周转后直角扣件钢管节点抗滑性能的试验研究

庄金平，蔡雪峰，吴建亮

(福建工程学院土木工程学院，福建福州 350108)

0 引言

随着国家经济的发展，对建筑的功能要求也越来越高，建筑结构也越来越复杂，如大型体育馆、跨海大桥和超高建筑中的转换层结构等.模板支撑体系的设计与施工是保证建筑结构质量及施工安全的关键技术.然而，模板支撑体系倒塌事故仍时有发生，其原因也较复杂，主要有:模板支撑体系设计不合理、施工误差大、控制不严格和材料缺陷等原因［1－3］.对于扣件式钢管支撑体系，扣件连接程度对支撑体系的承载能力起着决定性的作用.目前，一些研究者对扣件连接性能的研究，主要还是进行一次性的破坏试验，试验参数主要是扣件的拧紧扭矩.袁雪霞［4］的调查表明:扣件螺栓拧紧扭矩的离散性很大，大多数螺栓的拧紧扭矩小于10 N·m，同时进行了拧紧扭矩为20、30、40、50和60 N·m下的抗滑试验，以研究拧紧扭矩对抗滑承载力的影响.肖炽［5］进行了一组旧扣件的抗滑试验，扣件的拧紧扭矩为20、30和40 N·m，试验结果表明对于旧扣件低拧紧扭矩是不安全的，建议在施工中的拧紧扭矩要达到40 N·m以上.宋建学［6］进行了5组直角扣件的抗滑试验，扣件拧紧扭矩分别为20、30、40、50和60 N·m.试验结果表明:在拧紧扭矩小于50 N·m时，随着拧紧扭矩增大，扣件抗滑极限承载力也相应增大，最终发生节点滑移破坏;当拧紧扭矩达到50 N·m时，一部分扣件螺栓会发生滑丝，此时抗滑承载力出现峰值;拧紧扭矩达到60 N·m时，大部分扣件会出现脆性断裂，抗滑承载力下降.

扣件和钢管都属于周转性材料，在周转过程中可能受到损伤而影响其连接性能的可靠性.目前，在相关规范中并没有明确规定施工中扣件可以周转使用的次数.为了解扣件周转后的损伤程度，本研究针对直角扣件周转后抗滑性能进行试验研究，探讨直角扣件钢管节点竖向承载力(P)–横杆位移(Δ)的关系，为后续进行扣件式钢管支撑体系的整体有限元模拟分析提供依据.

1 试验研究

1.1 试验方案

试验在福建工程学院施工实验室进行，试验装置按照《钢管脚手架扣件试验》(GB15831－2006)［7］的要求，采用钢管扣件试验机进行加载，如图1所示.扣件型号GKZ48A，单件重为1.02 kg，螺栓规格为M12的T形螺栓，横杆、立杆采用φ48 mm×3.2 mm，钢材的材性列于表1，横杆长度为300 mm，立杆长度为400 mm.

表1 钢管材性Tab.1 Properties of steel pipe

图1 试验装置图(单位:mm)Fig.1 Test device(unit:mm)

共进行了9组18个直角钢管扣件抗滑性能的周转试验.试验参数主要有扣件拧紧扭矩Tr、周转次数N和周转加载幅度ΔP，每组包括2个试件.

考虑到目前施工中，扣件的拧紧扭矩往往不受到重视，远低于规范的要求［1，4］，扣件拧紧扭矩参数包括20、30和40 N·m，以期了解各种拧紧扭矩下，扣件周转后抗滑承载力的变化情况.《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》［8］规定单个扣件的抗滑承载力为8 kN;袁雪霞［4］通过试验得到:扣件拧紧扭矩为40 N·m时，抗滑承载力呈正态分布，其中抗滑承载力主要分布在11～17 kN的范围.因此，加载幅度考虑了设计承载力8 kN的情况，同时也考虑了超出和未达到设计承载力的情况，即4和12 kN的情况.

1.2 试验方法

试验时，在横杆的两侧分别同步施加竖向集中荷载.先预加载1 kN，持荷2 min，检验加载装置是否正常，然后重新平衡采集系统，数据归零，再继续加载.根据《钢管扣件脚手架规范》(GB15831－2006)的规定，加载速度控制为300～400 N·s－1左右，停止加载的标准为横杆位移Δ≥20 mm或试件发生破坏的两者之一.每个试件分别按所设定的参数进行周转试验，最后再一次性加载到破坏.例如20－8－25，扣件拧紧扭矩Tr为20 N·m，第一次先加载到8 kN，然后把扣件、立杆、横杆都拆卸开来，重新安装拧紧后进行第二次加载到8 kN，这样反复25次后，再将扣件、横杆、立杆重新安装好后一次性加载到破坏为止.竖向力(P)－横杆位移(Δ)的关系曲线均指经多次周转加载后，最后一次性加载至破坏所测得.

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

图2给出扣件拧紧扭矩为40 N·m时，未加载前立杆表面突出的油漆颗粒对立杆与扣件接触的影响.从图2中可以看出，由于油漆颗粒的影响，在扣件拧紧扭矩为40 N·m的情况下，立杆与扣件的结合并不紧密.图3给出经多次加载后立杆表面的磨损情况.从图3中可以看出，立杆表面的油漆有被刮擦的痕迹，油漆脱落.

图2 典型试件试验前钢管表面及扣件情况Fig.2 Characteristics surface and contact between steel pipe and coupler

图3 典型试件循环后立杆表面的情况Fig.3 Characteristics steel pipe surface after turnover test

试验典型的破坏形式有4种:扣件变形、螺杆滑丝、扣件脆裂和螺栓孔胀裂等.由于横杆一侧螺栓的侧向拉力作用，使得扣件发生向外偏离立杆的变形(图4(a));经多次周转后或因拧紧扭矩较大，扣件螺杆出现滑丝破坏(图4(b));扣件与立杆的相互作用，扣件处于径向受压，环向受拉，竖向受剪的状态，当环向应力较大时，导致扣件发生劈裂破坏(图4(c));由于扣件加载过程中螺杆张拉力过大导致螺杆被拉出，扣件上的螺栓孔胀裂(图4(d)).

图4 典型的破坏模态Fig.4 Characteristics fracture of couplers

2.2 竖向承载力－横杆位移关系

图5为各试件竖向承载力－横杆位移关系曲线，横坐标为横杆的位移(Δ)，纵坐标为竖向承载力(P).从图5中可以看出，各种参数下2个试件的试验曲线较为接近，试验离散性较小，表明试验结果是可信的.图5中，粗线表示各组2个试件按最小二乘法拟合的曲线.

从图5中还可以看出，随着横杆位移的增加，曲线的斜率逐渐变小，即抗滑刚度逐渐变小，大致在横杆位移达到5 mm左右时，曲线的斜率有较明显的降低.

图5 竖向力(P)－横杆位移(Δ)关系Fig.5 Load － slide responses of specimens

2.3 参数分析

在进行参数分析时，为方便各参数之间比较分析，利用拟合后的试验曲线进行对比.同时，表2列出了初始抗滑刚度EP和横杆位移等于10 mm时所对应的竖向承载力P10.

表2 初始抗滑刚度EP和抗滑承载力P10汇总表Tab.2 Summary of initial stiffness and bearing capacity of specimens

续表2

2.3.1 拧紧扭矩Tr的影响

图6给出了拧紧扭矩Tr对竖向承载力－横杆滑移关系的影响.结合图6和表2可以看出:扣件拧紧扭矩对抗滑刚度和承载力的影响，大体上呈先增大后减小的趋势.当拧紧扭矩Tr=30 N·m时，竖向承载力P10和初始抗滑刚度EP最大;当Tr=40 N·m时，竖向承载力P10和初始抗滑刚度EP最小，而且后期刚度降低得更快，在横杆位移为8 mm时，竖向承载力即达到了峰值仅17 kN.Tr=30 N·m时，初始抗滑刚度比Tr为20和40 N·m时增大了41.3%;而峰值承载力分别比Tr为20和40 N·m时增大了21.7%和64.7%.这主要是因为，扣件拧紧扭矩过小，扣件与立杆之间的径向挤压力小，相互之间的摩擦力较小，故承载力和抗滑刚度也较小;但扣件拧扭紧扭矩越大，在周转过程中，扣件和立杆之间的磨损较大，相互之间的摩擦系数减小，周转后的刚度和承载力反而也减小.

图6 拧紧扭矩Tr的影响Fig.6 Influence of tightening torque

2.3.2 周转次数N的影响

图7给出了周转次数N对竖向承载力－横杆滑移关系的影响.结合图7和表2可以看出:随着周转次数的增加，抗滑刚度和竖向承载力呈先增大，后减小的趋势.当周转次数N=25时，抗滑刚度和承载力均达到最大值.N=25时，抗滑刚度分别比N为10和50时大31.4%和64.3%;竖向承载力比N为10和50时大27.8%.这主要是因为周转次数较少的情况下，由于扣件和钢管涂有油漆，钢管和扣件表面可能存在一些突出的油漆颗粒，在相同拧紧扭矩的情况下，扣件与钢管之间存在空隙，径向挤压力变小，从而导致了节点抗滑刚度和竖向承载力的降低;当扣件周转达到一定次数后，突出的油漆颗粒被磨平，在相同拧紧扭矩的情况下，扣件与钢管结合紧密，径向挤压力增大，抗滑刚度和竖向承载力增大;但周转次数进一步增加时，扣件和钢管的损伤增大，相互之间的摩擦系数变小，抗滑刚度和竖向承载力反而降低.

2.3.3 周转加载幅度ΔP的影响

从图8给出了周转加载幅度ΔP对竖向承载力－横杆滑移关系的影响.结合图8和表2可以看出:随着周转加载幅度的增加，抗滑刚度EP呈先增大后减小的趋势，而竖向承载力呈逐渐减小的趋势.周转加载幅度ΔP为8 kN时，抗滑刚度EP分别比ΔP为4和12 kN时大21.1%和9.5%;周转加载幅度ΔP为4 kN时，竖向承载力分别比ΔP为8和12 kN大8.7%和31.6%.这主要是因为周转加载幅度越大，扣件和立杆的损伤越大，导致承载力下降更快;而初始刚度受扣件和立杆磨合程度的影响较大，加载幅度较小时，扣件与立杆磨合尚未完全，导致径向压力小，初始刚度小.

图7 周转次数N的影响Fig.7 Influence of turnover times

图8 加载幅度的影响Fig.8 Influence of turnover loading amplitude

综合以上3个影响因素的分析，并且考虑安全技术规范［8］对扣件拧紧扭矩的要求为40～65 N·m，对单扣件的抗滑承载力的限制为8 kN.因此，建议在施工中扣件的周转次数以不超过25次为宜.

3 直角扣件钢管节点竖向承载力－横杆位移关系回归

利用Matlab软件对试验数据进行非线性回归，得到的直角扣件钢管节点竖向承载力－横杆位移的关系，如式(1)所示:

其中:

式中:P为竖向承载力(kN);Δ为横杆位移(mm);ΔP为加载幅度(kN)，ΔP＜12 kN;Tr为扣件拧紧扭矩(N·m);N为周转次数.

从图5可知，用回归方程(1)所计算的曲线与试验曲线的对比情况，总体上吻合较好.

4 结语

1)试验中扣件的破坏形态有扣件脆裂、螺栓孔胀裂、螺杆滑丝等.因此，施工中要确保扣件的壁厚，同时要经常更换螺杆，以避免螺杆滑丝导致抗滑刚度和竖向承载的降低.

2)试验结果表明:随着扣件拧紧扭矩的增大，扣件节点的抗滑刚度和承载力大体上呈先增大后减小的趋势;随着周转次数的增加，扣件节点的抗滑刚度和竖向承载力呈先增大，后减小的趋势;随着周转加载幅度的增加，扣件节点的抗滑刚度呈先增大后减小的趋势，而扣件节点的竖向承载力呈逐渐减小的趋势.

3)综合各种因素和规范要求，建议在施工中扣件的周转次数以不超过25次为宜.

［1］蔡雪峰，周继忠，庄金平.钢管扣件节点抗滑性能研究［J］.土木工程学报，2009，42(3):67－71.

［2］庄金平，蔡雪峰，林曾忠，等.超高大跨模板支撑体系现场实测及承载力公式修正方法探讨［J］.工业建筑，2011，41(9):94－99.

［3］庄金平，蔡雪峰.直角扣件钢管节点抗滑本构关系研究［J］.施工技术，2011，40(5):79－81.

［4］袁雪霞.建筑施工模板支撑体系可靠性研究［D］.杭州:浙江大学，2006.

［5］肖炽，周观根，杨乾慧.钢管支架用直角扣件抗滑移试验研究［J］.施工技术，2010，39(4):85－86.

［6］宋建学，史瑞.脚手架扣件抗滑移试验及分析［J］.建筑技术，2011，42(10):937－938.

［7］中国建筑科学研究院.GB15381－2006钢管脚手架扣件［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［8］JGJ130－2011建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.