基于不同約束條件的鋼抱箍承載力試驗研究

焦緒學，梁靖皓，馮光華

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011；2.中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510310)

引言

高樁梁板式碼頭現(xiàn)澆梁支撐系統(tǒng)的選型是碼頭上部結構施工重要環(huán)節(jié)，需考慮項目特點、經濟性、安全性及可操作性等多方面考慮，并不斷在施工中優(yōu)化[1-5]。高樁式碼頭支撐系統(tǒng)通常是以基樁支撐上部結構，搭配鋼抱箍或焊接牛腿作為受力支點承擔上部荷載。但焊接牛腿會破壞鋼管樁的防腐涂層，項目使用鋼抱箍作為支撐系統(tǒng)與鋼管樁的連接點，其承載力是個支撐系統(tǒng)的關鍵，抱箍操作方便且循環(huán)利用率高。倘若抱箍滑移，將會造成上部結構施工的安全和質量問題，通過模擬抱箍受力分析，分析影響抱箍承載力的因素，總結提高抱箍承載力的方法，為施工提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

項目位于非洲東海岸，共建設三個泊位，碼頭總長為1200 m，為高樁梁板式結構，碼頭面結構采用疊合板結構，預制面板加現(xiàn)澆面層的結構形式。混凝土強度等級為C45，采用鋼管樁作為樁基礎，樁徑為1.2 m，整個碼頭上部結構主要包括樁頭砼、現(xiàn)澆縱橫梁、靠船構件、預制面板、現(xiàn)澆面層等。3 個泊位由48 個結構段組成，單個結構段長度為25 m，共有橫梁240 條，長度為36 m，每個結構段有6條縱梁，長度為25 m。標準梁縱橫梁底標高為+4.0 m，前后帽梁縱橫梁底標高為+3.5 m。標準結構段平面圖和斷面圖如圖1～2 所示：

圖1 碼頭標準結構段平面圖

圖2 標準結構段橫斷面圖

1.2 上部結構支撐系統(tǒng)

碼頭上部結構采用鋼抱箍作為支撐系統(tǒng)與鋼管樁連接。鋼抱箍外圈為鋼板，內設5 mm 橡膠墊圈，兩側采用M20 高強螺栓鏈接，鋼抱箍上對稱設置2 個600 mm 長的牛腿，中間加焊豎向肋板。所用鋼抱箍實物如圖3 所示，結構詳細構造見圖4～5所示。

圖3 鋼抱箍實物圖

圖4 鋼抱箍結構正面圖

圖5 鋼抱箍結構側面圖

碼頭面以下抱箍以上的支撐結構為：橫梁和縱梁支撐體系采用工45a 做支撐主梁；工字鋼上為10×10 cm 木枋搭配[10 cm 槽鋼使用作為分配梁+1.8cm 厚拋光木夾板；木枋、槽鋼垂直于支撐體系主梁方向每30 cm 交錯間隔放在支撐主梁工字鋼上；1.8 cm 厚木夾板加工成梁的設計寬度1.3 m 或1.4 m，放在木枋、槽鋼之上。上部結構支撐系統(tǒng)示意圖如圖6 所示。

圖6 上部結構支撐系統(tǒng)示意圖

1.3 鋼抱箍滑移

鋼抱箍在碼頭前沿懸臂梁混凝土澆筑的過程中，出現(xiàn)了緩慢滑移現(xiàn)象，共有三個鋼抱箍出現(xiàn)了不同程度的滑移，最大滑移達12 cm。見圖7 所示。此時懸臂梁澆筑方量是設計方量的一半，承載力不足導致鋼抱箍下滑。為找出該設計鋼抱箍的極限承載力并進行技術改造滿足生產需求，項目對鋼抱箍進行了試驗設計與研究，以求得出改造結論。

圖7 抱箍滑移示意圖

2 鋼抱箍承載力試驗

2.1 試驗方法

基于實際施工中存在抱箍因承載力不足導致滑移的現(xiàn)象，為了檢測抱箍承載力值并探討承載力的影響因素，項目部進行抱箍承載力試驗。試驗設備由鋼抱箍、鋼管樁、反力系統(tǒng)及試驗儀器（千斤頂、油泵、綜合測試儀、錨索計等）組成。采用千斤頂和油泵作為加載裝置，千斤頂額定輸出力為6 300 kN，由于抱箍預估承載力占比千斤頂額定輸出力較小，為了試驗的精確度，采用振弦頻率讀數(shù)儀讀出測力計各支應變傳感器實時測量值并利用儀器特性參數(shù)可算出錨索所施加壓力。

反力系統(tǒng)主要由鋼管樁段、雙層雙拼I20 工字鋼組成。工字鋼貫穿于鋼管樁下半部分并與鋼管樁焊接，工字鋼上放置千斤頂和錨索計分別作為升降系統(tǒng)和壓力傳遞測量系統(tǒng)，上方安裝鋼抱箍，與反力系統(tǒng)構成完整試驗裝置。試驗照見圖8 所示。

圖8 現(xiàn)場試驗照片

2.2 試驗過程

抱箍試驗采用對比試驗的方法，設計5 個對比試驗組，通過對比結果的比較分析，以探究各種因素與試驗對象的關系。

試驗①：正常鋼抱箍+M20 高強螺栓；

試驗②：連接板加厚1cm+M20 高強螺栓；

試驗③：連接板加厚1cm+M24 高強螺栓；

試驗④：連接板加厚1cm+M27 高強螺栓；

試驗⑤：在試驗④基礎上，在鋼抱箍上方兩個牛腿位置處焊接5×5 cm 鋼板作為剛性支撐點。

油泵上的壓力表顯示油壓值，控制千斤頂加壓，模擬鋼抱箍受荷情況，試驗①與試驗②結果基本相同，試驗②-試驗⑤鋼抱箍位移隨荷載增大變化曲線（Q-S 曲線）如下圖9～12 所示。

圖9 使用M20 螺栓的抱箍荷載-位移曲線

圖10 使用M24 螺栓的抱箍荷載-位移曲線

圖11 使用M27 螺栓的抱箍荷載-位移曲線

圖12 增加鋼板的抱箍荷載-位移曲線

2.3 試驗結果分析

1）試驗①與試驗②結果十分相近，說明單純增加鋼抱箍連接處肋板厚度對于增加鋼抱箍內側摩擦力無明顯效果。根據(jù)表1 和圖9 可以看出，鋼抱箍分別在273 kN、327 kN、456 kN 和783 kN 的荷載情況下產生了較大位移，且出現(xiàn)抱箍內的橡膠墊從抱箍中分離，可以判斷此時鋼抱箍已經不滿足支撐要求；

表1 鋼抱箍試驗結果匯總表

2）加大螺栓尺寸能夠有效提高鋼抱箍的承受荷載能力，在技術上是可行的，使用M20、M24、M27 螺栓，承受荷載從27.3 kN 上升到45.6 kN，提升幅度為67.0 %，實踐也證明加大螺栓尺寸，從而增加鋼抱箍承受荷載是成功的；

3）試驗過程中，由于加大螺栓增加環(huán)向拉力導致鋼抱箍鏈接板產生變形，分析可知，鋼抱箍連接板是直接承受螺栓拉力的構件，需要采用足夠強度和剛度的鋼板，通過試驗可驗證，連接板厚度在15～20 mm，鋼抱箍連接板無明顯變形。

4）在鋼抱箍移動趨勢的方向上增加剛性連接點（焊小型鋼板，尺寸約為10 cm×7 cm。）能夠大幅提高鋼抱箍承載力（承受荷載從45.6kN 上升到78.3 kN，提升幅度為71.7 %，），可看做為焊接牛腿法與鋼抱箍法的綜合利用，可以根據(jù)工程實際狀況參考使用。

3 鋼抱箍使用注意問題

鋼抱箍作為支撐系統(tǒng)時，應注意以下問題：

1）抱箍的箍身宜采用不設環(huán)向加勁的柔性箍身，在施加預拉力時，由于箍身是柔性的，所以容易與鋼管樁緊密接觸；

2）如果鋼抱箍上部荷載較大，需要設置更多的螺栓增加預拉力，一般將連接板上的螺栓在豎向上布置成兩排，而非加高加大鋼抱箍，這更有利于鋼抱箍安裝及降低鋼抱箍成本；

3）高強螺栓的一個非常重要的特點就是高強度螺栓經過一次加力后一般不能再用，建議采用材質45 號鋼的大直徑螺栓；

4）鋼抱箍連接板是直接承受螺栓拉力的構件，需要采用足夠強度、剛度和厚度的鋼板作為連接板；

5）澆筑混凝土時，由于鋼抱箍受力后產生變形，螺栓的拉力值會發(fā)生變化。因此，在澆筑的全過程中應反復對螺栓進行復擰，保證鋼抱箍受力均勻并達到設計預拉力值。

4 結語

抱箍通過與墩柱之間的靜摩擦力來承受上部結構的重量，而靜摩擦力的產生只與抱箍與墩柱接觸面的摩擦系數(shù)，抱箍體給墩柱面的壓力兩個因素有關系。摩擦因數(shù)與接觸面的材質及鋼管樁表面粗糙度有關，抱箍體給鋼管樁的壓力由螺栓的預拉力來傳導，故關鍵是對螺栓進行受力研究，獲取加大抱箍使用荷載的方法。

通過對抱箍進行改造，并進行自反力試驗，得到以下結論：

肋板剛度的增強和膠墊厚度的增加并不能提高抱箍的承載力。

螺桿直徑和材料級別的提高能有效提高抱箍的承載力，提升幅度可達67.0 %。

焊接限制位移鋼板能大幅度提高抱箍載力，提升幅度可達71.7 %。

同時，本試驗通過加焊小鋼板與抱箍法結合得到更大的荷載承受力，說明支撐系統(tǒng)的選擇以及使用也可以通過創(chuàng)新改進與各類方法綜合利用來達到最佳施工效果。