蓋梁施工抱箍支撐技術(shù)力學(xué)分析與應(yīng)用

龔小倞

摘要：本文簡要闡述了抱箍法的基本原理，并結(jié)合微積分的數(shù)學(xué)思路分析了蓋梁施工抱箍支撐系統(tǒng)的受力情況，介紹了抱箍支撐的施工工藝、控制標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用效果，總結(jié)了抱箍支撐技術(shù)應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，對類似工程的力學(xué)分析和同類工程的施工具有一定借鑒意義。

Abstract： This paper briefly describes the basic principle of hoop method， and combined with the mathematical ideas of calculus， analyzes the stress of the hoop support system in coping construction， introduces the construction technology of hoop support， control standard and application effect， summarizes the matters needing attention， which have certain reference value for mechanical analysis of similar engineering and similar engineering construction.

關(guān)鍵詞：蓋梁；抱箍法；受力分析

Key words： cap beam；hoop method；stress analysis

中圖分類號：U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）19-0143-03

0 引言

橋梁蓋梁施工支撐系統(tǒng)一直是橋梁施工中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，其方案是否合理、設(shè)計(jì)是否科學(xué)不僅直接關(guān)系到橋梁的安全和質(zhì)量，而且還影響到工期和成本。當(dāng)前國內(nèi)常用的支撐方法有穿插鋼棒法、支架法和抱箍法，三者各有優(yōu)劣，本文將結(jié)合工程實(shí)踐對抱箍法進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1 工程概況

安康至平利高速公路AP-8標(biāo)段，起止里程為YK35+296～YK37+887，路線全長2.592km，標(biāo)段內(nèi)有4座預(yù)應(yīng)力混凝土分體箱梁橋，分別為段家河大橋（1#、2#）22×25m、馬咀大橋（1#、2#）15×40m，單幅合計(jì)2300m，其中圓柱式橋墩86個(gè)，最高墩身32m，大部分計(jì)劃采用抱箍法施工，個(gè)別墩采用支架法。

2 抱箍法基本原理及優(yōu)勢比較

2.1 力學(xué)原理

利用抱箍與墩身混凝土之間產(chǎn)生的靜摩擦力來承載蓋梁施工，抱箍法的關(guān)鍵是要確保抱箍與混凝土墩身之間產(chǎn)生足夠的摩擦力，以實(shí)現(xiàn)上部荷載的安全地傳遞。

2.2 優(yōu)勢比較

相比于穿插鋼棒法和支架法，抱箍法有如下優(yōu)勢：一是不受地基因素影響，免去了支架法對地基承載力的要求。二是適用于各種高度的墩身，特別是在高墩施工中相對支架法優(yōu)勢更加明顯。三是對墩身不造成任何破壞，克服了穿插鋼棒法預(yù)留孔洞對墩柱受力性能和外觀的影響。四是施工方便，既無需處理預(yù)留孔洞，也不需要搭設(shè)大量腳手架。

3 擬確定的抱箍結(jié)構(gòu)形式

抱箍的結(jié)構(gòu)形式主要包括箍身的結(jié)構(gòu)和連接板上螺栓的排列。為了便于施工，經(jīng)過比較，項(xiàng)目部決定采用兩塊厚度為12.5mm的半圓形柔性鋼板做箍身，箍身高度為0.8m，抱箍采用M24高強(qiáng)螺栓連接，連接板焊接處增設(shè)三道加勁板，以提高抱箍的整體受力性能。為了提高墩柱與抱箍之間的摩擦力，同時(shí)保護(hù)好墩身混凝土面，在抱箍與墩身之間加設(shè)一層2mm厚橡膠墊，其結(jié)構(gòu)圖圖1，圖2所示。

4 抱箍受力分析

4.1 荷載計(jì)算

抱箍法施工時(shí)上部荷載主要包括蓋梁砼自重、模板自重、施工荷載與其他荷載。其中，蓋梁砼自重（以最大蓋梁為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算）：G1=33.4m3×23kN/m3=759kN；模板自重：G2=82.6kN；施工荷載與其他荷載：G3=25kN。

上部總荷載：G=G1+G2+G3=866.6kN

4.2 正應(yīng)力分析

單個(gè)抱箍承受的支座反力為433.3kN，即每個(gè)抱箍與墩身混凝土至少要產(chǎn)生433.3kN的摩擦力才能滿足承載力要求。由摩擦力計(jì)算公式由f=μN(yùn)（μ為摩擦系數(shù)，經(jīng)實(shí)測約為0.22）可知抱箍對墩身的正壓力至少應(yīng)該為：N=f/μ=433.3kN÷0.22=1969kN。

4.3 抱箍受力分析

抱箍對墩身混凝土產(chǎn)生的正壓力其大小取決于連接螺栓承受的拉應(yīng)力。由于抱箍受到混凝土約束，因此其受力可視為一個(gè)不易變形的剛體。由于力的相互作用，抱箍對墩身產(chǎn)生的正壓力即為墩身對抱箍的作用力，因此抱箍的整體受力如圖3所示，可見抱箍的總體外部受力在任意方向上是相互抵消的，但這種平衡需要通過箍身的內(nèi)部拉應(yīng)力來進(jìn)行傳遞和完成。

假設(shè)箍身單位面積受到的力為P，則箍身總體受力為：N=P×S=P×2πR×0.8=1.6πRP=正壓力。

4.4 螺栓受力分析

箍身對混凝土的正壓力是由螺栓對箍身施加的拉力實(shí)現(xiàn)的，螺栓越緊，拉力越大，正壓力也就越大。螺栓是整個(gè)受力系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)以抱箍單側(cè)1/4圓環(huán)（AB部分）進(jìn)行受力分析（如圖4所示），顯然其受到的應(yīng)力合力在X軸方向是通過連接螺栓來承受的，即T=f1+f2+…+ fn+…+f+∞=∑fn。

現(xiàn)假設(shè)箍身任意豎向微段長度dx范圍內(nèi)受到的合力為dF，即將箍身受力在AB弧長范圍內(nèi)（0，πR/2）進(jìn)行微分，則dF=dx×0.8×P，其在x軸方向上的分力為df=dF×cosα=dF×cos（L/R），L為α角對應(yīng)的弧長。

由于抱箍每側(cè)均由8個(gè)M24高強(qiáng)螺栓（容許拉應(yīng)力值為225kN）連接，螺栓需同時(shí)承受軸向拉力和上部荷載的豎向剪力作用。

軸向抗拉驗(yàn)算：當(dāng)螺栓在傳遞拉應(yīng)力的時(shí)候，以第一排螺栓收到的拉應(yīng)力最大，為最不利狀態(tài)，現(xiàn)假設(shè)由第一排螺栓承擔(dān)全部應(yīng)力，則單個(gè)螺栓的拉應(yīng)力為：N/（8π）=1969kN/（8π）=78.4kN<225kN。即當(dāng)對螺栓施加的預(yù)應(yīng)力達(dá)到78.4kN時(shí)即可產(chǎn)生足夠的正應(yīng)力承受上部荷載。

豎向剪力驗(yàn)算：蓋梁施工上部荷載基本是由32個(gè)螺栓（2個(gè)抱箍）平均分擔(dān)，因此單個(gè)螺栓受到的剪力為：G/32=866.6kN/32=27.1kN。M24高強(qiáng)螺栓抗剪容許值為：[NL]=（225kN×0.3×1）/1.7=39.7kN>27.1kN（其中0.3為摩擦系數(shù)，1為傳力接觸面，1.7為安全系數(shù)）。

從上述受力分析可以看出當(dāng)前擬采用的抱箍構(gòu)造能夠滿足施工要求。

5 抱箍支撐技術(shù)應(yīng)用

通過分析、驗(yàn)算后，安平高速AP-8標(biāo)項(xiàng)目大部分圓柱式墩都采用了抱箍支撐技術(shù)進(jìn)行蓋梁施工，有效縮短了施工時(shí)間，取得了良好效果。

5.1 施工工藝

測量放線→安裝鋼抱箍→預(yù)壓進(jìn)行抱箍承載力試驗(yàn)（第一次）→安裝托梁→鋪設(shè)底?！鷱?fù)核底?！鷾y定軸線→綁扎蓋梁鋼筋→立側(cè)?！鷿仓炷痢B(yǎng)護(hù)→拆除抱箍。

5.2 抱箍安裝

抱箍安裝前應(yīng)先在墩柱上確定準(zhǔn)確位置，可用蓋梁底設(shè)計(jì)標(biāo)高減去支撐體系到抱箍頂面的施工高度，再加上預(yù)壓抱箍沉降值，即可得到安裝時(shí)抱箍頂面標(biāo)高，在墩柱上標(biāo)出抱箍頂面高程線。抱箍吊裝時(shí)要安排專人穩(wěn)定抱箍，防止來回晃動擦傷墩身混凝土。經(jīng)現(xiàn)場總結(jié)，抱箍安裝偏差最好控制在表1所示范圍內(nèi)。

5.3 對兩種支撐方式蓋梁施工耗時(shí)及外觀質(zhì)量的對比統(tǒng)計(jì)（表2）。

6 抱箍施工中應(yīng)該注意的問題

①抱箍施工螺栓是關(guān)鍵，安裝螺栓不宜一次擰緊，應(yīng)先進(jìn)行預(yù)緊，然后用帶響扳手進(jìn)行終擰，施工前扳手需進(jìn)行校驗(yàn)。②擰螺栓的順序?yàn)橄葍?nèi)排后外排，對稱重復(fù)進(jìn)行，各個(gè)螺栓受力要均勻。螺栓擰緊后必須用測力扳手進(jìn)行檢測，確保每個(gè)螺栓有足夠的預(yù)緊力。③蓋梁混凝土澆筑時(shí)，由于抱箍受力會產(chǎn)生變形，螺栓的受力也隨之發(fā)生變化，因此施工過程中每澆筑一層混凝土均應(yīng)復(fù)擰一次。④每次安裝抱箍前都要仔細(xì)檢查抱箍的變形情況、焊縫的嚴(yán)密情況、螺栓的磨損情況等，嚴(yán)禁“帶病”作業(yè)。⑤混凝土澆筑前需再次對抱箍進(jìn)行檢查，并用測力扳手對螺栓受拉力進(jìn)行檢測。⑥混凝土澆筑時(shí)應(yīng)安排測量人員對抱箍的變形和沉降進(jìn)行全過程觀測，如發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止施工，查明原因并加固后方可繼續(xù)進(jìn)行。

7 結(jié)束語

抱箍法不受地基、水文、墩高等因素影響，適用性強(qiáng)，施工方便，周轉(zhuǎn)快速，可用于各種圓柱形橋墩的蓋梁施工，支撐體系幾乎沒有缺點(diǎn)，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]周水興.路橋施工計(jì)算手冊[M].人民交通出版社，2010第13次印刷.

[2]梁方鐸.橋梁蓋梁抱箍模板施工技術(shù)的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2011（12）.

[3]黃平，劉春雨，馬志飛，王明堂.南水北調(diào)中線工程某跨渠橋蓋梁抱箍法施工[J].人民長江，2014（10）.