承插型盘扣式钢管支架盘扣节点扭矩转角模型适用性研究学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于《西安建筑科技大学学报（自然科学版）》2020年第52卷第2期，由河南工业大学陈桂香、郭泽群、胡德平与中铁十六局集团有限公司徐晨合作完成。研究针对承插型盘扣式钢管支架的盘扣节点，通过抗扭试验获取扭矩转角数学模型，并通过架体荷载试验和有限元数值计算对比分析三种模型的适用性。

承插型盘扣式钢管支架是近年来在建筑施工中广泛应用的新型脚手架体系，其核心特点是采用承插连接方式，通过盘扣节点实现立杆与横杆的快速连接。盘扣节点是架体的关键受力构件，其半刚性特性（即既非完全刚性也非完全铰接）对架体的整体力学性能有显著影响。在架体的精确数值分析中，盘扣节点的扭矩转角模型选择直接影响计算结果的准确性，进而影响架体的设计安全和使用可靠性。

盘扣节点构造与力学特性

节点构造

承插型盘扣式钢管支架的盘扣节点由立杆上的圆盘（盘扣）和横杆上的插销（或称为连接插销）组成。横杆端部的插销插入立杆圆盘上的孔位，通过插销与孔壁的摩擦力传递扭矩。这种连接方式无需焊接，现场组装快捷，是盘扣式支架的核心优势。

从钢管制造的角度看，盘扣节点的力学性能与以下制造因素密切相关：

1. 立杆圆盘的加工精度：圆盘上孔位的尺寸精度、孔壁的粗糙度直接影响插销与孔壁的接触状态和摩擦系数。
2. 插销的几何精度：插销的直径、长度、表面粗糙度影响其与孔壁的啮合状态。
3. 立杆钢管的壁厚和材质：立杆钢管的壁厚影响圆盘区域的承载能力，材质影响节点的疲劳性能。
4. 过盈装配量：插销与孔位之间的过盈量影响节点的初始预紧力和摩擦传力能力。

半刚性特性

盘扣节点的半刚性特性意味着：在扭矩作用下，节点会产生一定的转角，而非完全刚性连接（转角为零）或完全铰接（无扭矩传递）。这种半刚性特性对架体的整体刚度、承载力和稳定性有显著影响。如果数值分析中错误地将节点假设为完全刚性或完全铰接，计算结果将产生较大偏差，可能导致架体设计不安全或过度保守。

扭矩转角数学模型

三种模型的对比

研究通过盘扣节点抗扭试验，采用数理统计方法获取了三种扭矩转角数学模型：

模型适用性分析

研究通过架体荷载试验和有限元数值计算，对比分析了三种模型的适用性。结果表明：

1. 单线性模型：当参数选取合理时，架体有限元数值计算结果可满足实际工程对稳定承载力的精度要求，但精度相对较低，适用于初步设计阶段。
2. 三线性模型：精度优于单线性模型，能够较好地反映节点在不同扭矩阶段的刚度变化，适用于详细设计阶段。
3. 二参数对数模型：架体极限稳定承载力有限元数值计算值与试验值吻合性最好，精度最高，适用于精确分析和安全评估。

从钢管制造与焊接技术的角度看，盘扣节点模型的选择与节点的制造质量密切相关。如果节点的制造精度较高（如孔位尺寸精度高、插销表面粗糙度低），节点的摩擦传力能力较强，扭矩转角曲线可能更接近单线性模型；反之，如果制造精度较低，节点的初始间隙较大，扭矩转角曲线可能呈现明显的非线性特征，需要采用三线性或对数模型来描述。

试验与数值分析的偏差分析

架体侧移和节点扭矩的计算偏差

研究发现，由于立杆荷载分配不均、上下立杆连接半刚性、构件间隙和过盈装配等因素，架体侧移和盘扣节点扭矩的有限元数值计算值与试验值相差明显。这一发现具有重要的工程意义，说明架体的实际受力状态比理论模型更为复杂。

从钢管制造的角度分析，以下制造因素可能导致计算与试验的偏差：

1. 立杆荷载分配不均：立杆的长度偏差、底座不平、地基沉降等因素导致立杆荷载分配不均，影响架体的整体受力状态。
2. 上下立杆连接半刚性：立杆之间的连接（如对接套管连接）并非完全刚性，连接处的间隙和摩擦状态影响立杆的连续性和承载力。
3. 构件间隙：横杆与立杆之间的间隙、立杆与底座之间的间隙等，影响架体的整体刚度和稳定性。
4. 过盈装配量：插销与孔位之间的过盈量影响节点的初始预紧力，过盈量不足会导致节点松动，过盈量过大可能导致插销变形。

系数修正法

针对上述偏差，研究采用系数修正法对有限元数值计算结果进行了修正。系数修正法是一种工程实用的方法，通过试验数据确定修正系数，对有限元计算结果进行修正，以提高计算精度。

从钢管制造与焊接技术的角度看，系数修正法的实施需要考虑以下因素：

1. 制造公差的影响：钢管的尺寸公差、圆度偏差等制造公差影响架体的几何精度，进而影响计算结果。建议在有限元模型中引入制造公差的影响，或采用蒙特卡洛方法评估公差对架体性能的影响。
2. 焊接质量的影响：立杆套管连接处的焊接质量影响连接的刚度和承载力。建议在有限元模型中考虑焊接残余应力和焊缝缺陷的影响。
3. 材料性能离散性：钢管的材质力学性能存在离散性，不同批次的钢管屈服强度、弹性模量等参数可能不同。建议在有限元模型中采用材料参数的概率分布，而非单一确定值。

与钢管制造和焊接技术的关联

盘扣节点制造质量控制

盘扣节点的制造质量直接影响架体的力学性能。建议从以下方面加强质量控制：

1. 立杆圆盘加工精度：圆盘上孔位的直径公差应控制在±0.1mm以内，孔壁粗糙度应控制在Ra1.6以下，以确保插销与孔壁的接触状态良好。
2. 插销制造精度：插销的直径公差应控制在±0.05mm以内，表面粗糙度应控制在Ra0.8以下，表面应进行硬化处理以提高耐磨性。
3. 过盈装配量控制：插销与孔位之间的过盈量应控制在0.05-0.15mm范围内，过小会导致节点松动，过大会导致插销变形。
4. 立杆钢管壁厚：立杆钢管的壁厚应满足设计要求，壁厚偏薄会降低圆盘区域的承载能力，建议壁厚公差控制在±10%以内。

立杆套管连接焊接质量

立杆之间的套管连接通常采用焊接方式，焊接质量直接影响立杆的连续性和承载力。建议采用以下焊接工艺：

学习心得与启示

通过研读本文，我认识到盘扣式钢管支架的力学性能分析是一个涉及材料、制造、连接和施工的多因素问题。盘扣节点的扭矩转角模型选择是架体力学分析的关键环节，不同模型在不同精度要求下的适用性不同。从钢管制造与焊接技术的角度看，节点的制造精度和焊接质量对架体的力学性能有显著影响，建议在制造过程中严格控制以下方面：

第一，立杆圆盘和插销的加工精度应满足设计要求，过盈装配量应控制在合理范围内，以确保节点的摩擦传力能力。

第二，立杆套管连接处的焊接质量应严格把控，焊缝应进行100%无损检测，确保无裂纹、未熔合等缺陷。

第三，有限元分析模型应充分考虑制造公差、焊接质量和材料性能离散性的影响，采用系数修正法或概率方法提高计算精度。

第四，建议在后续研究中开展盘扣节点的疲劳试验，评估节点在反复荷载下的耐久性能，为架体的长期使用提供数据支撑。

总之，承插型盘扣式钢管支架作为一种新型脚手架体系，其力学性能分析需要综合考虑节点特性、制造质量和施工因素，实现"设计-制造-施工"的一体化优化，从而确保架体的安全使用和可靠性能。