脚手架安全状态力学性能试验方法与流程

本发明涉及脚手架力学性能测试技术领域，尤其涉及脚手架安全状态力学性能试验方法。

背景技术：

目前国民经济高速发展，随着建筑业以及基础建设规模的发展扩大，脚手架的施工安全也成为人们关注的重点。近年来，我国扣件式钢管脚手架倒塌事故呈现明显的上升趋势。

针对这种情况，对于扣件式脚手架对接扣件或直角扣件在安全状态下进行力学实验就很有必要，采用现有钢管脚手架材料特点和搭设的技术要求，同时结合实验室的实验条件，对扣件式钢管脚手架钢管和扣件的材料性能进行了系统的试验研究。

通过对扣件式钢管脚手架钢管和扣件力学性能的试验研究，拟达到以下目的：(1)通过实验对脚手架搭接方式对脚手架承载力的影响进行分析；(2)确定扣件节点在不同拧紧力矩下的力学特征。针对实验结果进行调整，从而减少扣件式钢管脚手架倒塌事故的发生，提高施工的安全性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供脚手架安全状态力学性能试验方法，旨在解决现有技术中扣件式钢管脚手架在安全状态下，进行力学性能试验的问题。

根据本发明实施例的脚手架安全状态力学性能试验方法，包括以下步骤：

1)、进行试验模型的搭建，并且在扣件的螺栓处安置垫片式压力传感器，外接静态应变测试采集仪器；

2)、使用扭力扳手调整拧紧力矩，并在荷载p范围内使用压力机逐级施加压力，并观察采集数据情况；

3)、卸荷，并且将扣件处的拧紧力矩分别调整到其它力矩，重复试验。

进一步的，所述试验模型包括对接扣件纯弯曲作用实验模型、直角扣件竖向荷载作用实验模型、对接/直角扣件竖向荷载作用实验模型。

进一步的，所述对接扣件纯弯曲作用实验模型包括压力机、施力座和一组采用对接扣件连接的纵向水平杆，所述施力座位于纵向水平杆的顶部通过压力机向该组纵向水平杆施加压力。

进一步的，所述施力座包括座体和平行安装在座体底部两侧的压力板，所述压力板与纵向水平杆相互垂直，所述对接扣件位于座体底部两侧的压力板的中间位置，所述压力机的输出端位于座体的正上方。

进一步的，所述直角扣件竖向荷载作用实验模型包括由立杆、纵向水平杆、横向水平杆和直角扣件搭建而成的矩形框架、平行安装在矩形框架的顶部的一组施力杆件和压力机，所述压力机的施力点位于施力杆件的中部。

进一步的，所述施力杆件与纵向水平杆平行，所述直角扣件安装在立杆、纵向水平杆、横向水平杆三杆紧靠的扣接点处。

进一步的，所述对接/直角扣件竖向荷载作用实验模型包括由立杆、采用对接扣件连接的纵向水平杆、横向水平杆和直角扣件搭建而成的矩形框架、平行安装在矩形框架的顶部的一组施力杆件和压力机，所述压力机的施力点位于施力杆件的中部。

进一步的，所述拧紧力矩的调节范围为20-50n.m。

进一步的，所述对接扣件纯弯曲作用实验模型的荷载p范围值是0-5kn，所述直角扣件竖向荷载作用实验模型的荷载p范围值是0-20kn，所述对接/直角扣件竖向荷载作用实验模型的荷载p范围值是0-6kn。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：采用该脚手架安全状态力学性能试验方法，通过搭建对接扣件纯弯曲作用实验模型、直角扣件竖向荷载作用实验模型、对接/直角扣件竖向荷载作用实验模型进行试验，通过调整拧紧力矩和压力机逐级施压，由扣件的螺栓处安置垫片式压力传感器采集压力信息，从而得到脚手架安全状态力学性能的实验结果，为施工工程的脚手架的安全性能提供指导作用。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提出的脚手架安全状态力学性能试验方法的结构示意图；

图2为本发明提出的脚手架安全状态力学性能试验方法的立体结构示意图；

图3为本发明提出的脚手架安全状态力学性能试验方法的实验模型结构示意图；

图4为对接扣件纯弯曲作用实验中对接扣件一在不同工况下加载曲线；

图5为对接扣件纯弯曲作用实验中对接扣件二在不同工况下加载曲线；

图6为直角扣件竖向荷载作用实验中直角扣件的一号传感器在不同工况下加载曲线；

图7为直角扣件竖向荷载作用实验中直角扣件的二号传感器在不同工况下加载曲线；

图8为对接/直角扣件竖向荷载作用实验中对接扣件三在不同工况下加载曲线；

图9为对接/直角扣件竖向荷载作用实验中对接扣件四在不同工况下加载曲线。

图中：1-对接扣件一、2-对接扣件二、3-直角扣件、4-对接扣件三、5-对接扣件四、6-一号传感器、7-二号传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

该脚手架安全状态力学性能试验方法，包括以下步骤：

1)、进行试验模型的搭建，并且在扣件的螺栓处安置垫片式压力传感器，外接静态应变测试采集仪器；

2)、使用扭力扳手调整拧紧力矩，并在荷载p范围内使用压力机逐级施加压力，并观察采集数据情况；

3)、卸荷，并且将扣件处的拧紧力矩分别调整到其它力矩，重复试验。

试验模型包括对接扣件纯弯曲作用实验模型、直角扣件竖向荷载作用实验模型、对接/直角扣件竖向荷载作用实验模型。实验共进行了3组，实验时使用相同钢管，不同扣件，对扣件在拧紧力矩为20、30、40、50n.m的四种情况进行监测，为准确地反映施工现场的实际情况，本实施例试验模型所用钢管及扣件均为施工场地使用中的旧钢管及扣件，现场随机抽取。其单杆稳定承载力试验和搭接方式对承载力的影响试验所需材料及扣件均由该施工场地提供，扣件实验在北京科技大学结构实验室进行。

本实施例中，根据《建筑施工脚手架安全技术统一标准》gb51210-2016，钢管外径48.3mm，允许偏差±0.5mm；壁厚3.6mm，允许偏差±0.36mm。本次试验所用钢管均为施工场地使用中的旧钢管，最大壁厚为3.7mm，最小壁厚为3.35mm，最大钢管外径为48.55mm，最小钢管外径为48.2mm，均符合规范要求。

试验所用扣件同样来源于施工现场，扣件质量应符合《钢管脚手架扣件》等有关要求，扣件不应有螺栓滑丝、松动等现象，扣件表面无生锈、无裂缝，本次扣件分为直角扣件和对接扣件，直角扣件用于垂直交叉杆件之间的连接(水平杆与立杆连接)，对接扣件用于横杆与横杆之间的连接。试验扣件进场时应仔细检查，确保扣件的质量和尺寸符合要求。

试验模型由施工人员搭设，部分由实验室人员搭设，搭设的偏差由目测控制，垂直偏差由线锤校准，扣件拧紧力矩用扭力扳手控制。杆件试验加载装置主要是液压千斤顶，扣件由压力传感器控制荷载变化情况。

参照图1，对接扣件纯弯曲作用实验模型包括压力机(图中未标号)、施力座(图中未标号)和一组采用对接扣件连接的纵向水平杆，一组采用对接扣件连接的纵向水平杆上分别设有对接扣件一1、对接扣件二2，采用对接扣件连接的纵向水平杆的长度为2200mm，施力座位于纵向水平杆的顶部通过压力机向该组纵向水平杆施加压力，施力座包括座体和平行安装在座体底部两侧的压力板，两侧压力板距离纵向水平杆端点的长度为800mm，压力板与纵向水平杆相互垂直，对接扣件位于座体底部两侧的压力板的中间位置，压力机的输出端位于座体的正上方。

参照图2，直角扣件竖向荷载作用实验模型包括由立杆、纵向水平杆、横向水平杆和直角扣件3搭建而成的矩形框架、平行安装在矩形框架的顶部的一组施力杆件和压力机，纵向水平杆的长度为850mm、宽度为900mm，直角扣件3上设有一号传感器6和二号传感器7，压力机的施力点位于施力杆件的中部，施力杆件与纵向水平杆平行，直角扣件3安装在立杆、纵向水平杆、横向水平杆三杆紧靠的扣接点处。

参照图3，对接/直角扣件竖向荷载作用实验模型包括由立杆、一组采用对接扣件三4、对接扣件四5连接的纵向水平杆、横向水平杆和直角扣件搭建而成的矩形框架、平行安装在矩形框架的顶部的一组施力杆件和压力机，此矩形框架的长度为2700mm，宽度为900mm，压力机的施力点位于施力杆件的中部，对接扣件三4、对接扣件四5位于受力点左侧200mm处。

在固定结点安置压力传感器，安装方式为在扣件螺栓处安置传感器。扣件分别按拧紧力矩为20,30,40,50n.m进行紧固，压力传感器得到初始压力值，并且分别进行4次不同实验，进行对比分析。实验过程为用压力机逐级施加荷载p，得到在荷载p作用下，传感器所受压力值，从而得到扣件在不同拧紧力矩的情况下，受到外荷载时的受压紧固情况。

不同试验方案进行施加荷载范围见下表。

拧紧力矩的调节范围为20-50n.m，对接扣件纯弯曲作用实验模型的荷载p范围值是0-5kn，直角扣件竖向荷载作用实验模型的荷载p范围值是0-20kn，对接/直角扣件竖向荷载作用实验模型的荷载p范围值是0-6kn。本次试验分步进行，第一步，进行试验模型的搭建，并且在扣件的螺栓处安置垫片式压力传感器，外接静态应变测试采集仪器；第二步，使用扭力扳手调整拧紧力矩为20n.m，并在荷载p范围内使用压力机逐级施加压力，并观察采集数据情况；第三步，卸荷，并且将扣件处的拧紧力矩分别调整到30、40n.m，重复试验。

(1)对接扣件纯弯曲作用试验过程及结果分析：

分别在20n.m，30n.m，40n.m，50n.m的条件下，对所搭建的结构施加压力值，随着压力值p的增加，节点连接处呈现明显的弯折现象。

根据图4和图5可以看出，在对接扣件纯弯曲荷载作用下，不同拧紧力矩下都有不同的拐点，图4中对接扣件二2的加载曲线更为直观，加载到0.5kn左右，到达拐点，随后斜率呈线性增长。这说明在受力初期半刚性节点刚度较低，并且扭力扳手达到规定的拧紧力矩值后存在卸荷的状态，随着加载的持续，节点处被抵紧，节点处所受压力值迅速增大。

同时，拧紧力矩越小，随着竖向荷载增加，斜率增长越快，越早达到弯折状态，而初始拧紧力矩越大，拐点越向后移，卸荷状态持续时间长。

(2)直角扣件竖向荷载作用试验过程及结果分析：

分别在20n.m，30n.m，40n.m，50n.m的条件下，对所搭建的结构施加压力值，随着压力值p的增加，外载加载到15kn时，杆件横杆已发生挠曲变形。

根据图6和图7，直角扣件在外荷载加载过程中，扣件所受压力值变化较小，其中，如图7所示，在20n.m作用下，外载加载到15kn，形成拐点时，杆件横杆已发生挠曲变形。直角扣件在整个加载过程中，发生松弛现象，尤其是20n.m，30n.m初始拧紧力矩作用下，现象较为明显。

(3)对接/直角扣件竖向荷载作用试验过程及结果分析：

该实验方案中，在集中荷载作用下，由直角扣件所受的力传导到对接扣件后，根据图8和图9，扣件所受压力值几乎无变化。相比较之下，杆件的挠曲变形更大。

总结：脚手架是一种超静定结构，其在服役过程中，整体框架结构处于稳定状态(应力/位移变化小)，应力/位移不会发生变化或发生很小的变化，当外界扰动过大，这种结构会产生突变(位移变化大)。

(1)在上述各实验方案中，其中对接扣件纯弯曲荷载作用下，拧紧力矩越小，随着竖向荷载增加，斜率增长越快。且相较于直角扣件，对对接扣件的直接荷载作用，脚手架结构更容易受到破坏。

(2)由直角扣件受力时，压力变化较小，同样的，由直角扣件受力传导到对接扣件，对接扣件的压力值几乎无变化。

综上所述，在脚手架静力加载过程中，对接扣件的变化对于整体影响更大，也与工程的安全关系更紧密。

采用该脚手架安全状态力学性能试验方法，通过搭建对接扣件纯弯曲作用实验模型、直角扣件竖向荷载作用实验模型、对接/直角扣件竖向荷载作用实验模型进行试验，通过调整拧紧力矩和压力机逐级施压，由扣件的螺栓处安置垫片式压力传感器采集压力信息，从而得到脚手架安全状态力学性能的实验结果，为施工工程的脚手架的安全性能提供指导作用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。