0 引言

满堂支架法是桥梁施工中较为常见的施工方法，该施工方法是按一定间隔密布搭设起支撑作用的脚手架，将上部荷载传至地基^[1-4]。桥梁施工中常采用的支架种类为扣件式钢管支架、碗扣式钢管支架、门式钢管支架和盘扣支架。其中，盘扣支架作为一种新型的产品形式，在承载能力、材料用量、搭设速度、安全性及外观方面优势明显^[4-8]，近些年在支架施工中异军突起，大受青睐^[1]。但因其造价比较高，租赁单价明显高于其他常用支架，一时无法在桥梁工程上实现大规模推广使用。

因此，本研究通过对某桥梁工程中盘扣支架的构配件质量测试、节点刚度试验和整架承载能力试验研究，分析盘扣支架的受力性能和结构适用性，总结盘扣支架在桥梁工程中的应用情况，探讨其推广利用价值。

1 结构特点

根据规范^[9-10]可知，盘扣支架构配件主要包括立杆、水平杆、斜杆、可调底座、可调托撑、连接盘等，其结构特点见表 1，节点构造如图 1所示。

从表 1可知，盘扣支架立杆采用的是Q345钢材，普通立杆(截面为48.3 mm×3.2 mm)横截面积为453 mm²，其单根立杆理论极限承载力为135 kN，满足桥梁工程中对承重支架的承载力要求。盘扣支架是采用热浸镀锌，其防腐蚀能力强，耐久性好，可以减少维修保养成本，延长使用寿命。同时，盘扣支架节点间距模数为0.5 m，布置比较灵活；采用斜撑形式，可以使每个搭设单元形成一个稳定体系，支架结构的安全性和稳定性更容易得到保证^[11-12]。因此，盘扣支架的结构特点在桥梁工程应用中具有一定的优势。

2 构配件质量测试

本研究针对某现浇混凝土桥梁工程(以下依托工程)中使用的盘扣支架，对其构配件质量进行了随机测试，主要包括外观质量、几何尺寸及力学性能3个方面。

2.1 外观质量

从现场调查结果来看，盘扣支架可调底座中，约90%的底板变形超过了规范^[9-10]要求的1 mm; 部分可调底座的底板存在少量变形以及部分构配件外观留有少量混凝土污泽等情况，其他外观指标均满足要求。

2.2 几何尺寸

从依托工程现场随机抽取了2 m立杆60根、1 m立杆20根、1.5 m横杆21根、1.2 m横杆124根、0.9 m横杆54根、0.6 m横杆15根、0.9 m×1.5 m斜杆31个、1.2 m×1.5 m斜杆86个、1.5 m×1.5 m斜杆20个、连接盘109个、防拔出销104个、可调底座21个、可调托撑21个，对其几何尺寸进行了检测。根据规范^[9-10]的相关要求，现将部分测试结果与规范值相对比，分析目前盘扣支架市场的产品质量。

盘扣支架立杆部分关键技术指标检测结果如图 2所示。盘扣立杆的外径、壁厚、直线度和连接套管外伸长度虽不满足规范比例分别为26.7%，55%，11.1%和8.7%(见表 2)，但是从图 2中可以看出其中有大部分是超过了技术指标的上限值而不是下限值，这将增加单根立杆的极限承载力，对于结构整体受力是有益的。以盘扣支架立杆横截面积最不利值考虑，规格ϕ48.25 mm×3.04 mm的立杆比规范要求ϕ48.3 mm×3.2 mm的承压面积减少1.9%，但因此引起的单根立杆的承载力几乎没有影响。

2.3 力学性能

根据盘扣支架规范^[10]中的构件强度要求，从依托工程现场随机选择4~24组构配件进行插销抗拔力、水平杆接头强度等9项力学指标性能进行试验，试验结果如表 3所示。

从表 3中力学性能试验结果看出：除插销抗拔力及连接盘双侧抗剪强度分别有2组不满足规范要求外，其余检测项目均满足规范要求。盘扣支架插销抗拔力与连接盘双侧抗剪强度不满足规范要求，会减低盘扣支架的节点刚度。

3 节点刚度 3.1 试验

在依托工程中随机挑选8组盘扣支架的构配件组成节点进行节点刚度试验，试验结果见表 4，结果分析如图 3所示。

由表 4可知，此8组节点刚度试验节点刚度的平均K值为27.4 kN·m/rad，建议取值27 kN·m/rad。因此，满足规范^[13-14]中盘扣支架的节点刚度为20 kN·m/rad的相关规定。

3.2 有限元分析

为研究盘扣支架节点刚度对其整架承载力的影响，本研究根据盘扣支架的结构特点、规范要求和实际搭设情况，通过MiDas Civil有限元分析软件建立盘扣支架半刚性节点空间模型进行分析。模型建立原则如下：

(1) 利用Midas Civil有限元软件中的梁单元模拟盘扣支架的立杆和横杆。

(2) 盘扣支架为三维空间杆系结构，立杆底部铰接，顶端自由且在横向方向设置工字钢梁(工字钢截面特性采用10^#钢)，模拟承重支架实际施工受力。

(3) 立杆与立杆之间为刚接，立杆与水平杆和斜杆之间为半刚性连接，可以用释放梁端约束来实现，释放方向为梁单元Y方向，其X，Z方向均设置为刚接。

(4) 根据规范要求，盘扣支架基准模型每层设置竖向斜杆，每隔4个步距设置一层水平斜杆。

(5) 基准模型基本参数为:立杆、水平杆、竖向斜杆和水平斜杆的钢管材质分别为Q345A、Q235A、Q195A和Q235B；立杆、水平杆、竖向斜杆和水平斜杆的钢管标准截面尺寸为ϕ48 mm×3.2 mm、ϕ42 mm×2.5 mm、ϕ33 mm×2.3 mm和ϕ42 mm×2.5 mm；其他设计参数详见表 5。

(6) 考虑由施工时混凝土的振动、冲击、不均匀恒载等未预见因素产生的水平恒载作用，其标准值取2.5%的垂直永久恒载标准值^[15]，即2.5%的新浇注的钢筋混凝土自重标准值，分别获同时施加在整体坐标下立杆顶端的X和Y方向。

因此，分别建立水平杆和斜杆与立杆之间节点刚度为0~50 kN·m/rad，共12种工况，计算结果如表 6所示。

由表 6和图 4可知，盘扣支架随着水平杆和斜杆与立杆之间节点刚度的增加，其极限承载力也在不断增大，呈非线性增长。而规范计算值则不变，因此当节点变为铰接时，其极限承载力为48.38 kN，此时安全系数仅为1.59，远远小于规范中安全系数为2的要求；当节点刚度为20 kN·m/rad时，其极限承载力为61.68 kN，此时安全系数仅为2.03，满足规范要求2；当节点刚度超过30 kN·m/rad时，其极限承载力增长缓慢，当达到50 kN·m/rad时，与节点刚度为30 kN·m/rad相比增长率约为5%。同时，结合以上节点刚度试验，说明目前的盘扣支架的节点刚度满足整架承载力要求。

4 整架荷载试验

为了研究盘扣支架竖向破坏加载对其整架失稳模式的影响，并分析其工作性能。在考虑试验的真实性和可操作性的基础上，开展盘扣支架1：1足尺模型试验研究，模型设计参数如表 7所示。其位移测点布置如图 5所示，加载装置和破坏形态如图 5所示。

在盘扣支架破坏试验中，当荷载施加到支架极限荷载688 kN时，支架横向顶部侧向位移快速增加，支架主要发生y(横向)方向整体屈曲破坏，因斜撑布置周密且支架底部约束较强，故失稳形式主要呈现出支架顶部悬臂端失稳，最大位移为9.5 cm，发生在标高5.60 m处，在x(纵向)方向位移很小。

盘扣支架极限承载力试验值和计算值见表 8，可知，盘扣支架单根立杆极限承载力试验值为111.3 kN，是规范计算值69.67 kN的1.6倍，说明规范计算值具有一定的安全储备，适用于实际工程计算。

5 施工性能

由盘扣支架结构特点分析可知，其普通单根立杆极限承载力可以达到135 kN；剪刀撑采用斜杆形式，搭设比较灵活，稳定性比较好；同时横杆的长度规格有1.2 m，1.5 m及1.8 m。因此，在实际施工中可以“田”字形进行塔状搭设，施工比较方便。

根据对某桥梁工程中两个标准施工阶段中碗扣支架和盘扣支架的搭设效率进行统计发现，盘扣支架的搭设效率大约是碗扣支架的2倍。其原因为，按相关规范^[16]要求普通碗扣支架单根立杆的承载力为101 kN，相比之下盘扣支架的极限承载力比较高，减少了支架总用钢量；同时盘扣支架搭设工艺简单，安装较为方便，施工质量容易控制^[10]。因此，盘扣支架的施工性能具有一定的优势。

6 结论

本研究从结构性能、构配件质量检测、节点刚度试验、整架荷载试验、施工性能等方面对承插式盘扣支架进行了分析研究，得出如下结论。

(1) 盘扣支架采用热浸镀锌钢管，其防腐蚀能力强，耐久性好，维修保养成本较低。与常规碗扣支架相比，盘扣支架的剪刀撑采用斜杆形式，搭设较为灵活，稳定性能好，且单根立杆的承载能力较大，减少了支架总用钢量。同时，搭设工艺简单、安装质量易于控制、施工效率高，具有较为明显的技术优势。

(2) 盘扣支架构配件的外观、几何尺寸、力学性能等指标的现场检测结果基本满足规范要求，且部分关键指标明显超出规范要求的技术指标上限值，增大了单根立杆的承载能力富余度。

(3) 通过8组盘扣支架节点刚度的试验测试结果可知，目前施工现场所采用的盘扣支架节点刚度平均值约为27 kN·m/rad，约为规范要求的1.4倍。

(4) 针对3个步距的盘扣支架足尺模型，采用竖向、水平双向同时加载，支架破坏形式呈现为顶部立杆局部失稳，整体支架的极限承载能力为规范计算值的1.6倍，具有较大的安全储备。

综上所述，盘扣支架作为一种新型的承重支架形式，在承载能力、材料用量、搭设速度、安全性等方面具有明显优势，总体上而言，其力学性能和施工性能均优于碗扣支架，在桥梁工程中具有广泛的推广价值。