扣件式钢管脚手架极限承载力计算模型的回顾与展望
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摘要：本文回顾了近二十年来扣件式钢管脚手架的各种计算模型，并进行了对比和思考。得出了只有半刚性节点模型才真正触及了扣件连接这一本质特点，建议采用考虑了节点半刚性的框架模型进行扣件式钢管脚手架的研究和计算，同时考虑其它因素的影响。本文同时也对扣件式钢管脚手架极限承载力的进一步研究进行了展望。
Abstract: This paper reviews a variety of steel tubular scaffold models, and conducts comparison and reflection, which obtaines that semi-rigid model really touched on the essential characteristics of fastener connection. It recommendes to consider the framework model of the node to research and calculate the semi-rigid steel tubular scaffolding, taking into account other factors. This paper also makes the prospect of further research on the ultimate bearing capacity of steel tubular scaffold.
Key words: fastener-style steel pipe scaffold；calculation model；semi-rigid；prospect
中图分类号：TU392文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）04-0063-02
0引言
扣件式钢管脚手架以其装拆方便，通用性强，承载力高，整体刚度好等优点而在目前国内的脚手架使用中占有很大的比重，其设计计算方法直接关系到施工质量的安全，近年来脚手架的坍塌事故不断，究其根本原因就是目前对脚手架的计算模型尚无一致的看法，当然这其中也不乏因施工组织，管理不善，违规操作而引起的事故。
虽然国内外对扣件式钢管脚手架的计算模型尚无一致的看法，但近二十年来，各学者，工程技术人员已经对脚手架的设计计算问题进行了很深入的探讨。目前的计算模型主要有铰接架模型，排架模型，框架模型。
1铰接架模型
铰接架模型将杆件的交叉点简化成铰接点来处理。该方法历史最久，从20世纪80年代引入我国，因其计算简单，无需考虑次生的弯矩和变形协调条件的影响，也不考虑刚接和侧移的影响，很快在工程界中推广开来。尤以余宗明[2,3]为代表对铰接计算模型进行了较为深入的研究，故其计算模型较为成熟。我国现行的扣件式钢管脚手架安全技术规范[1]，就是基于这种计算假定的。其计算见图如图1所示。
但是应该指出的是，该模型也有一些计算的缺陷是很难在这种假定的前提下通过完善理论来解决。铰接模型，实际上截断了体系的计算长度，而规范[1]通过引入杆件计算长度系数来解决这个问题是没有理论依据的。同时也可以看到，余宗明[2,3]等人的研究，其所采用的分析模型为有连墙杆的单榀横向架体，仅将有连墙杆处的节点作为铰接点，两个连墙杆间立杆的连接仍按刚性节点考虑，同时所有小横杆与立杆的连接也都按铰接考虑，此时立杆的计算长度也即连墙杆之间的竖向距离。通过这样确定计算长度，再按规范求得的稳定承载力在某些情况下与实验结果是符合的，但大多数情况下都有很大的偏移。
同时，该计算模型还有个很明显的缺点就是无法考虑纵向剪刀撑和横向斜撑对结构的加固作用，同时无横墙杆处的横向架体对所研究的横向架体的影响也无法考虑。
2排架模型
从脚手架的构造上分析，在其的纵向平面内，大横杆与立杆间通过直角扣件相连，可以将其近似地简化成刚接，而在横向平面内，小横杆往往是搭接在大横杆上的，其节点更接近于铰接点，故脚手架的横向结构很接近排架结构。排架模型就是基于这种分析而考虑的。同时我们也应该注意到，将小横杆的两端简化成铰接点来考虑，是偏于安全的。其计算简图如图2所示。
在该模型中，由于纵向框架跨数多，同时加有剪刀撑，故其的刚度是很大的，所以如果不考虑纵向框架对横向排架的立杆变形的约束作用，将会产生较大的误差。刘宗仁[5]考虑了纵向框架对横向单榀排架立杆变形的约束作用，将立杆的所有节点均视为弹性支撑点，并分别给出了各节点弹性支撑的弹性模量计算式，提出了等效的单榀排架稳定计算模型，但是按照这种模型计算的有限元分析所得的结果仅仅是实验值的一半左右。
同时，该模型由于属于超静定结构，故在一定程度上只能采用有限元方法进行研究，同时该模型还无法考虑横向斜撑等对脚手架的加固作用，故该法在国内研究的不多。
3框架模型
该模型是钢管脚手架计算中最直观的模型，因为脚手架立杆和横杆的连接点采用的是不可旋转的直角扣件进行连接的。该模型在我国扣件式钢管脚手架研究的初期就得到了应用，如徐崇宝[6]，黄宝魁[7]等用该模型对双排扣件式钢管脚手架的整体稳定做过理论分析，发现按框架模型计算所得计算结果在数值上较实验结果相比要高出很多。这引起了人们的重视。后来越来越多的学者意识到，按照节点完全刚接的模型进行计算是不符合实际条件的，有下面几点的值得考虑：
3.1 正如上文提及的，对于脚手架而言，在纵向平面内，立杆与横杆在直角扣件的连接确实接近于刚性节点，但是，在横向平面内，由于在工程实际中，很多时候小横杆是搭扣在大横杆上的，而不与立杆相连，故此时小横杆两端的连接点更接近于铰接点，故采用框架模型就不够严谨。
3.2 杆件交叉点的刚度与扣件的质量和拧紧程度密切相关，而在现在施工时，扣件的质量和拧紧程度往往达不到刚接的要求。
3.3 在刚结假设的基础上，必然要忽略斜撑及十字撑的存在。这与脚手架的实践经验是背道而驰的。脚手架的应用经验证明没有十字撑及斜杆，脚手架是要失稳的。
为解决这个问题，文献[6]认为扣件连接方式达不到刚接的程度,进而引入了节点半刚性修正系数的概念,用一个修正系数对按照刚节点计算所得到的承载力结果进行修正，发现所得结果与实验值基本符合。但是需要注意的是该修正系数只是针对单榀横向架体而言的。
目前对扣件节点半刚性连接特征，还有以下几种处理方法：①上面已提到的框架模型半刚性修正系数法；②框架模型立杆计算长度修正系数法[10]；③基于单个扣件刚度系数测定结果的脚手架计算方法[4，8，9]。其中，方法①中的半刚性修正系数是通过多扣件连接的平面钢管框架侧移实验测得的；而方法②中的立杆计算长度修正系数则是通过对整架试验结果进行有限元分析得到的，但这两种方法没有直接涉及扣件节点的半刚性特性；而方法③才直接触及脚手架由于采用扣件连接而呈半刚性这一问题的本质。
因此，正确的分析扣件的刚度成为了问题的关键。而要正确分析扣件的连接特性，则分析该节点的弯矩-转角模型成为了首要问题，岳峰[11]根据敖鸿斐的转角刚度实验得出的数据提出了一个针对脚手架扣件连接的二参数对数非线性模型：
M=nln（1+）
式中，R为初始连接刚度，n为曲线拟和形状参数。这些参数都可以通过单扣件转动刚度实验得到，其拟和曲线与试验数值之间具有很好的一致性。
随着半刚性节点模型理论的不断出现，该模型也在不断的完善。文献[12]考虑扣件连接的半刚性特点，建立了扣件式钢答支模架稳定承载能力分析的三维有限元模型。采用非线性屈曲方法中，计算了不同搭设变量下的稳定承载力，并表示为工程上常用的计算长度系数。张卫红等[13]，探讨了考虑节点半刚性连接时扣件式钢管脚手架有限元模型的建立方法，并提出了简化方法。通过对脚乎架整架承载力试验结果的反分析。求得了节点旋转刚度系数。并建立了考虑节点半刚性连接的脚手架计算模型。同时与按规范计算的结果相比，发现按照规范计算，其结果是偏于安全的。
4结语与展望
本文对扣件式钢管脚手架的各种计算模型进行了回顾和思考，认为采用半刚性节点的框架模型能很好的反应脚手架由于扣件连接而呈半刚性这一本质问题，同时也比较符合结构本身的特点和施工现场的实际。但同时也应该考虑其它因数的影响，例如①扣件的质量和拧紧的程度；②由于脚手架采用的钢管属焊接管[1]，在其内部的残余应力对钢管稳定承载力的影响；③扣件的连接方式决定了脚手架立杆及横杆不在同一平面内，如何来考虑这种作用对实际承载力的影响等。同时我们要正确，合理的解决扣件式钢管脚手架极限承载力问题，节点刚度的求解是一个首要和关键的问题，但是，我们可以看到的现状是，大多学者采用的仍是徐崇宝，敖鸿斐等人的实验数据，除此之外，再无可供参考的数据。所以就当前而言，鼓励有条件的高校和研究院开展更多的钢管脚手架极限承载力实验，提供更多具参考价值的实验数据，同时编制出简单，易懂，通用性强，能很好符合节点半刚性特点的钢管脚手架有限元模型的程序，利用ANSYS等结构软件对建议的模型进行不断检验和修改，以期不断的完善，应该是今后工作的重点。
参考文献：
[1]JG130-2001,建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范[S].
[2]余宗明.钢管脚手架铰接计算法[J].建筑技术开发，1997.
[3]余宗明.新型脚手架的结构原理及安全使用[M].北京：中国铁道出版社，2001.
[4]伊德生.钢管支架节点转动刚度的测定方法[J].实验力学,1994,9(4):390-393.
[5]刘宗仁，涂新华，丁永胜.扣件式钢管脚手架临界力下限计算方法[J].建筑技术，2005.
[6]徐崇宝，黄宝魁，潘景龙等.双排扣件式钢管脚手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.
[7]黄宝魁，陆聚东等.双排扣件式钢管脚手架整体稳定实验与理论分析[J].建筑技术，1991,18(9):40-45.
[8]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.
[9]敖鸿斐，李国强.双排扣件式钢管脚手架极限承载力分析[J].建筑施工，2003,25(3)：214-217.
[10]刘建明，李慧民.扣件式钢管脚手架框架模型的计算长度修正系数法[J].铁道建筑，2004.25(6).
[11]岳峰.超高层建筑附着整体升降钢管脚手架风荷载及极限承载力研究[D].同济大学建筑工程院，2002.
[12]袁雪霞，金良伟，鲁征，刘鑫等.扣件式钢管支模架稳定承载力研究[J].土木工程学报,2006.39(5).
[13]张卫红，刘建明，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，2009.24(1).