鋼抱箍支架現澆帽梁施工技術

瞿金瑋，葉炳麟，魯劉磊

(1.江西省九江市武寧縣交通運輸局;2.暨南大學理工學院)

1 工程概況

工程為武漢市三環線南環段(青菱-野芷)工程青菱立交-勝利村B標高架橋，橋梁全長1 475 m(墩號0#～58#)，下部結構為兩根φ1.2 m圓柱式橋墩，基礎為兩根φ1.2 m鉆孔灌注樁，橋墩與鉆孔灌注樁之間采用承臺連接，承臺之間設有高為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，每個帽梁自重為89.75 t(其中0#帽梁自重103.5 t)。帽梁數量共計118個，柱平均高度為7.5 m，其混凝土設計強度等級均為 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。現對這四種施工方法進行比較，從經濟性(含工期)(見表1)、可操作性(見表2)和安全性(見表3)三個方面入手，分析其在實際工程中的效果，具體參見表1、表2、表3。

臺班 易損耗 平均每個2 滿堂支撐 16 1 3 門式支架 16 1臺班 易損耗 需要1 000元4 穿洞法 16 1臺班 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 此工法施工簡單、操作方便，適應性較廣(與以下三種工法相比，其為首先考慮對象)，且使用工具主要是扭矩扳手。2 滿堂支撐 此工法施工煩瑣，耗工費時，周轉材料數量較多;且對地基承載力有強制性要求、且支架搭設完后需預壓。3 門式支架 此工法除對地基承載力有強制性要求外;其在水中、交通通行地段等也受到嚴重約束。4 穿洞法 此工法容易破壞受力結構物、影響結構物外觀質量。

通過表1、表2、表3的比對分析，相較其它三種方法，鋼抱箍支撐顯示了其獨特的優越性：第一，經濟性：在地基處理和消耗工日方面，每個帽梁可節省1 360元(人工費按定額30元/工日)，標段共118個帽梁，合計金額達118 360元(不含原材料損耗費用);在同等條件下，每個帽梁可以提前1 d完成，全橋帽梁總工期可提前118 d。第二，可操作性：鋼抱箍施工技術簡單，操作方便，且本標段墩柱結構尺寸均統一，實用性強。第三，安全性：鋼抱箍支架安全性高于其他三種工法。

表3 安全性對比

因此，本工程擬采用鋼抱箍支撐施工技術。

3 鋼抱箍式支架支撐體系

其原理是在墩柱上適當部位安裝兩塊半圓形的抱箍，并通過在抱箍耳托板上設置一定數量的螺栓，施擰產生預拉力聯結緊固，使之與墩柱抱緊后產生的最大靜摩擦力來平衡施工臨時荷載及帽梁自重。即關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 鋼抱箍的結構形式

抱箍的結構形式由兩個半圓定型抱箍拼裝而成，在半圓口兩側焊接與起彎點切線成90°的抱箍耳，然后利用螺栓通過抱箍耳將兩個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生扭曲。抱箍高度由抱箍耳上的螺栓個數決定。

3.2 鋼抱箍的設計

3.2.1 鋼抱箍受力分析

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

通過設計資料可計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來平衡，因此，當 f≥K ×F=951.32 kN(K 為安全系數，取 K=1.7)時，鋼抱箍在F作用下不會產生向下滑動，即為安全結構。

3.2.2 連接螺栓數量的計算

鋼抱箍與墩柱之間摩擦力f的計算公式為

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，鋼材與混凝土間的摩擦系數為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為螺栓個數，F1為每個螺栓預拉力)。

現場施工中使用的螺栓一般不采用高強螺栓，原因：(1)經過一次加力松弛循環后不能再使用;(2)市場上一般購買不到所需要的規格產品，必須到廠家直接訂購。如果采用高強螺栓會加大施工投入并帶來極大麻煩，所以一般采用材質45號鋼的M30大直徑螺栓。

每個螺栓的允許拉力為

式中：As為普通螺栓的橫截面積，As=πd2/4;［σ］—鋼材允許應力。對于45號鋼，［σ］=2 000 kg/cm2。

由公式(2)可計算得

再代入(1)式可得，f=μ×N=0.3×140n=42n

由于 f≥951.32 kN，計算得出：n≥22.65，即螺栓數量為23個，但螺栓個數必須是偶數，所以取螺栓數量為24個。根據螺栓數量，可擬定鋼抱箍高度為800 mm，每側布置兩排螺栓，每排均為6個，每個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下，其豎直截面承受拉應力，其受力模型如圖1。

圖1 鋼抱箍力學模型

式中：A0為鋼抱箍截面計算面積;σ為鋼材抗拉強度設計值，MPa，為 215 MPa;N為鋼抱箍受到螺栓預拉力，kN，140 kN/個，即 N=12×140 kN=1 680 kN。

由公式(3)可得：A0=1 680/215=7 813.95 mm2

因為鋼抱箍高為800 mm，計算得出抱箍厚度 δ=9.8 mm，取 δ=10 mm。

通過上述計算，擬定鋼抱箍結構形式：高為800 mm，抱箍耳寬度為200 mm，并在每個抱箍耳上設置6個豎向雙排孔，再利用M30普通螺栓使兩個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。并在抱箍耳轉角內側、在螺栓與螺栓之間加焊角鋼，其連接采用角焊縫。確保抱箍耳受力時不會發生扭曲變形。加工成形后應確保抱箍周長比墩柱周長小40 mm(即拼裝完后，抱箍耳每側之間的間距為20 mm)，同時應在抱箍外側設三個吊點，便于吊裝。相關布置尺寸示意圖詳見圖2。

3.3 鋼抱箍局部不利位置驗算

(1)抱箍耳剪應力計算

一個抱箍受到的作用力為F，則每個抱箍耳受到的作用力為F/2，可根據公式(4)計算出垂直焊縫長度方向的剪應力值

所以，鋼抱箍受力截面積的計算公式為

式中：τf為垂直于焊縫長度方向應力值;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為焊縫長度，實際焊縫長度減10 mm;V為即為F/2。

圖2 鋼抱箍相關布置尺寸示意圖

則由公式(4)可算得

(2)平行焊縫長度方向應力值

抱箍耳在螺栓作用下產生力由抱箍耳和焊縫來承擔：

(3)在τf和σ1共同作用下，角焊接強度由下式驗算

式中：βt為正面焊縫強度增大系數，取1.22;ff為角焊縫強度設計值，取200 MPa。

將已知量代入公式(5)中，得

經驗算，鋼抱箍受力最不利位置均滿足要求。可見，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)鋼抱箍進場時，應對其半徑、周長、焊接外觀質量等進行嚴格檢查。在投入使用之前，必須通過試驗并達到一定的安全系數(不小于規范要求值)后才能確定使用。試驗方法：先澆筑一個高約1.0～1.5 m的試驗墩柱，待同條件養護試件強度達到設計強度75%后，將鋼抱箍安裝在試驗墩柱上，采用扭矩法擰緊螺栓。在鋼抱箍耳下部兩側各放置一臺150 t的液壓千斤頂。千斤頂與油壓表泵連接好后，同時打開兩個油泵閥門，使千斤頂同時作用于鋼抱箍，通過油壓表的讀出千斤頂作用于鋼抱箍力的大小，當鋼抱箍開始滑動時記下油表讀數，計算出力的大小。即可得出鋼抱箍承受力的極限荷載。

(2)鋼抱箍安裝時，根據帽梁底設計標高、工字鋼高度等反算出鋼抱箍安裝在墩柱上的標高，然后用水準儀將標高準確放到墩柱上，并作好識別標志。

(3)鋼抱箍安裝前，應在鋼抱箍內用萬能膠粘貼約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墩柱外表受到撞傷或磨損。但在拆除抱箍后，應及時清除橡膠墊留下黑印，避免影響墩柱外觀質量。

(4)鋼抱箍安裝時，在地面上只拼裝成形，然后利用鋼絲繩穿過吊裝點，將鋼抱箍吊到墩柱標志線上，再采用扭矩法或扭角法進行施擰螺栓。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，防止向外側傾覆。

(6)在I50a工字鋼上鋪設小工字鋼(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，應進行復測其標高，如果滿足設計及施工技術規范要求，方可進行下道工序施工，否則應采取相應措施進行調整。

(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，先松開抱箍螺栓和工字鋼拉桿，利用導鏈將I50a工字鋼和帽梁困綁在一起，然后慢慢放松導鏈，通過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

(1)安裝抱箍前，為防止墩柱砼被擠壓變形，墩柱同條件養護試件強度必須達到設計值的75%后，方可進行安裝。

(2)抱箍拆除時，應在帽梁同條件養護試件強度達到設計值的75%后進行。

(3)施擰螺栓時一定要到位。檢查時，復核兩抱箍耳之間的間距是否小于20 mm(即設計值)。

(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)在抱箍設計加工時，焊條最好采用E50型(確保焊縫強度)。

6 結論

工法在武漢市三環線南環段B標高架橋運用時，取得了良好的經濟效益和社會效益。利用此工法施工簡便，不需地基處理，現場易清理，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越性。在施工過程中很少影響道路、河道等交通，有利于快速、安全和文明施工，具有很好的推廣應用價值。

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

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

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