鋼抱箍在海上現澆大體積高樁承臺底模支撐系統中的應用

馬禮明，張野

（中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮江212004）

1 項目背景情況

越南某海港工程包含了油碼頭主墩、系纜墩、海上變電站基礎承臺、海上泵房基礎承臺等多個高樁承臺。各高樁承臺結構形式基本一樣，僅尺寸上有差異，承臺樁基是直徑為800mm 的高強度預應力混凝土管樁（簡稱PHC 樁），上部為1.8m 厚的現澆鋼筋混凝土承臺。其中以海上變電站承臺基礎為例，D800mm PHC 樁數量為3×5=15 根，承臺尺寸為25m×13.3m×1.8m。

2 底模支撐方法選擇

底模支撐系統是海上高樁大體積承臺現澆施工中一個重點及難點，為此結合本項目承臺特點，對底模支撐中常用的吊筋、牛腿、抱箍3 種支撐方法進行了對比分析。

2.1 牛腿法

牛腿法就是樁身側面焊接牛腿，以支撐底模系統。該方法僅適用于鋼管樁，拆除底模時需切割掉牛腿，而切割留下的疤痕需要進行二次防腐，會影響鋼管樁的防腐質量。施工用材主要為牛腿用型鋼及焊材，海上焊接時需要提供焊接平臺，不需大型設備，成本適中。

2.2 吊筋法

吊筋法就是從樁頭上焊接圓鋼來吊住底模系統。拆除底模系統時需鑿孔切割吊筋，而吊筋切割不深或鑿孔修補不到位會影響混凝土的耐腐蝕性能，另外，吊筋在荷載下存在一定拉伸，會導致不均勻沉降。施工用材主要為吊拉用圓鋼及少量焊材，焊接量較少，海上焊接時需要提供焊接平臺，不要大型設備，成本較低。

2.3 抱箍法

抱箍法就是用2 個半圓抱緊樁基，利用摩擦力來提供支撐力以支撐底模系統。需一次性投入較大資金以進行鋼抱箍的加工制作，但可重復使用，不影響樁或者上部混凝土質量。單個抱箍質量較大，需要用浮排進行安裝，不需大型設備，成本相對較高。

從以上3 種方案各自優缺點來看，本項目為PHC 樁基礎，牛腿法不適用；本項目為海工項目，質量要求更高，而吊筋法存在吊筋切割及修補影響混凝土質量的問題，故不適用；綜上，本項目選擇抱箍法。

采用鋼抱箍支撐形式的底模系統，其組成從下往上依次為鋼抱箍、橫向主梁型鋼、縱向分配梁型鋼、木方、竹膠板，如圖1 所示。

圖1 鋼抱箍支撐形式的承臺底模結構示意圖

3 鋼抱箍的形式設計

對于圓形樁基，抱箍應采用2 個半圓形的鋼帶，通過連接板上的螺栓連接在一起，使鋼板與墩身密貼，能夠承受一定的重量而不變形，基本組成包含以下3 個部分。

第一部分為緊抱樁基礎的鋼帶，該鋼帶斷面尺寸（板厚及高度）由所需提供承載力決定，2 個半圓合并連接后的總弧長小于樁基外徑周長2～3cm。

第二部分為支架，包含腹板及加勁翼緣板。腹板長度由作用于支架上的荷載位置確定，而斷面尺寸則可根據承受的荷載進行計算確定。加勁翼緣板的尺寸則主要由其上面承受荷載計算確定。

第三部分為2 個半圓抱箍連接用螺栓。螺栓通常2 排對稱布置，螺栓的數量和等級根據所需要提供的最大緊固力確定。

根據本項目特點及要求，設計了如下結構形式及尺寸的鋼抱箍,如圖2、圖3 及表1 所示。

圖2 鋼抱箍平面圖

4 鋼抱箍受力計算及驗算

為確保鋼抱箍受力滿足要求，使用安全可靠，需要進行抱箍設計承載力計算、抱箍抗滑摩擦力計算、螺栓緊固力計算，以及鋼抱箍各組成部分及焊縫強度驗算等。

4.1 單抱箍最大設計承載力計算

單抱箍設計承載力主要根據上部荷載情況，依次計算出混凝土自重，底模、側模自重，施工荷載等并考慮一定的安全系數，推算出單抱箍所需最大的設計承載力。為減少單次澆筑混凝土時單抱箍承擔荷載過大，確保底模支撐安全，墩臺可進行分層澆筑。本項目墩臺厚度1.8m，第一次澆筑厚度為0.5m，第二次1.3m。經過計算，單抱箍所需最大設計承載力為[F]max=365kN。

圖3 鋼抱箍側視圖

4.2 單抱箍抗滑摩擦力計算

根據JJG J82—2011《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》[1]，單個8.8 級M24 高強螺栓受拉承載力設計值可由以下公式計算：

表1 鋼抱箍材料構成表

式中，P為每個高強度螺栓的預拉力，kN，取175kN。

12 個高強螺栓受拉承載力為：

考慮到6 個螺栓分成2 列，作用于鋼抱箍上的有效拉力從外到內有一定的降低，故取安全系數1.5。

鋼抱箍對樁基壓力由12 個高強8 級螺栓產生，因此最大摩擦力為：

式中，μ為本項目鋼抱箍內粘貼有一層土工布時的摩擦系數，取0.4。

從上面可以看出，單抱箍所能提供的最大摩擦力fmax=448kN，大于單抱箍所需最大設計承載力[F]max=365kN，從理論計算上證明了抱箍承載能力滿足要求。

4.3 螺栓緊固力計算

螺栓是否上緊則關系到抱箍抗滑摩擦力大小，若未上緊將降低抱箍的承載力，會導致抱箍承載力不足，進而導致承臺現澆過程中出現垮塌的事故。故需要確定一個螺栓緊固力，以此來評估鋼抱箍安裝質量是否達到要求。用扭矩法擰緊高強度螺栓連接時，分為初擰和終擰，初擰扭矩一般為終擰扭矩的50%。根據JTJ 041—2000《公路橋涵施工技術規范》[2]，終擰扭矩可按如下公式計算：

式中，TC為終擰扭矩，N·m；K為高強度螺栓連接扭矩系數平均值，范圍為0.11～0.15，取0.13；PC為高強度螺栓施工預拉力，kN；d為高強度螺栓公稱直徑，mm。

單個螺栓終擰扭矩為：TC=KPCd=0.13×175×24=546N·m；可理解為當扳手手柄加長到0.9m，需606N 的力即可滿足螺栓緊固要求。實際施工過程中，則體重60kg 左右的人在緊固螺栓時可腳踩1m 左右的手柄，踩不動即能滿足要求。

4.4 抱箍各部分強度驗算

為確保抱箍受力安全，還需根據相關施工計算手冊及力學計算公式等對鋼抱箍鋼帶抗拉抗剪強度，支架翼緣板，腹板抗拉、抗剪、抗彎強度以及焊縫強度進行驗算以確保滿足受力要求。本文不再詳述。

5 鋼抱箍承載力試驗

前文主要結合理論或經驗公式進行了鋼抱箍承載力、強度的計算和驗算。在實際施工中，為進一步驗證鋼抱箍承載力是否滿足要求，還需要進行專門的鋼抱箍承載力試驗。該試驗目的一是檢查抱箍在設計荷載下的變形質量情況，二是驗證鋼抱箍所能提供的抗滑摩擦力情況。對于該試驗，需要盡量模擬出與實際施工相同的工況。結合本項目實際，選取了直徑800mm 的PHC 樁，鋼抱箍內粘貼好土工布，將2 個鋼抱箍安裝緊箍在PHC 樁之上，中間采用2 個50t 的千斤頂進行加載，在逐級加載下用千分表記錄出抱箍的滑移及變形情況，試驗示意圖及試驗記錄數據如圖4、表2 所示。

圖4 鋼抱箍承載力試驗示意圖

表2 試驗記錄數據

根據試驗記錄數據及現場觀測，鋼抱箍在承受400kN 荷載的時候，鋼抱箍滑移及變形導致的位移小于5mm，從而驗證了鋼抱箍實際承載能力是滿足前文計算的單抱箍最大設計承載力[F]max=365kN 要求。在鋼抱箍荷載加載到600kN，鋼抱箍變形及滑移導致的位移為7mm，仍滿足要求，且鋼抱箍未出現較大變形、螺栓松弛或焊縫斷裂現象，整體質量可靠。

6 應用過程中需注意的問題

1）鋼抱箍加工制作過程中，需要嚴格按照鋼結構焊接要求進行焊接，確保焊縫飽滿，焊接長度滿足設計尺寸要求。

2）鋼抱箍內壁宜加墊摩阻力較大的柔性材料，如橡膠墊、麻袋片、土工布等，以增加抱箍與樁身之間的摩擦力，同時，該柔性材料還可以保護樁身避免被鋼抱箍刮擦而破壞。

3）鋼抱箍鋼帶在加工過程中的彎曲直徑可以按照樁直徑彎曲，但鋼帶總弧長小于樁身外徑周長2～3cm，以保證螺栓上緊后抱箍能夠緊固在樁身上。

4）鋼抱箍須設置足夠厚度的連接板，連接板上的螺栓在豎向上宜布置成2 排，螺栓預拉力足夠以保證鋼抱箍與樁身間的摩擦力可靠地傳遞荷載。

5）鋼抱箍安裝可以采用留有缺口的浮排作為安裝平臺，2～3 人一組，按照承臺底模標高反推算抱箍安裝標高進而進行安裝，且必須按照計算的緊固力要求確保每個螺栓擰緊到位。

6）鋼抱箍使用完成后注意回收，堆存合理，防止變形，以便于后續項目重復使用。

7 結語

鋼抱箍作為海上高樁承臺結構底模支撐的一種形式，有效避免了吊筋法及牛腿法的一些缺點，并且具有不影響質量及多次利用優點，也可以在其他海上高樁結構中廣泛應用。實際應用過程中，鋼抱箍的形式設計、設計承載力計算、強度驗算、試驗驗證等是確保鋼抱箍能夠安全使用的必要工作，本文的總結歸納對類似項目有一定的參考意義。