鋼抱箍支架現(xiàn)澆帽梁施工技術(shù)

瞿金瑋，葉炳麟，魯劉磊

(1.江西省九江市武寧縣交通運(yùn)輸局;2.暨南大學(xué)理工學(xué)院)

1 工程概況

工程為武漢市三環(huán)線南環(huán)段(青菱-野芷)工程青菱立交-勝利村B標(biāo)高架橋，橋梁全長(zhǎng)1 475 m(墩號(hào)0#～58#)，下部結(jié)構(gòu)為兩根φ1.2 m圓柱式橋墩，基礎(chǔ)為兩根φ1.2 m鉆孔灌注樁，橋墩與鉆孔灌注樁之間采用承臺(tái)連接，承臺(tái)之間設(shè)有高為1.2 m、平面尺寸5.3×1.2 m 系梁。帽梁高1.4 m、平面尺寸12.5×2 m ，墩柱間距7.5 m，兩端中心懸臂2.5m，每個(gè)帽梁自重為89.75 t(其中0#帽梁自重103.5 t)。帽梁數(shù)量共計(jì)118個(gè)，柱平均高度為7.5 m，其混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)均為 C30。

2 施工方案比選

目前，高架橋帽梁常用施工方法主要有鋼抱箍、滿堂支撐、門式支架和穿洞法四種。現(xiàn)對(duì)這四種施工方法進(jìn)行比較，從經(jīng)濟(jì)性(含工期)(見(jiàn)表1)、可操作性(見(jiàn)表2)和安全性(見(jiàn)表3)三個(gè)方面入手，分析其在實(shí)際工程中的效果，具體參見(jiàn)表1、表2、表3。

臺(tái)班 易損耗 平均每個(gè)2 滿堂支撐 16 1 3 門式支架 16 1臺(tái)班 易損耗 需要1 000元4 穿洞法 16 1臺(tái)班 易損耗 0在同條件下，鋼抱箍比其它三種可提前1 d。

1 鋼抱箍支撐 此工法施工簡(jiǎn)單、操作方便，適應(yīng)性較廣(與以下三種工法相比，其為首先考慮對(duì)象)，且使用工具主要是扭矩扳手。2 滿堂支撐 此工法施工煩瑣，耗工費(fèi)時(shí)，周轉(zhuǎn)材料數(shù)量較多;且對(duì)地基承載力有強(qiáng)制性要求、且支架搭設(shè)完后需預(yù)壓。3 門式支架 此工法除對(duì)地基承載力有強(qiáng)制性要求外;其在水中、交通通行地段等也受到嚴(yán)重約束。4 穿洞法 此工法容易破壞受力結(jié)構(gòu)物、影響結(jié)構(gòu)物外觀質(zhì)量。

通過(guò)表1、表2、表3的比對(duì)分析，相較其它三種方法，鋼抱箍支撐顯示了其獨(dú)特的優(yōu)越性：第一，經(jīng)濟(jì)性：在地基處理和消耗工日方面，每個(gè)帽梁可節(jié)省1 360元(人工費(fèi)按定額30元/工日)，標(biāo)段共118個(gè)帽梁，合計(jì)金額達(dá)118 360元(不含原材料損耗費(fèi)用);在同等條件下，每個(gè)帽梁可以提前1 d完成，全橋帽梁總工期可提前118 d。第二，可操作性：鋼抱箍施工技術(shù)簡(jiǎn)單，操作方便，且本標(biāo)段墩柱結(jié)構(gòu)尺寸均統(tǒng)一，實(shí)用性強(qiáng)。第三，安全性：鋼抱箍支架安全性高于其他三種工法。

表3 安全性對(duì)比

因此，本工程擬采用鋼抱箍支撐施工技術(shù)。

3 鋼抱箍式支架支撐體系

其原理是在墩柱上適當(dāng)部位安裝兩塊半圓形的抱箍，并通過(guò)在抱箍耳托板上設(shè)置一定數(shù)量的螺栓，施擰產(chǎn)生預(yù)拉力聯(lián)結(jié)緊固，使之與墩柱抱緊后產(chǎn)生的最大靜摩擦力來(lái)平衡施工臨時(shí)荷載及帽梁自重。即關(guān)鍵是要確保抱箍與墩柱之間有足夠的摩擦力，以確保施工安全。

3.1 鋼抱箍的結(jié)構(gòu)形式

抱箍的結(jié)構(gòu)形式由兩個(gè)半圓定型抱箍拼裝而成，在半圓口兩側(cè)焊接與起彎點(diǎn)切線成90°的抱箍耳，然后利用螺栓通過(guò)抱箍耳將兩個(gè)半圓形抱箍連接在一起，再在螺栓之間焊接加焊角鋼，確保承受一定荷載后而不發(fā)生扭曲。抱箍高度由抱箍耳上的螺栓個(gè)數(shù)決定。

3.2 鋼抱箍的設(shè)計(jì)

3.2.1 鋼抱箍受力分析

鋼抱箍主要受三個(gè)力的作用：(1)螺栓對(duì)抱箍的預(yù)拉力。(2)鋼抱箍對(duì)墩柱的正壓力及墩柱對(duì)鋼抱箍反作用力。(3)上部荷載F(工字鋼及帽梁自重、施工荷載等)。

通過(guò)設(shè)計(jì)資料可計(jì)算出上部荷載作用的力F=559.6 kN，其主要由鋼抱箍與墩柱之間摩擦力f來(lái)平衡，因此，當(dāng) f≥K ×F=951.32 kN(K 為安全系數(shù)，取 K=1.7)時(shí)，鋼抱箍在F作用下不會(huì)產(chǎn)生向下滑動(dòng)，即為安全結(jié)構(gòu)。

3.2.2 連接螺栓數(shù)量的計(jì)算

鋼抱箍與墩柱之間摩擦力f的計(jì)算公式為

式中：f為抱箍與墩柱間的最大靜摩擦力;μ為抱箍與墩柱間的摩擦系數(shù)，鋼材與混凝土間的摩擦系數(shù)為0.3～0.4，取μ=0.3;N為抱箍與墩柱間的正壓力;N=n×F1(其中n為螺栓個(gè)數(shù)，F(xiàn)1為每個(gè)螺栓預(yù)拉力)。

現(xiàn)場(chǎng)施工中使用的螺栓一般不采用高強(qiáng)螺栓，原因：(1)經(jīng)過(guò)一次加力松弛循環(huán)后不能再使用;(2)市場(chǎng)上一般購(gòu)買不到所需要的規(guī)格產(chǎn)品，必須到廠家直接訂購(gòu)。如果采用高強(qiáng)螺栓會(huì)加大施工投入并帶來(lái)極大麻煩，所以一般采用材質(zhì)45號(hào)鋼的M30大直徑螺栓。

每個(gè)螺栓的允許拉力為

式中：As為普通螺栓的橫截面積，As=πd2/4;［σ］—鋼材允許應(yīng)力。對(duì)于45號(hào)鋼，［σ］=2 000 kg/cm2。

由公式(2)可計(jì)算得

再代入(1)式可得，f=μ×N=0.3×140n=42n

由于 f≥951.32 kN，計(jì)算得出：n≥22.65，即螺栓數(shù)量為23個(gè)，但螺栓個(gè)數(shù)必須是偶數(shù)，所以取螺栓數(shù)量為24個(gè)。根據(jù)螺栓數(shù)量，可擬定鋼抱箍高度為800 mm，每側(cè)布置兩排螺栓，每排均為6個(gè)，每個(gè)螺栓間距均按等距布置。

3.2.3 鋼抱箍厚度選定

鋼抱箍在螺栓被擰緊的狀態(tài)下，其豎直截面承受拉應(yīng)力，其受力模型如圖1。

圖1 鋼抱箍力學(xué)模型

式中：A0為鋼抱箍截面計(jì)算面積;σ為鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa，為 215 MPa;N為鋼抱箍受到螺栓預(yù)拉力，kN，140 kN/個(gè)，即 N=12×140 kN=1 680 kN。

由公式(3)可得：A0=1 680/215=7 813.95 mm2

因?yàn)殇摫Ч扛邽?00 mm，計(jì)算得出抱箍厚度 δ=9.8 mm，取 δ=10 mm。

通過(guò)上述計(jì)算，擬定鋼抱箍結(jié)構(gòu)形式：高為800 mm，抱箍耳寬度為200 mm，并在每個(gè)抱箍耳上設(shè)置6個(gè)豎向雙排孔，再利用M30普通螺栓使兩個(gè)半圓形抱箍緊抱墩柱，螺栓從抱箍耳兩端部向中間等距布置。并在抱箍耳轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)、在螺栓與螺栓之間加焊角鋼，其連接采用角焊縫。確保抱箍耳受力時(shí)不會(huì)發(fā)生扭曲變形。加工成形后應(yīng)確保抱箍周長(zhǎng)比墩柱周長(zhǎng)小40 mm(即拼裝完后，抱箍耳每側(cè)之間的間距為20 mm)，同時(shí)應(yīng)在抱箍外側(cè)設(shè)三個(gè)吊點(diǎn)，便于吊裝。相關(guān)布置尺寸示意圖詳見(jiàn)圖2。

3.3 鋼抱箍局部不利位置驗(yàn)算

(1)抱箍耳剪應(yīng)力計(jì)算

一個(gè)抱箍受到的作用力為F，則每個(gè)抱箍耳受到的作用力為F/2，可根據(jù)公式(4)計(jì)算出垂直焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力值

所以，鋼抱箍受力截面積的計(jì)算公式為

式中：τf為垂直于焊縫長(zhǎng)度方向應(yīng)力值;he為角焊縫的有效寬度，取0.7hf;hf為較小焊縫尺寸，本例取8 mm;lw為焊縫長(zhǎng)度，實(shí)際焊縫長(zhǎng)度減10 mm;V為即為F/2。

圖2 鋼抱箍相關(guān)布置尺寸示意圖

則由公式(4)可算得

(2)平行焊縫長(zhǎng)度方向應(yīng)力值

抱箍耳在螺栓作用下產(chǎn)生力由抱箍耳和焊縫來(lái)承擔(dān)：

(3)在τf和σ1共同作用下，角焊接強(qiáng)度由下式驗(yàn)算

式中：βt為正面焊縫強(qiáng)度增大系數(shù)，取1.22;ff為角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取200 MPa。

將已知量代入公式(5)中，得

經(jīng)驗(yàn)算，鋼抱箍受力最不利位置均滿足要求。可見(jiàn)，初擬定鋼抱箍尺寸是安全可行的。

4 鋼抱箍支架帽梁的施工

(1)鋼抱箍進(jìn)場(chǎng)時(shí)，應(yīng)對(duì)其半徑、周長(zhǎng)、焊接外觀質(zhì)量等進(jìn)行嚴(yán)格檢查。在投入使用之前，必須通過(guò)試驗(yàn)并達(dá)到一定的安全系數(shù)(不小于規(guī)范要求值)后才能確定使用。試驗(yàn)方法：先澆筑一個(gè)高約1.0～1.5 m的試驗(yàn)墩柱，待同條件養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%后，將鋼抱箍安裝在試驗(yàn)墩柱上，采用扭矩法擰緊螺栓。在鋼抱箍耳下部?jī)蓚?cè)各放置一臺(tái)150 t的液壓千斤頂。千斤頂與油壓表泵連接好后，同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)油泵閥門，使千斤頂同時(shí)作用于鋼抱箍，通過(guò)油壓表的讀出千斤頂作用于鋼抱箍力的大小，當(dāng)鋼抱箍開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)記下油表讀數(shù)，計(jì)算出力的大小。即可得出鋼抱箍承受力的極限荷載。

(2)鋼抱箍安裝時(shí)，根據(jù)帽梁底設(shè)計(jì)標(biāo)高、工字鋼高度等反算出鋼抱箍安裝在墩柱上的標(biāo)高，然后用水準(zhǔn)儀將標(biāo)高準(zhǔn)確放到墩柱上，并作好識(shí)別標(biāo)志。

(3)鋼抱箍安裝前，應(yīng)在鋼抱箍?jī)?nèi)用萬(wàn)能膠粘貼約2 mm厚的橡膠墊，以增加鋼抱箍與柱子之間的摩擦，且能防止拆鋼抱箍時(shí)墩柱外表受到撞傷或磨損。但在拆除抱箍后，應(yīng)及時(shí)清除橡膠墊留下黑印，避免影響墩柱外觀質(zhì)量。

(4)鋼抱箍安裝時(shí)，在地面上只拼裝成形，然后利用鋼絲繩穿過(guò)吊裝點(diǎn)，將鋼抱箍吊到墩柱標(biāo)志線上，再采用扭矩法或扭角法進(jìn)行施擰螺栓。本工程采用扭矩法。

(5)將兩根I50a工字鋼安放在抱箍耳上，再用拉桿將工字鋼拉緊，并緊靠墩身，防止向外側(cè)傾覆。

(6)在I50a工字鋼上鋪設(shè)小工字鋼(或小方木)，避免帽梁底模變形，然后再在小工字鋼(或小方木)安裝底模。

(7)底模安裝完后，應(yīng)進(jìn)行復(fù)測(cè)其標(biāo)高，如果滿足設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范要求，方可進(jìn)行下道工序施工，否則應(yīng)采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整。

(8)帽梁鋼筋籠吊裝及模板安裝、砼澆筑。

(9)模板拆除：先拆除帽梁外模，后底模。拆除底模時(shí)，先松開(kāi)抱箍螺栓和工字鋼拉桿，利用導(dǎo)鏈將I50a工字鋼和帽梁困綁在一起，然后慢慢放松導(dǎo)鏈，通過(guò)工字鋼及以上的自重，將抱箍壓下(或直接采用汽車吊)。

5 抱箍法施工的注意事項(xiàng)

(1)安裝抱箍前，為防止墩柱砼被擠壓變形，墩柱同條件養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度必須達(dá)到設(shè)計(jì)值的75%后，方可進(jìn)行安裝。

(2)抱箍拆除時(shí)，應(yīng)在帽梁同條件養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的75%后進(jìn)行。

(3)施擰螺栓時(shí)一定要到位。檢查時(shí)，復(fù)核兩抱箍耳之間的間距是否小于20 mm(即設(shè)計(jì)值)。

(4)焊接操作人員必須具有上崗證。在焊接前必須做焊接試件，試件合格后，方可正式焊接。

(5)在抱箍設(shè)計(jì)加工時(shí)，焊條最好采用E50型(確保焊縫強(qiáng)度)。

6 結(jié)論

工法在武漢市三環(huán)線南環(huán)段B標(biāo)高架橋運(yùn)用時(shí)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。利用此工法施工簡(jiǎn)便，不需地基處理，現(xiàn)場(chǎng)易清理，材料不易損失，便于管理，特別是在高墩施工或在水、淤泥中、城市施工等更能顯示出其優(yōu)越性。在施工過(guò)程中很少影響道路、河道等交通，有利于快速、安全和文明施工，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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［1］路橋集團(tuán)第一公路工程局.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTJ 041-2000)［S］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］鐵道部科學(xué)研究院.鐵路鋼橋高強(qiáng)度螺栓連接施工規(guī)定(TBJ 214-1992)［S］.北京：中國(guó)鐵道部出版社，1992.

［3］石治峰.抱箍+貝雷梁現(xiàn)澆箱梁支架施工技術(shù)及受力計(jì)算［J］.山西交通科技，2011，(6).