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1、插销式钢管支架的结构可靠性分析林伊宁(广西建设工程质量安全监督总站)摘要插销在承插口中不能自锁。关键词水平动内力 正压力 力偶 冲击效应 自锁 引言近年来，我国从国外引进了不少新型的钢管支架，插销式钢管支架就是其中的一种。但此种支架的结构可靠性备受争议，争议的焦点是其插销在承插口中能否自锁。综观几年来的争论，正反双方均未分析插销的受力状况，所以尽管争论声很高，但却是谁也说不服谁。插销能否自锁，关键问题是它的受力状况。本文抓住这一关键点，分析插销式支架的结构可靠性，以期找到令人信服的答案。支架中存在巨大的水平动内力，这种水平动内力可以使支架解体(泵送混凝土、风力、推车、人走动等水平动荷载，以及立
2、杆旁的一侧在捣制混凝土而另一侧无荷载所引起的竖向动荷载偏心或立杆倾斜所引起的竖向荷载偏心，均会使架体产生水平动内力)。本文以支架中存在水平动内力为前提条件，对插销能否自锁进行受力分析。1. 插销式钢管支架的节点构造插销式钢管支架的节点相片见图1，节点的构造示意图见图2，插销与承插口的接触情况见图3。请注意，因为承插口是铅直的，而插销有一个面是倾斜的，当插销被打入承插口时，无论打得如何紧，插销的倾斜面上仅有一点可以与水平杆承插口接触。在没有水平力作用的情况下，这一接触点就是图3中的1点。 图1 插销式钢管支架的节点构造相片 图2 插销式钢管支架节点构造示意图图3 插销与承插口的接触情况示意图2.
3、 插销的受力情况插销的自重与其所受的正压力相比微乎其微，可忽略不计。支架顶部存在巨大的水平动内力(忽拉忽压)，这些水平动内力是立杆加到水平杆上的，所以必然通过节点传递，而节点的传力中心就是插销。下面分析插销的受力情况。2.1 当支架的动内力为拉力时，插销被旋转上推。考察当支架的动内力为水平拉力时的情况。此时图3中立杆承插口上的2点向插销的倾斜面施加正压力N ( N沿插销倾斜面与立杆承插口2点的公法线传递，插销倾斜面的法线与倾斜面垂直，承插口上2点的法线为任意方向，所以插销倾斜面与承插口2点的公法线就是与倾斜面相垂直并通过2点的法线。另外，2点是点接触，摩擦力忽略不计)，同时，水平杆承插口向插销
4、施加正压力R1与R2以及摩擦力f1与f2。插销的受力情况如图4所示。图4 支架中的动内力为拉力时插销的受力情况示意图把N分解为水平分力Nx和竖向分力Ny。可见Nx和 (R1+R2)构成水平方向上的暂时平衡，而Ny与(f1+ f2)所构成的力偶先使插销旋转，继而Ny则将插销上推（一经旋转，摩擦力便消失）。所以，当支架的动内力为拉力时，插销被旋转上推。2.2 当支架的动内力为压力时，插销还是被旋转上推。再考察当支架的动内力为水平压力时情况。此时图3中水平杆承插口上的1点向插销的倾斜面施加正压力N，同时，立杆承插口的5点向插销施加正压力R，因为都是点接触，摩擦力忽略。插销的受力情况如图5所示。把N分
5、解为Nx和Ny，Nx与R构成的力偶使插销旋转，而Ny则将插销上推。所以，当支架的动内力为压力时，插销还是被旋转上推。图5 支架中的动内力为压力时插销的受力情况示意图3. 支架动内力在插销上的冲击效应首先被震松的是插紧的插销在动荷载作用下，支架架顶会晃动，架体内会产生动内力。本节研究动内力在插销上的冲击效应。如前所述，插销与杆件之间相互作用的力有倾斜的正压力和力偶(暂且称为“广义力”)，受力情况复杂，不便于研究。现假设插销的两个受力面均为铅直面，所受正压力为水平力，我们研究此简单的受力模式。并且设：水平杆的质量为m，架顶晃动时水平杆沿x轴作水平运动，加速度为a，速度为，其运动受到插销的阻挡(冲击
6、)，插销对水平杆的作用力为F。水平杆的运动和受力情况如图6所示。图6 水平杆的运动和受力情况示意图水平杆的运动情况可用质点系运动基本方程表达：设水平杆冲击插销之前的初速度为0，冲击结束的末速度为1，冲击开始的瞬时为t0，冲击结束的瞬时为t1，冲击时段内F的大小和方向均不变，以此条件对上式作积分，得：F(t1- t0)=m(1-0)这就是质点系沿x轴运动的动量定理表达式，也是水平杆受冲击力作用的冲量表达式。令t= t1- t0为冲击时长，上式可写为： (1)式中的F为插销对水平杆的作用力，也是水平杆对插销的冲击力。在架顶晃动时，架顶上同方向排列的水平杆的1-0是相同的，但各节点上的冲击时长t并不
7、相同，原因是各节点插销插入承插口尽管总有空隙，但插入的松紧程度是不同的，于是由式(1)可得知：插销插得越紧，冲击时长越短，冲击力F越大；插销插得越松，冲击时长越长，冲击力F越小。本节是以简单的水平冲击力模式来研究的，实际的冲击力是前述的广义冲击力(倾斜正压力和力偶)。插销插得越紧，它所受到的广义冲击力越大，越猛烈地被旋转上推推离承插口。所以，首先被震松的是插紧的插销，这就是支架动内力在插销上的冲击效应。在动荷载作用下，插销是无法插紧的。这就是支架使用现场总会有人用锤子不断敲紧插销的原因。4. 关于插销在承插口中能自锁说法的正误有人认为，只要想办法将承插口的铅直面改为与插销一致的倾斜面，并令倾角
8、小于或等于自锁角(如图7所示)，插销便能在承插口中自锁。图7 插销自锁设想示意图按图7所设想的承插口和插销存在以下问题：(1) 承插口和插销的加工工艺是铸造或切割(有些品牌的插销稍加打磨)，不是机加工。工艺极其粗糙，公差很大(正因为公差大，在工地上才能装配，否则连装配都不可能)。(2) 铸造工艺下，立杆承插口倾斜面的倾角与水平杆承插口倾斜面的倾角不可能一致甚至相差很大。(3) 插销承受巨大的水平冲击力，插销的受力面被冲击变形。(4) 昼夜有温差，材料热胀冷缩。以上4个问题的存在，使得插销与承插口之间不可能密合，总有空隙存在。在强大的冲击力之下，插销还是如前面所分析的一样，被反复旋转上推，只是速
9、度较前面介绍的点接触时慢一些而已。只要插销存在倾斜面，插销与承插口之间存在空隙，插销被旋转上推的因素便不能消除，所以关于插销和承插口的倾角小于自锁角便能自锁的说法是没有依据的。当然，如果图3中插销的两个受力面均做成铅直面，并且插销插下之后用能固结的硫磺胶泥之类的填料填满空隙，插销就能自锁。但这已经不是插销式支架的插销了。现在的插销式支架能装拆方便，省时省力，靠的就是插销有倾斜面和承插口有空隙这两个前提条件。5. 结论在插销式支架中，只要存在动荷载，插销便会受到动内力的冲击，在冲击过程中插销被反复旋转上推，无法自锁。其力学本质是，作用在插销上的力构成一个不平衡力系，插销在不平衡力系的推动下产生加
10、速度。插销式支架的结构构造不可靠，存在节点受动力破坏引发塌架的先天性缺陷。有人工作的场所就有动荷载，插销式支架不应用作上人的支架，也不应用作有其他动荷载作用的支架。6. 结束语对于本文的观点，插销式支架的推崇者未必认可，他们会坚称插销式支架是先进的，值得推广的，并可逐步代替传统的扣件式支架。当问及理由时，他们会说，发达国家用得很普遍。此话不但不妥，并且还言过其实，据调查，发达国家并未普遍采用插销式钢管支架。在水果种植行业中，果农常遇到一件麻烦事，每年冬天，果园中均有一部分果树因遭受天牛幼虫啃食根部而枯死。农业科技领先的美国人发明了一种名为呋喃丹的农药并在全美普遍施用，只要把它埋入树根，3年之内
11、，害虫啃树则死，所以，每埋一次药，可保果树3年。于是中国将此先进技术引入国内。后来美国人研究发现，呋喃丹是强烈的致癌物质( 这是显而易见的，3年之内，虫啃了树根会死，人吃了树上的果会健康？这还用得着研究？)，于是美国封杀呋喃丹，中国紧跟着也封杀呋喃丹。这个例子说明，发达国家普遍推广的东西未必就是好的(类似的例子在医药界里更多)。所以，发达国家有人使用并不是插销式支架技术领先的理由。请不要说曾做过多少次试验，现在拥有多少能证明插销式支架结构可靠的数据。现场使用就是最真实的试验，现场使用中如果没有专人不断用锤子敲紧插销，插销式支架根本不能使用，这还需要试验数据吗？所以，说插销式支架好的人们，请你们拿出理论依据来。二一年四月三十日9
