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摘要：近年来随着建筑业的迅猛发展，我国的建筑施工技术水平也在不断提高。绑扎式钢管脚手架是一种新型脚手架结构，是在我国传统的竹脚手架基础上演化而成。通过以轻质钢管替代竹材，以特制化纤绑扎带替代竹篾，将立杆和水平杆通过绑扎形成节点，构成脚手架结构，具有自重轻、搭设和拆除方便、使用灵活等特点，在传统竹脚手架绑扎工艺方便快捷的基础上，摒弃了竹材的材料缺点，且采用轻质钢管作为结构构件，使结构承载力显著提高，是传承和创新的结合。本文针对绑扎式钢管脚手架的受力性能进行了试验研究，分别进行了脚手架构件和绑扎带材料力学性能试验、绑扎式半刚性节点转动刚度试验、绑扎式节点抗滑移性能试验和脚手架整体承载力试验，通过整架试验的试验现象、荷载-应力曲线、荷载-位移曲线和结构破坏形式等试验结果确定脚手架结构的失稳模式和极限承载力。后通过建立有限元模型进行理论分析验证试验结果。
关键词：绑扎式节点；钢管脚手架；半刚性连接；极限承载力
中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
脚手架是建筑工程为满足施工作业需要而搭设的临时操作平台。在我国，目前常用的脚手架形式有扣件式钢管脚手架、碗扣式钢管脚手架、门式钢管脚手架、竹脚手架和桥式脚手架等。而绑扎式钢管脚手架是在传统竹脚手架的基础上演化而来，用轻质钢管代替竹材，以特制化纤绑扎带替代竹篾，经过对立杆（图1）和水平杆（图2）的绑扎，而搭设成脚手架，以满足建筑施工的需要。其绑扎带和节点形式如图3，图4。绑扎式钢管脚手架结合了竹脚手架和金属脚手架的优点，体现了传承和立异的结合，具有自重轻、搭设和拆除方便、使用灵活等特点。由于新型的脚手架在构件材料、节点形式和结构形状上都发生改变，脚手架的结构性能有待于研究。
本文根据绑扎式钢管脚手架的自身特点，并结合脚手架的实际使用形式，采用试验与理论相结合的研究方式，确定其结构性能。
图1 立杆
图2 水平杆
图3 纤维绑扎带
图4 绑扎节点
2 试验概况
2.1 试验设计
本文采用原型试验方法，主要是为了了解绑扎式钢管脚手架结构在荷载增加过程中的变形特点，确定结构的破坏形态和极限承载力。
为了达到上述试验目的，本文在杆件和纤维绑扎带的材料力学性能试验、绑扎式节点的转动刚度试验和绑扎式节点的抗滑移性能试验的基础上，进行了绑扎式钢管脚手架的整架承载力试验。
2.2 试验准备
2.2.1 脚手架杆件和绑扎带的材料力学性能试验
由于本脚手架所用的杆件与扣件式钢管脚手架所用的杆件不同，需要进行试验，以确定其材料力学性能。试验得到立杆的平均弹性模量E=2.04×105N/mm2，屈服强度fy=220N/mm2；水平杆的平均弹性模量E=2.07×105N/mm2，屈服强度fy=220N/mm2。
同时，随机抽取4根绑扎带，通过在拉伸试验机上做轴向拉伸的方法测定绑扎带的力学性能。脚手架的绑扎带宽约5.2mm，厚约0.8mm。测得绑扎带的平均极限抗拉力为0.92kN，平均拉伸模量为53N/mm2。
2.2.2 绑扎式节点转动刚度试验
图5 绑扎式节点转动刚度试验
脚手架实际绑扎时水平杆倾角一般为30°，所以节点转动刚度以水平杆向上倾斜30°角时为准，进行了12组试验。如图5所示，试验采用杠杆加荷方式，各试验均未发现节点绑扎带松扣或者绑扎带断裂的现象，说明节点的抗扭转破坏能力较强。除去绑扎带后，由于节点转动对绑扎带产生绞紧作用，使得水平杆与立杆接触面相互挤压而产生了塑性变形水平杆的管壁均发生下凹现象，试验测得节点的转动刚度离散型较大，平均转动刚度为180N•m/rad。
2.2.3 绑扎式节点的抗滑移性能试验
绑扎式节点可分为有防滑扣绑扎节点和无防滑扣绑扎节点，如图6、图7所示。
试验测得有防滑块节点的平均抗滑移刚度为160N/mm，如图8。
无防滑扣节点抗滑移试验以施加的侧推荷载的最大值作为节点的抗滑移承载力。试验结果显示，节点的抗滑刚度离散性很大，主要是因为其抗滑移性能与绑扎质量有关，但总体抗滑移承载力略高于1kN，如图9。
图6 有防滑块节点抗滑移试验
图7 无防滑块节点抗滑移试验
图 8 有防滑扣绑扎节点抗滑移性能试验 图 9 无防滑扣绑扎节点抗滑移性能试验
图10 测点布置图
2.3 绑扎式钢管脚手架整架承载力试验
本文进行了二组脚手架整架试验，脚手架排距0.7米，外排立杆跨距0.75米。内排立杆跨距1.5米，脚手架步距2.1米，外排脚手架每步之间设置两道纵向水平杆，距离0.7米。内、外排每增加高度2.1米处设置横向水平杆分别连接内排立杆和外排立杆或外排立杆和内排水平杆。脚手架共5跨，总长为7.5米，总高度为12.6米，交叉支撑为外排单侧设置，测点布置图如图10所示。
为得到脚手架的失稳模式和极限承载力，方案Ⅰ为破坏试验，连墙件为常规两跨距两步设置，试验采用逐级加荷的方式，由两个千斤顶同时加载，总荷载从0kN到100kN时，每级荷载为20kN。100kN以后，每级荷载变为10kN，直至结构失稳破坏。
方案Ⅱ连墙件为两跨距两步设置，需要施加两层2kN/m2的均布荷载，均布荷载由沙袋提供，配合千斤顶模拟30米高脚手架两层同时作业时的受力状态。
在方案Ⅰ试验过程中，加荷初期，立杆应力和水平方向的位移随荷载的增加基本呈线性增长，肉眼观察结构无明显变形，能够听见绑扎带绞紧和杆件互相摩擦的声音，当所加总荷载约80kN时，电阻位移计测得脚手架水平位移开始呈现非线性变化，当加载至100kN时，肉眼可见边跨立杆在脚手架平面外弯曲变形明显；加载至120kN时，整架边跨立杆在平面外弯曲变形发展迅速；加载至150kN时，脚手架发生了平面外大波失稳破坏，破坏位置在第一、二步，半波长为相邻连墙件间两步杆件的长度，反弯点在连墙件与立杆的连接位置处。此时通过位移测点得出数据可知，立杆最大水平位移值出现在测点6，位移值为82mm。脚手架的立杆荷载-位移曲线如图11，失稳模式如图12。
在方案Ⅱ试验中，由千斤顶施加15kN的荷载（约相当于17.4米架高的自重），此时，观察脚手架无明显弯曲变形，经测得脚手架最大弯曲变形出现在位移9号测点，为27mm，脚手架未发生失稳破坏。说明脚手架在搭30米高，同时有两层作业层，作业层施工均布荷载标准值为2kN/m2时，脚手架所受到的荷载未使其达到失稳破坏。
对采集的数据进行分析，可知在脚手架发生失稳破坏前，结构基本处于弹性工作状态。试验脚手架发生失稳破坏时，立杆底部应力均在60N/mm2以下。
试验方案的荷载-应变曲线如图13。可以看出总体上后排立杆应变大于前排立杆，主要是由于前后两排立杆数目不同（前排11根立杆，后排6根立杆），会造成结构受力不均，同时脚手架的节点是由人工绑扎而成，与绑扎技术有较大关系，使得节点性能有一定的离散性，且绑扎时水平杆上倾下压后绑扎的方法会对内排立杆有向上力的作用。
a） 前排立杆
b） 后排立杆
图13 方案Ⅰ杆件荷载-应变曲线
3绑扎式钢管脚手架有限元分析
a） 立体图
b） 侧立面
c） 正立面
图14 试验方案Ⅰ的Ansys有限元分析模型
以尽量与脚手架结构实验情况相吻合为原则，对两组试验模型进行了有限元模型的建立，如图14,。通过计算结果分析方案Ⅰ极限承载力达到174.99kN，如图15。实验中两个方案都是以结构失稳破坏时前一级荷载作为其极限承载力值（每级荷载相差10kN），而理论分析的极限承载力是有限元模型失稳破坏时直接计算出来的承载力，同时试验加载装置的重量约为15kN，在试验中未计算在内。故对试验方案Ⅰ脚手架极限承载力进行修正，修正结果为165kN，得出试验值与理论值相差5.7%。有限元分析脚手架的失稳模式为平面外大波失稳破坏，失稳模式与试验结果相吻合，如图16。
4 结论
本文对脚手架杆件和绑扎带的材料力学性能、节点转动刚度、抗滑移刚度进行了试验研究，并对脚手架整架试验，通过有限元分析验证了试验结果，得到以下结论：
（1） 本文研究的绑扎式钢管脚手架结构的失稳模式为相邻连墙件间立杆平面外大波失稳，失稳模态取决于连墙件的布置形式，极限承载力取决于脚手架平面外的刚度。试验方案Ⅰ极限承载力为165kN（修正后）。腳手架发生失稳破坏时，立杆底部应力均在60N/mm2以下。
（2） 试验方案Ⅱ对脚手架结构进行均布荷载的布置，通过试验分析，可说明30米高绑扎式脚手架施加两层均布荷载（每层2kN/m2），结构无明显变形，脚手架未达到失稳破坏。
（3） 脚手架的节点通过人工绑扎而成，属于半刚性节点。试验测得有防滑扣节点的平均抗滑移刚度为160N/mm；无防滑扣的节点抗滑移极限承载力为1kN，节点转动刚度有一定的离散性，平均转动刚度为180N•m/rad。节点对立杆有上翘作用，使得部分立杆初始时并未完全与地面接触。以上原因会导致脚手架整体受力情况比较复杂，影响脚手架的极限承载力，所以脚手架的安全性和节点绑扎质量密切相关。
（4）绑扎节点所用的绑扎带抗拉性能较好，平均极限抗拉力达到0.92kN，但其属于化纤产品，可燃，在脚手架使用过程中，要注意节点防火。而且长期使用时，绑扎节点可能会出现松弛状况，要定期检查节点。
（5） 绑扎式钢管脚手架其具有自重轻、搭设和拆除快速、使用灵活、成本低廉的特点，其结构设计也有特别之处，内排立杆明显少于外排立杆，这样的设计使得施工人员面向墙的操作面积很大，方便了施工。通过研究表明本脚手架的用途应该以装修工程、多层建筑、小高层建筑为主，适合短期施工的工程。在有两层作业层的情况下，搭设高度不宜超过30米。随着研究的越来越深入，相信脚手架的应用也越来越广泛。在国内竹脚手架使用越来越少的背景下，相信绑扎式钢管脚手架在一定程度上可以替代竹脚手架。
（6） 绑扎式钢管脚手架所用的钢管和绑扎带为专门设计，脚手架也需要经过专门培训过的脚手架工人进行搭设，而且之前对于此类脚手架的研究较少，这些原因限制了本类脚手架的推广使用，未来需要对脚手架的构件和绑扎方法形成统一标准，并加强宣传和推广，使人们更加了解此类脚手架。
关键词：绑扎式节点；钢管脚手架；半刚性连接；极限承载力
中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
脚手架是建筑工程为满足施工作业需要而搭设的临时操作平台。在我国，目前常用的脚手架形式有扣件式钢管脚手架、碗扣式钢管脚手架、门式钢管脚手架、竹脚手架和桥式脚手架等。而绑扎式钢管脚手架是在传统竹脚手架的基础上演化而来，用轻质钢管代替竹材，以特制化纤绑扎带替代竹篾，经过对立杆（图1）和水平杆（图2）的绑扎，而搭设成脚手架，以满足建筑施工的需要。其绑扎带和节点形式如图3，图4。绑扎式钢管脚手架结合了竹脚手架和金属脚手架的优点，体现了传承和立异的结合，具有自重轻、搭设和拆除方便、使用灵活等特点。由于新型的脚手架在构件材料、节点形式和结构形状上都发生改变，脚手架的结构性能有待于研究。
本文根据绑扎式钢管脚手架的自身特点，并结合脚手架的实际使用形式，采用试验与理论相结合的研究方式，确定其结构性能。
图1 立杆
图2 水平杆
图3 纤维绑扎带
图4 绑扎节点
2 试验概况
2.1 试验设计
本文采用原型试验方法，主要是为了了解绑扎式钢管脚手架结构在荷载增加过程中的变形特点，确定结构的破坏形态和极限承载力。
为了达到上述试验目的，本文在杆件和纤维绑扎带的材料力学性能试验、绑扎式节点的转动刚度试验和绑扎式节点的抗滑移性能试验的基础上，进行了绑扎式钢管脚手架的整架承载力试验。
2.2 试验准备
2.2.1 脚手架杆件和绑扎带的材料力学性能试验
由于本脚手架所用的杆件与扣件式钢管脚手架所用的杆件不同，需要进行试验，以确定其材料力学性能。试验得到立杆的平均弹性模量E=2.04×105N/mm2，屈服强度fy=220N/mm2；水平杆的平均弹性模量E=2.07×105N/mm2，屈服强度fy=220N/mm2。
同时，随机抽取4根绑扎带，通过在拉伸试验机上做轴向拉伸的方法测定绑扎带的力学性能。脚手架的绑扎带宽约5.2mm，厚约0.8mm。测得绑扎带的平均极限抗拉力为0.92kN，平均拉伸模量为53N/mm2。
2.2.2 绑扎式节点转动刚度试验
图5 绑扎式节点转动刚度试验
脚手架实际绑扎时水平杆倾角一般为30°，所以节点转动刚度以水平杆向上倾斜30°角时为准，进行了12组试验。如图5所示，试验采用杠杆加荷方式，各试验均未发现节点绑扎带松扣或者绑扎带断裂的现象，说明节点的抗扭转破坏能力较强。除去绑扎带后，由于节点转动对绑扎带产生绞紧作用，使得水平杆与立杆接触面相互挤压而产生了塑性变形水平杆的管壁均发生下凹现象，试验测得节点的转动刚度离散型较大，平均转动刚度为180N•m/rad。
2.2.3 绑扎式节点的抗滑移性能试验
绑扎式节点可分为有防滑扣绑扎节点和无防滑扣绑扎节点，如图6、图7所示。
试验测得有防滑块节点的平均抗滑移刚度为160N/mm，如图8。
无防滑扣节点抗滑移试验以施加的侧推荷载的最大值作为节点的抗滑移承载力。试验结果显示，节点的抗滑刚度离散性很大，主要是因为其抗滑移性能与绑扎质量有关，但总体抗滑移承载力略高于1kN，如图9。
图6 有防滑块节点抗滑移试验
图7 无防滑块节点抗滑移试验
图 8 有防滑扣绑扎节点抗滑移性能试验 图 9 无防滑扣绑扎节点抗滑移性能试验
图10 测点布置图
2.3 绑扎式钢管脚手架整架承载力试验
本文进行了二组脚手架整架试验，脚手架排距0.7米，外排立杆跨距0.75米。内排立杆跨距1.5米，脚手架步距2.1米，外排脚手架每步之间设置两道纵向水平杆，距离0.7米。内、外排每增加高度2.1米处设置横向水平杆分别连接内排立杆和外排立杆或外排立杆和内排水平杆。脚手架共5跨，总长为7.5米，总高度为12.6米，交叉支撑为外排单侧设置，测点布置图如图10所示。
为得到脚手架的失稳模式和极限承载力，方案Ⅰ为破坏试验，连墙件为常规两跨距两步设置，试验采用逐级加荷的方式，由两个千斤顶同时加载，总荷载从0kN到100kN时，每级荷载为20kN。100kN以后，每级荷载变为10kN，直至结构失稳破坏。
方案Ⅱ连墙件为两跨距两步设置，需要施加两层2kN/m2的均布荷载，均布荷载由沙袋提供，配合千斤顶模拟30米高脚手架两层同时作业时的受力状态。
在方案Ⅰ试验过程中，加荷初期，立杆应力和水平方向的位移随荷载的增加基本呈线性增长，肉眼观察结构无明显变形，能够听见绑扎带绞紧和杆件互相摩擦的声音，当所加总荷载约80kN时，电阻位移计测得脚手架水平位移开始呈现非线性变化，当加载至100kN时，肉眼可见边跨立杆在脚手架平面外弯曲变形明显；加载至120kN时，整架边跨立杆在平面外弯曲变形发展迅速；加载至150kN时，脚手架发生了平面外大波失稳破坏，破坏位置在第一、二步，半波长为相邻连墙件间两步杆件的长度，反弯点在连墙件与立杆的连接位置处。此时通过位移测点得出数据可知，立杆最大水平位移值出现在测点6，位移值为82mm。脚手架的立杆荷载-位移曲线如图11，失稳模式如图12。
在方案Ⅱ试验中，由千斤顶施加15kN的荷载（约相当于17.4米架高的自重），此时，观察脚手架无明显弯曲变形，经测得脚手架最大弯曲变形出现在位移9号测点，为27mm，脚手架未发生失稳破坏。说明脚手架在搭30米高，同时有两层作业层，作业层施工均布荷载标准值为2kN/m2时，脚手架所受到的荷载未使其达到失稳破坏。
对采集的数据进行分析，可知在脚手架发生失稳破坏前，结构基本处于弹性工作状态。试验脚手架发生失稳破坏时，立杆底部应力均在60N/mm2以下。
试验方案的荷载-应变曲线如图13。可以看出总体上后排立杆应变大于前排立杆，主要是由于前后两排立杆数目不同（前排11根立杆，后排6根立杆），会造成结构受力不均，同时脚手架的节点是由人工绑扎而成，与绑扎技术有较大关系，使得节点性能有一定的离散性，且绑扎时水平杆上倾下压后绑扎的方法会对内排立杆有向上力的作用。
a） 前排立杆
b） 后排立杆
图13 方案Ⅰ杆件荷载-应变曲线
3绑扎式钢管脚手架有限元分析
a） 立体图
b） 侧立面
c） 正立面
图14 试验方案Ⅰ的Ansys有限元分析模型
以尽量与脚手架结构实验情况相吻合为原则，对两组试验模型进行了有限元模型的建立，如图14,。通过计算结果分析方案Ⅰ极限承载力达到174.99kN，如图15。实验中两个方案都是以结构失稳破坏时前一级荷载作为其极限承载力值（每级荷载相差10kN），而理论分析的极限承载力是有限元模型失稳破坏时直接计算出来的承载力，同时试验加载装置的重量约为15kN，在试验中未计算在内。故对试验方案Ⅰ脚手架极限承载力进行修正，修正结果为165kN，得出试验值与理论值相差5.7%。有限元分析脚手架的失稳模式为平面外大波失稳破坏，失稳模式与试验结果相吻合，如图16。
4 结论
本文对脚手架杆件和绑扎带的材料力学性能、节点转动刚度、抗滑移刚度进行了试验研究，并对脚手架整架试验，通过有限元分析验证了试验结果，得到以下结论：
（1） 本文研究的绑扎式钢管脚手架结构的失稳模式为相邻连墙件间立杆平面外大波失稳，失稳模态取决于连墙件的布置形式，极限承载力取决于脚手架平面外的刚度。试验方案Ⅰ极限承载力为165kN（修正后）。腳手架发生失稳破坏时，立杆底部应力均在60N/mm2以下。
（2） 试验方案Ⅱ对脚手架结构进行均布荷载的布置，通过试验分析，可说明30米高绑扎式脚手架施加两层均布荷载（每层2kN/m2），结构无明显变形，脚手架未达到失稳破坏。
（3） 脚手架的节点通过人工绑扎而成，属于半刚性节点。试验测得有防滑扣节点的平均抗滑移刚度为160N/mm；无防滑扣的节点抗滑移极限承载力为1kN，节点转动刚度有一定的离散性，平均转动刚度为180N•m/rad。节点对立杆有上翘作用，使得部分立杆初始时并未完全与地面接触。以上原因会导致脚手架整体受力情况比较复杂，影响脚手架的极限承载力，所以脚手架的安全性和节点绑扎质量密切相关。
（4）绑扎节点所用的绑扎带抗拉性能较好，平均极限抗拉力达到0.92kN，但其属于化纤产品，可燃，在脚手架使用过程中，要注意节点防火。而且长期使用时，绑扎节点可能会出现松弛状况，要定期检查节点。
（5） 绑扎式钢管脚手架其具有自重轻、搭设和拆除快速、使用灵活、成本低廉的特点，其结构设计也有特别之处，内排立杆明显少于外排立杆，这样的设计使得施工人员面向墙的操作面积很大，方便了施工。通过研究表明本脚手架的用途应该以装修工程、多层建筑、小高层建筑为主，适合短期施工的工程。在有两层作业层的情况下，搭设高度不宜超过30米。随着研究的越来越深入，相信脚手架的应用也越来越广泛。在国内竹脚手架使用越来越少的背景下，相信绑扎式钢管脚手架在一定程度上可以替代竹脚手架。
（6） 绑扎式钢管脚手架所用的钢管和绑扎带为专门设计，脚手架也需要经过专门培训过的脚手架工人进行搭设，而且之前对于此类脚手架的研究较少，这些原因限制了本类脚手架的推广使用，未来需要对脚手架的构件和绑扎方法形成统一标准，并加强宣传和推广，使人们更加了解此类脚手架。