#在头条看见彼此#本文转载自“施工技术《扣件式钢管支撑体系承载力影响分析》，作者：陈志华，王刚等”，仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！[摘要]扣件式钢管支撑体系凭借其构造简单、灵活，维护简便、部件的通用性强等优点在我国的工程建设中得到广泛的应用。
通过对国内大量扣件式钢管支撑体系足尺试验及局部试验进行分析，对剪刀撑设置方式、横杆步距、高宽比、悬臂杆长度以及传力途径等一系列因素对扣件式钢管支撑体系整体承载力的影响以及扣件扭紧力矩、搭接方式等对扣件式钢管支撑体系局部承载力的影响进行研究，并提出一些目前还存在的问题，旨在为今后的研究确定方向并为实际工程应用提供借鉴。
【关键词]支撑架；扣件；钢管；承载力；分析；扭紧力矩扣件式钢管支撑体系凭借其构造简单、灵活，维护简便、部件的通用性强等优点在工程建设中得到广泛应用[1]。
为了尽可能地减少由于设计问题而带来的事故，本文基于国内大量扣件式钢管支撑体系足尺试验及局部试验，从不同的构造参数的变化出发，探究各种参数对扣件式钢管支撑体系承载力的影响。
1 扣件式钢管支撑体系受力形式扣件式钢管支撑体系从本质上讲是一种空间框架体系，它主要由纵、横向水平杆及立杆用扣件连接而成。
其中立杆主要承受竖向荷载，纵、横向水平杆作为立杆的水平向支撑杆件，分担由结构顶部传来的荷载；竖向剪刀撑是主要的侧向支撑，能有效地增加结构的抗侧刚度，抵抗水平荷载作用。
实际中，按照支撑体系受力形式的不同可以将其分为支撑架和脚手架2类，受力形式如图l所示[2]。
2 扣件式钢管支撑体系整体承载力影响分析国内近些年也对扣件式钢管支撑体系进行了一些试验研究。
主要包括1989年哈尔滨建筑工程学院徐崇宝等对双排扣件式钢管脚手架进行了足尺试验研究[3]，试验数据如表1所示；2003年东南大学李维滨等对扣件式钢管模板支架进行了足尺试验研究[4-5]，试验数据如表2所示；2004年同济大学的敖鸿斐等也对双排扣件式钢管脚手架进行了足尺试验研究[6]。
，试验数据如表3所示；2008年天津大学陆征然对扣件式钢管模板支撑体系进行了足尺试验研究[2]。
，试验数据如表4所示。
本文主要对多排扣件式钢管支撑体系进行研究分析，故表1和表3中的试验数据不在此进行分析。
2．1剪刀撑及扫地杆设置方式对支撑体系承载力的影响剪刀撑对于支撑体系的作用在于提高其抗侧刚度和整体稳定性，抵抗水平荷载，当支撑体系搭设高度超过8m时，为了保持其整体稳定性，还应在竖向剪刀撑顶部与纵横向水平杆相交平面内设置水平剪刀撑[2]。
而扫地杆对于支撑体系的作用在于在支撑架底部给所有立杆提供一个水平约束，从而有效地增大架体的整体刚度，提高立杆共同工作能力，提高承载力，同时可以避免因局部支架刚度偏小、变形过大进而影响整个支架稳定性的现象[7-8]。
在表2所示试验中[4-5]，对单、双扣件情况下，不同的扫地杆与剪刀撑搭设情况对承载力的影响做了研究。
从其试验结果中我们可以看到，单扣件情况下仅设扫地杆承载力比未设扫地杆及剪刀撑承载力提高了9．1％，但梁下立杆压力仅增大约4．8％；在扫地杆的基础上增设剪刀撑后，整体承载力与只有扫地杆的支架相同，但立杆压力降低约2．6％。
而在双扣件条件下，仅设扫地杆承载力比未设扫地杆及剪刀撑支架的承载力提高10％，但梁下立杆压力仅增加约5．8％。
在表4所示试验中，对不同立杆间距下剪刀撑的设置方式对支撑架承载力的影响进行了研究。
其中立杆间距0．9m的试验组分为无剪刀撑、只有竖向剪刀撑和有竖向加水平剪刀撑3种形式；立杆间距O．6m的试验组分为无剪刀撑和有竖向剪刀撑2种形式。
从其试验结果中可以发现，立杆间距0．9m的情况下，只有竖向剪刀撑的支撑架相对于没有剪刀撑的支撑架承载要提高了20．4％；有横向和竖向剪刀撑的支撑架相对于只有竖向剪刀撑的支撑架承载力提高了25．9％，相对于没有剪刀撑的承载力提高了51．5％。
立杆间距0．6m的情况下，有竖向剪刀撑的支撑架相对于没有剪刀撑的支撑架，承载力提高了59．9％。
从上述试验的结果中可以看出，设置扫地杆及剪刀撑对支架的整体刚度和承载力提高有较大帮助。
有扫地杆的存在不但可以使整体承载力有所提高，而且使架体中的受力更均匀、合理。
同样，剪刀撑的效果也很明显，虽然在李维滨等的试验中，加设剪刀撑并没有使承载力有所提高，但是剪刀撑的加入使架体中的内力重新分布，有效地减轻立杆的负担。
而在陆征然等的试验过程中，通过一些试验现象，也可以观察到剪刀撑对支撑架整体稳定性带来的影响。
在没有剪刀撑的支撑架上工作，可以明显感觉和观察到架子会随着操作工人的活动而晃动，遇到一些稍剧烈的活动，架子的整体晃动会很大，而在有竖向剪刀撑和横竖向剪刀撑都有的支撑架中，这种晃动基本不会出现。
从支撑架破坏的形态来看，有竖向剪刀撑的支撑架中，支撑架顶层竖向剪刀撑与架体连接的扣件基本都是率先破坏，说明剪刀撑受力较大，发挥了较大的作用。
2．2横杆步距对支撑架承载力的影响脚手架的结构计算主要的理论依据是“压杆稳定理论”[9-10]。
因为脚手架的主要承力构件是立杆，横杆主要起连接约束的作用。
而压杆承载力的计算是杆件强度计算中的一个特殊问题，它不是单纯地依赖应力与应变成正比的弹性问题，而是必须靠欧拉公式来确定的极限荷载问题。
细长压杆承载力取决于长细比，而又取决于“计算长度”，而在压杆两端支撑的固结程度一定的情况下-，计算长度直接取决于杆件本身的长度，也就是脚手架中的横杆步距。
从这样一个复杂的连锁关系中我们也能看出，横杆步距对支撑架承载力的重要性。
在表4所示试验中[2]，不同立杆间距下横杆步距的改变对支撑架承载力的影响进行了研究。
分析其试验结果可以发现，随着横杆步距的减小，支撑架的承载力是明显提高的。
在立杆间距0．9m×0．94m的情况下，横杆步距1．2m的支撑架比横杆步距1．5m的支撑架承载力提高了11．4％。
同样，在立杆间距0．9m×0．6m的情况下，横杆步距0.9m的支撑架比横杆步距1．2m的支撑架承载力提高了4．7％[11]。
这2组结果均与“压杆稳定理论”以及我们的分析相符。
2．3高宽比对支撑架承载力的影响支撑架的高宽比是通过影响支撑架整体的稳定性来对支撑架承载力产生影响。
支撑架高度越高，宽度越小，相应的高宽比越大，架子整体的稳定性也就越差，其承载力也就越低；支撑架高度越小，宽度越大，相应的高宽比越小，整体稳定性越好，承载力也越高[12]。
在表4所示试验中[13]，对不同高宽比对支撑架承载力的影响进行了研究。
分析其试验结果可以发现，在立杆间距0．9m的试验组中，高宽比O．93的支撑架比1．45的支撑架承载力提高了43．8％；在立杆间距1．2m的试验组中，高宽比1．08的支撑架比高宽比1．70的支撑架承载力提高了14．3％[13]。
可见，高宽比对支撑架整体承载力的影响比较显著，这种影响，在立杆间距较小的支撑架中更为明显。
究其原因，在立杆间距1．2m的支撑架中，由于立杆间距较大，使得横杆对立杆的连接约束效果有所减弱，支撑架的整体性降低，故架子的承载力将更多受到支撑架内部参数的影响，而承载力受架子整体高宽比的影响将会减弱。
2．4悬臂杆高度对支撑架承载力的影响扣件式钢管支撑架不同于扣件式钢管脚手架的一点就在于它的传力方式不同。
支撑架承受的荷载是靠伸出立杆顶部的可调托传递到立杆上的，而由于可调托顶部并没有横向约束，因此实际上可调托是由一个伸出支撑架整体之外的悬臂杆支撑的。
同样，根据“压杆稳定理论”[9]，悬臂杆的长度将通过影响悬臂杆的承载力从而影响支撑架整体的承载力。
在表4所示试验中[13]，对不同高度的悬臂杆对支撑架承载力的影响进行了研究。
分析其试验结果可以发现，随着悬臂杆高度的增加，支撑架整体承载力是降低的。
悬臂杆高度0．8m的支撑架比0．55m的支撑架承载力降低了13．1％，这与“压杆稳定理论”是相符的。
2．5传力路径对扣件式钢管支撑体系的承载力影响根据扣件式钢管支撑架和扣件式钢管脚手架2种架体不同的传力方式，可以将传力路径分为2种：①支撑架的立杆为主要受力构件，立杆顶部可调托将荷载直接传递给立杆，故立杆呈轴心受力状态，横杆为辅助受力构件，主要作用是连接主要受力构件形成整体；②脚手架的立杆和顶层横杆为主要受力构件，荷载加在顶层横杆上，通过顶层横杆横向传递给立杆；其中立杆为偏心受力构件，其他层横杆为辅助受力构件。
单从2种架体的传力方式上来看，扣件式钢管脚手架由于其立杆处于偏心受力状态，更不利于立杆稳定，故承载能力应不如立杆呈轴心受力的支撑架。
同样，在表4所示试验中，也对脚手架和支撑架2种不同形式架体的承载力进行了研究[13]。
试验结果可以看出，在搭设架体的规模相同，架体内部参数也相同的条件下，脚手架的承载力要比支撑架偏小27％。
因此，对二者的计算公式进行区分是十分必要的。
另外值得注意的一点是，由于脚手架的荷载是加在横杆上，然后横杆通过扣件传递给立杆[14-16]。
“，故在脚手架中，对横杆和扣件要求更高，一旦横杆或扣件的承载力不足发生屈服和破坏，将影响整架的承载能力。
3 扣件式钢管支撑体系局部承载力影响分析3．1对接节点搭接方式对节点承载力的影响在实际使用过程中，由于脚手架的规模大小不一，同样尺寸的钢管很难符合所有规模架子的要求，因此对接节点在支撑体系中，尤其是超高脚手架中非常常见。
其搭接方式主要分为以下3种，如图2所示。
由于在支撑体系中，立杆是主要的受力构件，而无论选用何种对接方式，其承载力都不会强于不对接的情况。
故在不可避免的情况下，选取合理、高效的对接方式对保证支撑体系的承载力尤为重要。
2005年浙江大学鲁征等对上述3种不同搭接方式的对接节点承载力进行了研究[17]。
在图2a所示搭接方式的试验中，其试验结果说明，对接扣件位于钢管中部时对钢管承载力影响较大；扭紧力矩在50N·m以下时，扭紧力矩对承载力也有较大影响，扭紧力矩超过50N·m，其对承载力影响减弱。
而在图2b所示搭接方式试验中，与我们直观上认为这种搭接方式为偏心受力、受力较为不利不同，在保证扭紧力矩的前提下，其试验结果反而较为接近线性。
破坏模式也不是失稳破坏而是扣件的滑移破坏，而2个扣件起到了分割计算长度的作用，使节点刚度也有所提高。
使用图2c中对接方式的节点，承载力与图2b中相近。
另外，合肥工业大学2010年对搭接连接方式的抗滑承载力进行了研究[18]，得出了在3个旋转扣件连接的情况下，其抗滑承载力<29．96kN；4个旋转扣件连接的情况下，其抗滑承载力<81．55kN的结论。
在实际使用过程中，立杆的接长多用对接扣件完成。
为了避免对接扣件出现在钢管中部，多用一长一短2根钢管进行对接，且保证相邻两立杆的对接扣件位置不同，以避免所有立杆薄弱点出现在同一高度，影响整架承载力。
而图2b所示的接长方式则多出现在剪刀撑中。
图2c所示对接方式虽然与双旋转扣件承载力接近，但由于其底部是顶在直角扣件上，并无水平向约束，一旦底部脱开，2根钢管将会变成铰接，故在实际中不宜采用。
3．2直角扣件扭紧力矩对其工作性能的影响直角扣件作为扣件式钢管支撑体系中使用最多，也是受力体系中最为重要的一环，其工作性能直接影响支撑体系的整体承载力。
对直角扣件的工作性能的研究主要包括对其抗扭能力和抗滑能力的研究。
3．2．1 直角扣件扭紧力矩对其抗扭能力的影响2004年同济大学敖鸿斐等[6]、2005年浙江大学鲁征等[17]、2008年天津大学陆征然等[16](见表5)、2011年长安大学曹琛等[19]、2012年福建工程学院的蔡雪峰等[20]均对直角扣件的抗扭能力进行了试验研究。
通过以上几组试验结果的对比分析，我们发现所有试验试件的扭矩一转角关系曲线均呈非线性，这一方面反映出扣件的铸铁特性，一方面也反映出节点的半刚性特性。
在扣件扭紧力矩不变的情况下，转角随扭矩的增大而增大，其变化速率也呈逐渐增大的趋势。
而随着扣件扭紧力矩的增加，节点整体的极限扭矩是提高的。
从天津大学陆征然等的试验数据中(见表5)，也可以看出节点整体的抗扭刚度也随节点扭紧力矩的增加而增加。
3．2．2 直角扣件扭紧力矩对其抗滑能力的影响2005年浙江大学鲁征等[17]。
2010年东南大学肖炽等[21]、2011年郑州大学宋建学等[22]、2012年福建工程学院的蔡雪峰等[23]均对直角扣件的抗滑能力进行了试验研究，如表6所示。
从表6中我们可以看出，虽然不同的试验采用了不同的标准来衡量扣件的抗滑能力，但我们可以发现随着扭紧力矩的增加，抗滑能力基本都是在提高的。
当扣件扭紧力矩<40N·m时，扭紧力矩对抗滑承载力的提高效果较明显，故工程上扣件扭紧力矩至少要达到40N·m。
从以上几组试验的扭矩．滑移曲线我们可以看出，随着荷载的增加，滑移距离也是增加的，但前期增长很慢，达到某一特定值后便会快速增长。
这符合扣件和钢管之间的摩擦力由静摩擦力转变为动摩擦力这一过程[20]。
而随着扣件扭紧力矩的增加，由静摩擦力转变为动摩擦力的临界荷载也在增加。
另外，使用过多次的旧扣件，其表面的粗糙程度和螺杆的可拧紧程度均不如全新的扣件，故其抗滑能力不如全新的扣件。
4结论及展望1)通过对试验过程中的现象和试验结果的分析，可证明剪刀撑和扫地杆均对提高支撑架整体稳定性贡献较大。
2)钢管脚手架承载力随横杆步距的增大而降低，这与钢结构的压杆稳定理论相符。
3)降低满堂支撑架的整体搭设高度(即降低其高宽比)能够提高其承载能力，并且当立杆排列较紧密时，搭设高度对其承载能力的影响更为显著。
4)在其他搭设参数相同的情况下，减小立杆伸出顶层水平杆的长度，满堂支撑架的整体承载力将有所提高。
5)虽然支撑架与脚手架的搭设形式相同，但在相同搭设情况下满堂支撑架的承载力比满堂脚手架高出37．07％，对于两者的承载力公式进行区分计算非常有必要。
6)无论是对接扣件还是直角扣件连接的节点，扭紧力矩在<40N·m时对承载力影响较明显，当其>40N·m后影响减弱，故实际工程中应至少保证扣件扭紧力矩≥40N·m。
虽然目前国内对扣件式钢管支撑体系已经做了一定的研究，但还存在一些问题，这也为我们未来的研究确定了方向。
1)由于实际工程应用中，满堂支撑体系的搭设参数变化性较强，而目前对于满堂支撑体系的原型试验研究相对较少，因此对某些参数的研究数据相对缺乏，已有的试验数据，也不够精细，有待深入研究。
2)目前的研究还多停留在对超高脚手架的研究上，而随着经济发展、城市建设，我国将来会兴建越来越多的地下设施，而这些设施中多用的是高宽比较小，甚至小于1的脚手架。
目前还没有人对低高宽比满堂支撑体系进行试验研究，规范中也缺乏相关的数据。
3)目前对扣件的抗扭刚度和抗滑刚度的研究，虽然可以得到一定的规律性结论，但是由于扣件及钢管质量良莠不齐，离散性很大，且试验数据数量不够，故还不能得到确切的结论，需要继续进行大量的试验研究。
参考文献：[1] 张卫红，刘建民，朱国卫．基于整架试验的扣件式钢管脚手架半刚性节点计算方法[J]．山东建筑大学学报，2009(1)：3842．[2] 陆征然，陈志华，王小盾，等．扣件式钢管满堂支撑体系稳定性的有限元分析及试验研究[J]．土木工程学报，2012，45(1)：49-60．[3]徐崇宝，张铁铮，潘景龙，等．双排扣件式钢管脚手架工作性能的理论分析与实验研究[J]．哈尔滨建筑工程学院学报，1989，22(2)：38-55．[4] 李维滨，刘桐，郭正兴．扣件式钢管模板支架安全性研究与施工建议[J]．建筑技术，2004，35(8)：593-595．[5] 李维滨，刘桐，郭正兴．扣件式钢管模板支架试验研究[J]．建筑技术开发，2004，3l(1)：57-59．[6] 敖鸿斐，李国强．双排扣件式钢管脚手架的极限稳定承载力研究[J]．力学季刊，2004，25(2)：213-218．.................免责声明：本文转载自“施工技术《扣件式钢管支撑体系承载力影响分析》，作者：陈志华，王刚等”，仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！