碗扣式支架因其节点构造合理、承载能力大、构件系列化与标准化、拼装速度快、搭设效率高、自锁性能好、组架形式灵活等诸多优势^[1], 但由于目前市场上的碗扣式支架大多周转重复使用很多年, 其构配件的物理性能已大幅折减, 容易发生支架垮塌等工程事故。

盘扣式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, 逐步取代碗扣式支架应是大势所趋^[2]。但因其生产成本高, 租赁单价明显高于碗扣式支架, 大规模的推广应用存在较大阻力。

因此, 本文通过对2种支架的结构特点、力学性能、施工性能和经济性能进行全面对比与分析, 总结碗扣式支架存在的主要问题, 并探讨盘扣式支架的推广应用前景。

根据规范^[3,4]对比分析碗扣式支架和盘扣式支架的主要结构特点, 如表1所示。

从表1可知:

1) 碗扣式支架钢管采用Q235A, 而盘扣式支架采用Q345A;与此同时碗扣式支架立杆横截面面积为489mm², 盘扣式支架普通立杆横截面面积为453mm², 这2种支架普通立杆的横截面面积相差不大, 而采用的钢材却相差1个等级, 这说明碗扣式支架的单根立杆承载力小于盘扣式支架。

2) 碗扣式支架采用油漆维护构配件, 而盘扣式支架采用热浸镀锌, 其防腐蚀能力优于碗扣式支架, 耐久性好。

3) 碗扣式支架节点间距模数为0.6m, 采用大剪刀撑形式;而盘扣式支架节点间距模数为0.5m, 采用斜撑形式。相比之下, 盘扣式支架布置更加灵活。碗扣式支架采用大剪刀撑形式, 容易使局部存在不稳定单元和不安全隐患, 而盘扣式支架则相反, 采用斜撑形式可以使每个搭设单元都形成一个稳定体系, 支架结构的安全性和稳定性更容易保证。

根据规范[3-5]要求检测某实际现浇桥梁中碗扣式支架和盘扣式支架的构配件力学性能, 并结合节点刚度试验和整架试验进行综合对比与分析。

在某现浇桥梁工程中随机挑选8组碗扣式和盘扣式支架的构配件进行力学性能测试, 其结果分别如表2、表3所示。

从表2碗扣式支架构配件的力学性能测试结果可以看出, 由于可调底座底板变形严重如图1所示, 且底板面积小于规范要求, 导致其抗压强度降低;下碗口与立杆连接部位焊缝开裂严重, 导致焊接强度不足, 不满足要求率高达50%的要求。

从表3盘扣式支架构配件的力学性能测试结果可以看出, 盘扣式支架连接盘插销抗拔力及连接盘双侧弯剪试验均存在2组不满足要求。盘扣式支架的构配件均为新产品, 无变形、开裂等先天性缺陷, 因此可采取增加连接盘的厚度或改良插销构造等优化措施, 以提高盘扣式支架的适用性。

在某现浇桥梁工程中随机挑选8组碗扣式和盘扣式支架的构配件组成节点进行节点刚度试验, 如图2所示, 试验结果如表4所示。

从表4试验结果可知, 碗扣式支架的节点刚度为37.0k N·m/rad, 盘扣式支架的节点刚度为27.6k N·m/rad, 与JGJ30—2013《建筑施工临时支撑结构技术规范》^[6]中的相关规定相吻合 (本规范中规定碗扣式支架节点刚度为25k N·m/rad, 盘扣式支架的节点刚度为20k N·m/rad) , 碗扣式支架的节点刚度是盘扣式支架的1.25倍。

在实际工程中, 碗扣式支架由于节点搭设施工工序比较复杂, 大部分节点无法达到规范要求, 而盘扣式支架由于只需要将插销插入连接盘, 更容易达到规范要求。某现浇桥梁工程的检测结果显示, 碗扣式支架节点的不合格率是盘扣式支架节点不合格率的3倍, 具体如表5所示。

在某现浇桥梁工程中随机挑选一定数量的构配件组成6根立杆的整架。在尽量保证架体高度相同的情况下, 综合考虑各因素的影响, 选择试验模型参数如表6所示。

在轴向荷载作用下, 碗扣式支架和盘扣式支架均发生了整体屈曲破坏, 由试验结果可知, 盘扣式支架单根立杆承载力 (114.7k N) 是碗扣式支架单根立杆承载力 (37.5k N) 的3倍。说明在相同的支架设计方案施工时, 盘扣式支架整架极限承载力大于碗扣式支架。

本文主要从碗扣式支架和盘扣式支架的搭设效率比较它们的施工性能。依托某现浇桥梁工程统计2种支架的搭设效率。碗扣式及盘扣式2种支架均通过设计计算选择最合理的支架布置形式, 由同一批熟练的架子工进行搭设, 并由同一个统计人员分别对每天的搭设空间、用工量、和工作时间进行统计。以上条件设置可以有效避免人为误差, 使统计结果更趋于公平、合理。碗扣式与盘扣式支架搭设效率统计分析结果如表7所示。

从表7可以明显看出盘扣式支架的搭设效率是碗扣式支架的2倍多。分析导致这一现象的原因主要有以下3点: (1) 碗扣式支架在施工过程中需要由架子工对构配件进行检查, 剔除严重不合格的产品;而盘扣式支架均为 (较) 新产品, 无需搭设前的检查工作; (2) 据2联支架的材料用货单显示碗扣式支架用钢量为500t, 而盘扣式支架只用了285t左右, 这是其力学性能决定的支架布置形式导致的结果, 碗扣式支架用钢量大也导致了其施工效率低; (3) 碗扣式支架需要横杆接头插入下碗扣, 同时将上碗扣扣紧横杆, 剪刀撑、扫地杆的布置也比较繁琐, 而盘扣式支架只需要将斜杆和横杆放置在连接盘上楔紧插销, 简单方便。因此, 从施工工艺上看, 盘扣式支架明显优于碗扣式支架。

针对某现浇桥梁工程的各项费用情况进行统计分析, 结果如表8~11所示。

由表8可知, 盘扣式支架的租赁单价是碗扣式支架租赁单价的2.64倍, 但依托工程的碗扣式支架总成本为:162 500元+25 000元+143 760元+6 650元=337 910元;盘扣式支架总成本为:228 000元+3 420元+89 980元+3 850元=325 250元, 说明盘扣式支架总的经济成本略小于碗扣式支架。

由于依托工程在施工过程中受天气等各种外部无法预期的原因导致支架租赁时间并非是理想状态, 因此存在租赁总费用无法估计的个体性差异, 所以在进行2种支架经济性综合对比时, 只考虑支架搭设时间、桥梁施工时间和支架拆除时间, 按租赁总时间2.5个月计算。但盘扣式支架搭设效率较高, 无疑可以缩短租赁时间, 这将会增加盘扣式支架与碗扣式支架的经济成本差异。

1) 结构特点 碗扣式支架钢管材料等级低于盘扣式支架, 整体上采用大剪刀撑的构造形式, 难以保证每个搭设单元均为一个稳定体系, 且钢管采用油漆防腐工艺, 耐久性较差, 容易出现钢管锈蚀等缺陷。

2) 力学性能 目前市场上碗扣式支架构配件的几何尺寸普遍不满足规范的要求^[7], 其力学性能的劣化也将大大增加碗扣式支架在使用过程中的安全风险;碗扣式支架单根立杆的极限承载能力远小于盘扣式支架, 因此在实际工程中往往通过缩小立杆间距等方式降低上部荷载的影响。但作为新产品的盘扣式支架, 其连接盘和插销有必要采取进一步的优化措施。

3) 施工性能 与碗扣式支架相比, 盘扣式支架的极限承载力较高, 因此减少了支架总用量;同时由于盘扣式支架搭设工艺简单、搭设质量容易控制、施工比较方便, 搭设效率是碗扣式支架的2倍多, 施工性能优势明显。

4) 经济性能 盘扣式支架的租赁单价较高, 但由于力学性能的优势和施工性能的优势使其总成本与碗扣式支架相当, 甚至略低于碗扣式支架。

因此, 2种支架的经济性能相当。综上所述, 碗扣式支架由于钢管等锈蚀及多次周转使用而使构配件磨损较严重, 力学性能产生了不同劣化, 增大了桥梁施工过程中安全风险。而盘扣式支架由于其优异的防腐性能和力学性能, 在与碗扣式支架总体经济性能相当的情况下, 具有广阔的推广应用前景。