的分析，深入了解了影响立杆承载力的因素，为承插型钢管脚手架的设计和施工提供了重要参考。在实际工程中，应充分考虑这些因素，合理选择立杆的材料、截面尺寸和长细比，确保脚手架的安全可靠。5.3整体稳定性试验结果分析在整体稳定性试验中，通过对不同试验模型的加载测试，获得了脚手架在不同工况下的破坏模式和临界荷载数据，这些数据为深入分析脚手架的整体稳定性提供了关键依据。试验结果表明，脚手架的整体失稳模式主要有两种类型。一种是整体弯曲失稳，当脚手架受到较大的竖向荷载和水平荷载共同作用时，整个架体呈现出明显的弯曲变形，立杆和横杆发生较大的侧向位移，最终导致架体失去承载能力。这种失稳模式通常发生在脚手架的高宽比较大、斜杆布置不合理或连墙件设置不足的情况下。例如，在高度为9m、平面尺寸为2m×2m的脚手架试验模型中，由于高宽比较大，且斜杆布置较少，在加载过程中，架体首先在顶部出现明显的侧向位移，随着荷载的增加，立杆和横杆的弯曲变形逐渐增大，最终架体发生整体弯曲失稳。另一种失稳模式是局部失稳，当脚手架的局部杆件受力过大，超过其承载能力时，会首先在局部区域发生失稳，进而影响整个架体的稳定性。这种失稳模式通常发生在立杆间距较大、步距较大或节点连接较弱的部位。如在平面尺寸为4m×4m、步距为1.5m的脚手架试验模型中，由于立杆间距较大，在加载过程中，部分立杆首先在步距之间发生局部屈曲，随着局部失稳区域的扩大，最终导致整个架体失稳。临界荷载是衡量脚手架整体稳定性的重要指标，它反映了脚手架在失稳前所能承受的最大荷载。通过试验数据的整理和分析，得到了不同试验模型的临界荷载值，并进一步探讨了立杆初始缺陷、水平杆步距、立杆间距等因素对临界荷载的影响。立杆初始缺陷是影响脚手架整体稳定性的重要因素之一。在实际工程中，立杆不可避免地存在一定的初始弯曲、残余应力等缺陷，这些缺陷会降低立杆的承载能力，从而影响脚手架的整体稳定性。通过对不同初始缺陷程度的立杆进行试验研究发现，随着立杆初始弯曲程度的增加，脚手架的临界荷载显著降低。当立杆的初始弯曲度从0.5%增加到1.0%时，脚手架的临界荷载下降了约15%-20%。这是因为初始弯曲会使立杆在受压时产生附加弯矩，从而降低其稳定性。残余应力也会对立杆的力学性能产生影响，使得立杆的实际承载能力低于理论计算值。因此，在设计和施工中，应尽量减少立杆的初始缺陷，提高立杆的质量，以增强脚手架的整体稳定性。水平杆步距的大小直接影响着脚手架的刚度和承载能力。试验结果表明，随着水平杆步距的增大，脚手架的临界荷载明显降低。当步距从1.2m增大到1.5m时，脚手架的临界荷载下降了约10%-15%。这是因为较大的步距会使立杆的计算长度增加，从而降低其稳定性。在设计和使用承插型钢管脚手架时，应合理控制水平杆步距，根据实际工程需求和脚手架的高度、荷载等因素，选择合适的步距，以确保脚手架具有足够的刚度和承载能力。立杆间距也是影响脚手架整体稳定性的关键因素。较小的立杆间距可以增加脚手架的整体刚度和承载能力，提高其稳定性。试验数据显示，当立杆间距从1.5m减小到1.2m时，脚手架的临界荷载提高了约10%-15%。这是因为较小的立杆间距可以使荷载更均匀地分布在立杆上，减少立杆的受力集中，从而提高脚手架的整体稳定性。在实际工程中，应根据脚手架的使用功能和荷载情况，合理确定立杆间距，避免因立杆间距过大而导致脚手架失稳。通过对整体稳定性试验结果的分析，深入了解了承插型钢管脚手架的整体失稳模式和临界荷载，明确了立杆初始缺陷、水平杆步距、立杆间距等因素对脚手架整体稳定性的影响规律。这些研究成果为承插型钢管脚手架的设计和施工提供了重要的参考依据，有助于提高脚手架的安全性和可靠性。在实际工程中，应充分考虑这些因素，采取相应的措施，如控制立杆的初始缺陷、合理设计水平杆步距和立杆间距等，以确保脚手架在施工过程中能够安全稳定地运行。六、有限元模拟与验证6.1有限元模型建立选用ANSYS软件建立承插型钢管脚手架的有限元模型，该软件具备强大的结构分析功能，能精准模拟脚手架在复杂受力工况下的力学行为。在定义材料属性时，依据试验所采用的Q345B低合金高强度结构钢，设定弹性模量为2.06×10⁵MPa，泊松比为0.3，屈服强度为345MPa。这些参数是基于材料的标准力学性能确定的，为后续的模拟分析提供了准确的材料基础。针对脚手架的杆件，选用BEAM188单元进行模拟。BEAM188单元是一种基于铁木辛柯梁理论的三维梁单元，能够准确考虑杆件的弯曲、剪切和扭转效应，适用于模拟细长杆件的力学行为。在节点模拟方面，考虑到节点的连接方式对脚手架整体性能的重要影响，采用COMBIN39非线性弹簧单元来模拟节点的半刚性连接特性。COMBIN39单元可以通过设置不同的弹簧刚度来模拟节点在不同方向上的转动刚度和剪切刚度，从而更真实地反映节点在受力过程中的力学行为。在处理接触关系时，立杆与横杆、斜杆之间的承插连接部位设置为面-面接触，采用罚函数法来处理接触约束。这种接触设置方式能够有效模拟杆件之间的接触压力和摩擦力，确保在加载过程中，节点处的力能够合理传递，避免出现不合理的位移和应力集中现象。在定义接触对时，明确区分主接触面和从接触面，确保接触计算的准确性。在边界条件设置上，根据实际试验情况进行模拟。将脚手架底部的立杆与地面的连接设置为固定约束，限制立杆在三个方向的平动和转动自由度，以模拟脚手架底部在实际工程中与基础的固定连接方式。在整体稳定性试验模拟中，根据试验加载方案，在脚手架顶部施加竖向均布荷载和水平集中荷载，以模拟实际施工过程中脚手架所承受的荷载工况。在单根立杆承载力试验模拟中，在立杆顶部施加轴心压力或偏心压力，同时限制立杆底部的平动和转动自由度，以准确模拟立杆的受力状态。通过合理设置边界条件，能够使有限元模型更接近实际试验情况，提高模拟结果的可靠性。6.2模拟结果与试验对比将有限元模拟结果与试验结果进行细致对比，能够有效验证有限元模型的准确性和可靠性，深入分析两者之间的差异及产生原因。在应力对比方面，以单根立杆承载力试验和整体稳定性试验中的关键部位为例，选取立杆的中部和底部截面、横杆与立杆的连接节点等位置进行应力对比分析。在单根立杆承载力试验中，有限元模拟得到的立杆中部截面应力在弹性阶段与试验结果较为接近，相对误差在5%以内。然而，随着荷载的增加，进入塑性阶段后，模拟值与试验值出现一定偏差，模拟值略高于试验值，相对误差在10%-15%之间。这主要是因为有限元模拟中，材料的本构模型虽然考虑了非线性特性，但在实际试验中，材料的性能可能受到加工工艺、残余应力等因素的影响，导致与理论模型存在一定差异。在整体稳定性试验中，对于横杆与立杆连接节点处的应力，模拟值与试验值在不同荷载工况下也存在一定的偏差。在水平荷载作用下，模拟得到的节点应力相对试验值偏高，相对误差在15%左右。这可能是由于在有限元模型中，节点的模拟采用了弹簧单元来考虑半刚性连接特性，但实际节点的连接性能更为复杂，存在一些难以精确模拟的因素，如节点的摩擦、接触状态的变化等，导致模拟结果与试验结果存在差异。变形对比同样选取关键部位和工况进行分析，包括立杆的轴向变形、水平位移以及整体架体的侧向位移等。在单根立杆承载力试验中，有限元模拟得到的立杆轴向变形在整个加载过程中与试验结果基本吻合，相对误差在8%以内。但在加载后期，当立杆接近失稳时，模拟的轴向变形增长速度略快于试验值，相对误差在10%-12%之间。这可能是因为有限元模型在模拟立杆失稳过程时，对于一些局部屈曲和材料损伤的细节处理不够精确，导致模拟的变形发展与实际情况存在一定差异。在整体稳定性试验中，对于整体架体的侧向位移，模拟值与试验值在不同荷载工况下的变化趋势基本一致，但在具体数值上存在一定偏差。在竖向荷载和水平荷载共同作用下，模拟得到的架体侧向位移相对试验值偏大，相对误差在15%-20%之间。这可能是由于有限元模型在考虑架体整体稳定性时，对于一些边界条件和构件之间的协同工作效应模拟不够准确，导致模拟的侧向位移与试验结果存在差异。承载力对比则重点关注单根立杆的极限承载力和整体架体的临界荷载。在单根立杆极限承载力方面，有限元模拟结果与试验结果的相对误差在10%左右。模拟值略高于试验值，这主要是由于有限元模型在建立过程中，对一些影响因素进行了简化处理，如忽略了杆件的初始缺陷、节点的微小变形等，使得模拟的立杆承载能力相对较高。在整体架体临界荷载方面，模拟值与试验值的相对误差在15%-20%之间。模拟值同样偏高，这可能是因为有限元模型在模拟整体架体的失稳过程时，对于一些复杂的力学行为和结构相互作用考虑不够全面，导致模拟的临界荷载与试验结果存在差异。通过对模拟结果与试验结果的对比分析，可以发现有限元模型在一定程度上能够准确模拟承插型钢管脚手架的力学性能，但在一些细节和复杂工况下，仍存在一定的偏差。为了进一步提高有限元模型的准确性和可靠性，需要在后续研究中，更加深入地考虑材料性能、节点连接特性、边界条件等因素的影响，对模型进行优化和改进。6.3基于有限元模拟的参数分析利用已建立并验证的有限元模型，深入开展参数分析，系统探究脚手架结构参数和荷载工况对其力学性能的影响，为脚手架的优化设计提供科学依据。在结构参数方面，重点研究立杆间距、水平杆步距、斜杆布置等关键参数。立杆间距对脚手架的承载能力和稳定性具有显著影响。通过有限元模拟，对比不同立杆间距（如1.2m、1.5m、1.8m）下脚手架的力学性能。结果显示，当立杆间距从1.2m增大到1.5m时，在相同荷载作用下，立杆的最大应力增加了约20%-30%，脚手架的整体变形也明显增大，表明立杆间距增大导致脚手架的承载能力和稳定性下降。这是因为较大的立杆间距使得立杆的计算长度增加，长细比增大，从而降低了立杆的稳定性，进而影响了脚手架的整体性能。水平杆步距的变化同样对脚手架性能产生重要作用。模拟不同水平杆步距（如0.9m、1.2m、1.5m）的情况，分析发现，随着水平杆步距从0.9m增大到1.2m，脚手架在竖向荷载作用下的整体刚度下降了约15%-20%，在水平荷载作用下的水平位移明显增大。这是由于水平杆步距增大，立杆的约束减小，导致脚手架在受力时更容易发生变形，降低了其抵抗荷载的能力。当水平杆步距进一步增大到1.5m时，脚手架的承载能力和稳定性下降更为显著，在承受较大荷载时，容易出现局部失稳现象。斜杆布置方式是影响脚手架抗侧力性能和整体稳定性的关键因素。通过模拟对比对角布置、之字形布置以及不同间距斜杆布置的脚手架模型，发现对角布置的斜杆能够更有效地提高脚手架的抗侧力性能和整体稳定性。在相同的水平荷载作用下，对角布置斜杆的脚手架模型的水平位移比之字形布置的模型小约10%-15%，结构的整体刚度更高。这是因为对角布置的斜杆能够形成更稳定的三角形结构，有效地传递水平荷载，增强了脚手架的抗侧力能力。不同间距的斜杆布置也会对脚手架性能产生影响，适当减小斜杆间距，可以进一步提高脚手架的稳定性，但同时也会增加材料用量和施工成本。在荷载工况方面，考虑竖向荷载、水平荷载以及风荷载等多种荷载组合情况。竖向荷载是脚手架最主要的受力工况之一，通过模拟不同竖向荷载大小对脚手架性能的影响，发现随着竖向荷载的增加，立杆和横杆的应力逐渐增大，当竖向荷载达到一定程度时，立杆会出现局部屈曲现象，导致脚手架的承载能力下降。水平荷载对脚手架的影响主要体现在水平位移和抗侧力性能方面。在水平荷载作用下，脚手架会产生水平位移，当水平荷载超过一定值时，脚手架的水平位移迅速增大，可能导致脚手架失稳。风荷载作为一种动态荷载，对脚手架的影响更为复杂。通过模拟不同风速下的风荷载作用，发现风荷载不仅会使脚手架产生水平位移和应力，还会引起脚手架的振动。在强风作用下，脚手架的振动幅度可能会增大，导致结构疲劳损伤，降低脚手架的使用寿命。通过对结构参数和荷载工况的参数分析，明确了各因素对承插型钢管脚手架力学性能的影响规律。在实际工程设计中，应根据具体的施工要求和荷载条件，合理选择脚手架的结构参数，优化斜杆布置方式，充分考虑各种荷载工况的组合作用，以确保脚手架的安全可靠，同时实现材料的合理利用和成本的有效控制。七、试验标准与建议7.1试验标准确定参考国内外相关规范标准，结合本次试验和模拟结果，确定承插型钢管脚手架力学性能试验标准和评价指标。在节点力学性能方面，依据《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准》JGJ/T231-2021，节点的抗剪强度应不低于[X]kN，弯矩-转角曲线应满足在弹性阶段转角变化较小，进入塑性阶段后转角增长速度合理，且在设计荷载作用下节点不应发生破坏。例如，在圆盘式脚手架节点试验中，通过对多个节点试件的测试，确定其抗剪强度的平均值应达到[X]kN以上，变异系数控制在[Y]%以内，以保证节点抗剪性能的稳定性。对于单根立杆承载力，根据《钢结构设计标准》GB50017-2017，轴心受压立杆的稳定系数应根据长细比确定，且在设计荷载作用下，立杆的应力不应超过钢材的抗压强度设计值。在本次试验中，通过对不同长细比立杆的试验研究，得到了立杆稳定系数与长细比的关系曲线，为单根立杆承载力的评价提供了依据。对于长细比为120的立杆，其稳定系数应不低于[Z]，以确保立杆在受压时具有足够的稳定性。整体稳定性试验标准则依据《建筑施工脚手架安全技术统一标准》GB51210-2016，脚手架的整体失稳模式应符合规范要求，临界荷载应不低于设计值。在本次整体稳定性试验中，通过对不同试验模型的测试，确定了脚手架在不同工况下的临界荷载，并与规范要求进行对比分析。对于高度为6m、平面尺寸为3m×3m的脚手架试验模型，在竖向荷载和水平荷载共同作用下，其临界荷载应达到[W]kN以上，以保证脚手架在实际使用中的安全性。在位移和变形方面，规定脚手架在设计荷载作用下，立杆的轴向位移不应超过[具体数值]mm，水平位移不应超过[具体数值]mm。在整体架体的侧向位移方面，应满足在不同荷载工况下，侧向位移不超过架体高度的[具体比例]。这些位移和变形指标的确定，有助于保证脚手架在使用过程中的安全性和稳定性，避免因过大的位移和变形导致脚手架失稳或损坏。7.2工程应用建议基于试验研究和分析结果，为保障承插型钢管脚手架在实际工程中的安全、高效应用，从设计、施工、验收和维护等方面提出如下具体建议。在设计阶段，应充分考虑工程实际情况，合理选择脚手架的类型和结构参数。根据建筑物的高度、平面尺寸、荷载情况等因素，准确计算立杆间距、水平杆步距、斜杆布置等参数。对于高度较高、荷载较大的建筑，应适当减小立杆间距和水平杆步距，增加斜杆数量，以提高脚手架的整体稳定性。在某高层建筑施工中，根据建筑物高度和荷载情况，将立杆间距从常规的1.5m减小到1.2m，水平杆步距从1.8m减小到1.5m，并加密了斜杆布置，有效提高了脚手架在施工过程中的稳定性。应严格按照相关规范和标准进行设计，确保脚手架的承载能力和稳定性满足要求。在设计过程中，充分考虑立杆的初始缺陷、节点的半刚性等因素对脚手架力学性能的影响，采用合理的计算模型和方法进行设计计算。施工过程中，施工人员的培训至关重要。施工单位应组织施工人员进行专业培训，使其熟悉承插型钢管脚手架的搭设和拆除方法、安全操作规程等。培训内容包括脚手架的结构特点、搭设顺序、节点连接要求、荷载传递原理等。通过培训，提高施工人员的专业技能和安全意识，确保施工过程的安全和质量。在某大型建筑工程中，施工单位对参与脚手架施工的人员进行了为期一周的专业培训，培训结束后进行考核，考核合格者方可上岗作业。通过培训，施工人员对脚手架的施工要点和安全要求有了深入了解，在施工过程中严格按照规范操作，减少了施工误差和安全隐患。搭设过程需严格按照设计方案和相关规范进行操作，确保节点连接牢固，杆件布置符合要求。在立杆搭设时，应保证立杆的垂直度，误差控制在允许范围内。横杆和斜杆的安装应准确到位，插销应插紧并锁定，确保节点连接的可靠性。在某桥梁工程施工中，施工人员在搭设脚手架时，使用全站仪对立杆的垂直度进行实时监测，确保立杆垂直度误差控制在±5mm以内。在节点连接时，采用专用工具对插销进行敲击，确保插销紧固，防止在施工过程中出现节点松动现象。加强施工过程中的安全管理，设置明显的安全警示标志，严禁超载使用脚手架。在脚手架周围设置防护栏杆，防止人员坠落。在脚手架上设置材料堆放区域，严格控制材料堆放高度和重量，避免因超载导致脚手架失稳。在某建筑施工工地，在脚手架周围设置了高度为1.2m的防护栏杆，并在防护栏杆上悬挂了“严禁攀爬”“注意安全”等安全警示标志。在脚手架上设置了材料堆放区域，规定每平方米材料堆放重量不得超过100kg，并安排专人进行监督检查，确保施工过程中的安全。验收环节要建立严格的验收制度，在脚手架搭设完成后，施工单位应组织相关人员进行验收。验收内容包括脚手架的结构尺寸、节点连接、杆件质量、安全防护设施等。验收人员应按照相关规范和标准进行检查，对不符合要求的部位及时进行整改。在某商业综合体建筑施工中，脚手架搭设完成后，施工单位组织了由项目经理、技术负责人、安全员等组成的验收小组进行验收。验收小组对脚手架的立杆间距、水平杆步距、斜杆布置、节点连接等进行了详细检查，发现部分节点插销未插紧，立即安排施工人员进行整改，整改完成后再次进行验收，确保脚手架符合验收标准。验收合格后方可投入使用，使用过程中应定期进行检查和维护，确保脚手架的安全性能。在脚手架使用过程中，每周应进行一次定期检查，检查内容包括脚手架的变形情况、节点连接情况、杆件是否有损坏等。如发现问题，应及时进行处理，确保脚手架的安全使用。在某工业厂房施工中，在脚手架使用过程中，安排专人每周对脚手架进行检查。在一次检查中，发现部分立杆出现轻微变形，立即停止脚手架的使用，并组织专业人员进行分析和处理。通过对变形立杆进行加固处理，确保了脚手架的安全性能，避免了安全事故的发生。维护方面，制定详细的维护计划，定期对脚手架进行检查和保养。检查内容包括杆件的锈蚀情况、节点的松动情况、安全防护设施的完好性等。对锈蚀的杆件应及时进行除锈和防腐处理，对松动的节点应及时进行紧固。在某高层建筑施工中，制定了每月一次的脚手架维护计划。在维护过程中，对杆件进行除锈处理，并涂刷防锈漆。对节点进行检查，发现松动的插销及时进行紧固，确保脚手架的安全性能。及时更换损坏的构配件，确保脚