抱箍支架在城市橋梁工程中的應(yīng)用

熊凱

（中交二航局成都城市建設(shè)工程有限公司，四川成都610218）

0 引言

抱箍支架作為一種圓柱墩經(jīng)常使用的支架結(jié)構(gòu)，在城市橋梁建設(shè)中不斷得到認(rèn)可和使用。但抱箍支架的設(shè)計(jì)及施工仍然存在諸多問題，如何正確認(rèn)識抱箍支架的設(shè)計(jì)理念與施工技術(shù)，仍需要工程技術(shù)人員在實(shí)踐中不斷總結(jié)，以求更加安全經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)及使用該類型的支架結(jié)構(gòu)。

1 工程概況

天府農(nóng)博園金馬河大橋位于四川省成都市，橋梁長度700m，分左右幅設(shè)計(jì)，幅寬均為20m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁，跨徑為40m。橋梁下部基礎(chǔ)采用排樁地系梁結(jié)構(gòu)，單幅單排設(shè)置4 根鉆孔樁，樁徑2.0m，樁長25～35m 不等，樁頂設(shè)貫通系梁，每根樁上接直徑1.8m 的實(shí)心圓柱墩，墩頂設(shè)置一字型蓋梁，蓋梁高1.6m，寬2.5m，長20.518m，單根蓋梁混凝土80.47m3。

2 抱箍支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 抱箍支架設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

抱箍支架設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：

其一，抱箍通過與墩柱的靜摩擦傳力，因此要確定墩柱與抱箍鋼帶之間的摩擦系數(shù)。在參照相關(guān)規(guī)范、實(shí)例進(jìn)行取值設(shè)計(jì)后，要通過荷載試驗(yàn)對摩擦系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

其二，抱箍以上的荷載通過抱箍牛腿及抱箍鋼帶傳遞到墩柱上，對牛腿的設(shè)計(jì)要考慮強(qiáng)度與剛度的要求，控制牛腿的變形量，否則將引起支架失穩(wěn)。

其三，抱箍通過螺栓的預(yù)緊力形成對墩柱的壓應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力。需要保證螺栓群的壓應(yīng)力能夠有效通過抱箍鋼帶傳遞到墩柱上，因此兩塊抱箍半圓弧鋼帶在受力狀態(tài)時，螺栓連接面板應(yīng)有一定的間隙。

其四，抱箍鋼帶應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度的要求，但又需要有適宜的變形能力，以使抱箍在受力變形后能盡可能與墩柱貼合緊密，保證摩擦力能夠有效傳遞，即抱箍鋼帶在滿足受力要求下，板厚不宜太厚。

2.2 抱箍支架結(jié)構(gòu)的組成

抱箍結(jié)構(gòu)采用兩塊板厚為12mm 的半圓弧型鋼板制作，抱箍高50cm，采用24 根M24×110mm、性能等級為8.8S 級的高強(qiáng)度大六角頭螺栓連接，每端12 根，按4×3 陣列布置。牛腿腹板厚度為20mm，水平翼緣板上下面各1 道，厚度20mm，中間增設(shè)1 道加勁板，厚度20mm。抱箍截面圖如圖1所示。

圖1 抱箍截面圖

抱箍直徑1.8m。卸荷砂箱采用壁厚2cm、直徑Φ 24cm 及Φ33cm 鋼管，20mm 厚鋼板制作。主橫梁在墩柱兩側(cè)各布置一根50a 工字鋼，采用螺桿對拉靠緊墩柱，防止傾倒。型鋼與混凝土接觸點(diǎn)采用木楔隔離保護(hù)混凝土面。

分配梁為14 號工字鋼，間距30cm，分配梁上鋪設(shè)蓋梁組合鋼底模。蓋梁支架立面圖如圖2所示，平面圖如圖3所示。

圖2 蓋梁支架立面圖

圖3 蓋梁支架平面圖

2.3 結(jié)構(gòu)受力分析

抱箍支架上部荷載通過底模板及分配梁傳遞到主承重梁上，然后再通過卸荷砂箱傳遞到抱箍牛腿上，最后通過抱箍與墩柱的摩擦力將所有荷載傳遞到墩柱上。

蓋梁鋼筋混凝土自重取26kN/m3，支架模板自重216kN，施工人員及設(shè)備荷載3kN/2，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.1，可變荷載調(diào)整系數(shù)γL取1，施工平臺寬度5.5m，長度22.92m，墩柱混凝土強(qiáng)度等級為C40。

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，將結(jié)構(gòu)自重看作永久荷載，分項(xiàng)系數(shù)取1.35；將施工人員及設(shè)備荷載看作可變荷載，分項(xiàng)系數(shù)取1.4；按照承載能力極限狀態(tài)計(jì)算荷載的基本組合：

抱箍承受總荷載G=1.1×[（26×80.47+216）×1.35+3×22.92×5.5×1.4]=4010.104kN

單個抱箍承受荷載G0=4010.104/4=1002.526kN

2.3.1 單層抱箍鋼帶對墩柱的壓應(yīng)力

抱箍承受荷載由抱箍與墩柱的摩擦力提供，鋼帶與混凝土的摩擦系數(shù)取0.35，根據(jù)受力平衡關(guān)系可得出抱箍對墩柱的壓力產(chǎn)生的摩擦力等于抱箍承受的荷載。

式（1）中：σ1為抱箍對墩柱的壓應(yīng)力；μ 為抱箍鋼帶與墩柱混凝土的摩擦系數(shù)，取0.35；B 為抱箍高度，取500mm；D 為墩柱直徑，取1800mm。

由此計(jì)算出：

σ1=G0/(μπBD)=1002.526×103/(0.35×3.14×500×1800)=1.014N/mm2≤fc=19.1N/mm2，fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2.3.2 單層抱箍鋼帶內(nèi)應(yīng)力

抱箍鋼帶受到墩柱相應(yīng)的壓力由鋼帶本身承受，根據(jù)力的平衡原理可得出：

式（2）中：σ2為抱箍鋼帶的內(nèi)應(yīng)力；t 為抱箍鋼帶厚度。

由此計(jì)算出：

式（3）中：f 為鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2.3.3 鋼帶下料長度L（半個）

為保證抱箍在承受荷載后兩個螺栓面之間仍有間隙，完全將抱箍牛腿承受的荷載傳遞到墩柱上，鋼帶在變形后，仍滿足兩個螺栓面之間縫隙為20mm，因此計(jì)算抱箍鋼帶下料長度如下：

式（4）～（5）中：ΔL 為鋼帶承受理論荷載后的伸長量；E 為鋼材彈性模量，取206GPa；d 為兩個螺栓面之間的縫隙，取20mm。

2.3.4 鋼帶連接螺栓驗(yàn)算

抱箍鋼帶所受的拉力與螺栓群提供的拉力相平衡，由此計(jì)算出：

式（8）中：P 為一個高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力設(shè)計(jì)值，取175kN。

Nt=38.025kN≤Ntb=140kN

2.3.5 牛腿焊縫驗(yàn)算

由于腹板焊縫傳遞彎矩很小，可略去不計(jì)，即假設(shè)腹板焊縫只承受剪力，翼緣焊縫承受全部彎矩M，并將M 化為一對水平力R=M/h。根據(jù)抱箍設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，抱箍由四塊腹板承受豎向荷載，由兩塊翼緣板承受水平荷載。

（1）水平力R 作用于焊縫應(yīng)力（翼緣板焊縫承載）

（2）剪力V 作用于焊縫應(yīng)力（腹板焊縫承載）

（3）螺栓壓力T 作用于焊縫應(yīng)力（腹板和翼緣板焊縫共同承載）

（4）翼緣板焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算

式（15）中：βf為正面焊縫強(qiáng)度增大系數(shù)，取βf=1.22。

（5）腹板焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算，單層抱箍能夠滿足承載力要求，為保證安全采用雙抱箍結(jié)構(gòu)，其中下層抱箍作為施工安全儲備。

3 抱箍支架安裝應(yīng)用

3.1 抱箍支架安裝前的準(zhǔn)備

在抱箍支架安裝前，應(yīng)重點(diǎn)對抱箍進(jìn)行檢查，主要包括材料規(guī)格、結(jié)構(gòu)焊縫等是否滿足設(shè)計(jì)要求，墩柱實(shí)測強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%以上。根據(jù)蓋梁的頂標(biāo)高、橫坡及支架結(jié)構(gòu)各部件尺寸的組合高度，計(jì)算抱箍底口的安裝標(biāo)高，然后在墩柱上畫線并沿四周打設(shè)6 根Φ16mm 短鋼筋頭嵌固，作為抱箍安裝的臨時支撐。

3.2 抱箍支架安裝

先用工具螺栓將兩個半圓弧抱箍組合成一個整體；然后采用捆綁吊，調(diào)整好吊車主臂位置，使鋼絲繩起吊中心基本與墩柱中心線重合；緩慢起吊抱箍至墩柱頂部，使抱箍從墩柱頂面緩慢下落套住墩柱；當(dāng)抱箍頂面沿著墩柱下移至設(shè)計(jì)安裝位置，并臨時擱置在支撐鋼筋上時，施工人員在墩頂將抱箍起吊鋼絲繩從吊鉤處解除；施工人員通過樓梯通道上到安裝平臺，進(jìn)行抱箍安裝[1]。

在抱箍螺栓緊固時，宜由遠(yuǎn)離墩柱側(cè)向內(nèi)側(cè)施擰。高強(qiáng)螺栓按照初擰、復(fù)擰、終擰的順序進(jìn)行施擰。初擰扭矩可取終擰扭矩的50%，復(fù)擰扭矩應(yīng)等于初擰扭矩，終擰扭矩Tc=kPcd，其中k 為高強(qiáng)度螺栓連接副的扭矩系數(shù)平均值，取0.11～0.15；Pc為高強(qiáng)度大六角頭螺栓施工預(yù)拉力，取195kN；d 為高強(qiáng)度螺栓公稱直徑，經(jīng)計(jì)算終擰扭矩Tc為0.515～0.702kN·m。螺栓終擰完畢后，安裝卸荷塊、主橫梁及其他支架結(jié)構(gòu)并進(jìn)行臨時固定，保證支架結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定[2]。

3.3 安全保證措施

抱箍安拆操作平臺采用∠75×6mm 角鋼、Φ10mm圓鋼、Φ48×3mm 鋼管組成，與抱箍鋼帶焊接，平臺承重面低于抱箍底層螺栓80cm，方便施工人員對抱箍螺栓緊固施工。

4 抱箍支架安裝使用質(zhì)量檢查控制要點(diǎn)

4.1 抱箍支架安裝的質(zhì)量檢查

抱箍支架安裝檢查的重點(diǎn)在于對抱箍螺栓群的預(yù)緊力檢查，主要注意以下幾點(diǎn)：

其一，用0.3kg 重小錘敲擊螺母，對高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行逐個檢查，是否有漏擰。

其二，終擰扭矩按螺栓數(shù)抽查10%，且不應(yīng)少于2個螺栓。

其三，在檢查時，先在螺桿端面和螺母上畫一條直線，然后將螺母擰松60o后，再用扭矩扳手重新擰緊，使兩線重合，測得此時的扭矩應(yīng)在0.9～1.1Tch范圍內(nèi)，其中Tch應(yīng)按下式計(jì)算：

式（17）中：Tch為高強(qiáng)度螺栓檢查扭矩（N·m）；P 為高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力設(shè)計(jì)值（kN）；k 為扭矩系數(shù)。

其四，如果發(fā)現(xiàn)不符合規(guī)定的情況，再擴(kuò)大一倍檢查，如仍有不合格，則整個節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓重新施擰。

其五，扭矩檢查在螺栓終擰1h 后，24h 之前完成，檢查用的扭矩扳手其相對誤差不得大于±3%。

抱箍螺栓緊固完成后，要對抱箍安裝的標(biāo)高進(jìn)行復(fù)核，據(jù)此并結(jié)合支架總高度控制蓋梁的設(shè)計(jì)高程[3]。

4.2 抱箍支架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢查

抱箍支架結(jié)構(gòu)的檢查重點(diǎn)在于各結(jié)構(gòu)部件使用的材料規(guī)格、布置間距等，存在嚴(yán)重變形、銹蝕或破損的構(gòu)件不得使用。重點(diǎn)檢查部件間的連接質(zhì)量，包括焊縫的外觀、無損檢測等。

抱箍支架在正式承受荷載前，要建立監(jiān)測點(diǎn)，重點(diǎn)對支架結(jié)構(gòu)的沉降及位移進(jìn)行監(jiān)控量測，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)臺賬。在抱箍支架使用過程中，如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，立即暫停施工并撤離施工人員。分析數(shù)據(jù)異常的原因并采取針對性措施，在消除安全隱患后，方可再次投入使用[4]。

5 結(jié)語

本文利用抱箍支架的工程應(yīng)用實(shí)例，闡述了支架的設(shè)計(jì)理念與思路，通過重要結(jié)構(gòu)的計(jì)算指導(dǎo)在推廣應(yīng)用中支架各項(xiàng)參數(shù)的選擇，同時對支架在施工過程中的質(zhì)量檢查重點(diǎn)進(jìn)行了明確，為抱箍支架的安全應(yīng)用提供了保證。以后將會有越來越多的抱箍支架應(yīng)用于工程實(shí)踐中，而在不斷的應(yīng)用與總結(jié)中，抱箍支架的設(shè)計(jì)理論會更加成熟與完善，結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理，以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。