基于不同約束條件的鋼抱箍承載力試驗研究

焦緒學(xué)，梁靖皓，馮光華

(1.中國路橋工程有限責(zé)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(jié)構(gòu)施工重要環(huán)節(jié)，需考慮項目特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)，搭配鋼抱箍或焊接牛腿作為受力支點(diǎn)承擔(dān)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(diǎn)，其承載力是個支撐系統(tǒng)的關(guān)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(jié)構(gòu)施工的安全和質(zhì)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(jié)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(shè)三個泊位，碼頭總長為1200 m，為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，碼頭面結(jié)構(gòu)采用疊合板結(jié)構(gòu)，預(yù)制面板加現(xiàn)澆面層的結(jié)構(gòu)形式。混凝土強(qiáng)度等級為C45，采用鋼管樁作為樁基礎(chǔ)，樁徑為1.2 m，整個碼頭上部結(jié)構(gòu)主要包括樁頭砼、現(xiàn)澆縱橫梁、靠船構(gòu)件、預(yù)制面板、現(xiàn)澆面層等。3 個泊位由48 個結(jié)構(gòu)段組成，單個結(jié)構(gòu)段長度為25 m，共有橫梁240 條，長度為36 m，每個結(jié)構(gòu)段有6條縱梁，長度為25 m。標(biāo)準(zhǔn)梁縱橫梁底標(biāo)高為+4.0 m，前后帽梁縱橫梁底標(biāo)高為+3.5 m。標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段平面圖和斷面圖如圖1～2 所示：

圖1 碼頭標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段平面圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段橫斷面圖

1.2 上部結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)

碼頭上部結(jié)構(gòu)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(nèi)設(shè)5 mm 橡膠墊圈，兩側(cè)采用M20 高強(qiáng)螺栓鏈接，鋼抱箍上對稱設(shè)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(jié)構(gòu)詳細(xì)構(gòu)造見圖4～5所示。

圖3 鋼抱箍實物圖

圖4 鋼抱箍結(jié)構(gòu)正面圖

圖5 鋼抱箍結(jié)構(gòu)側(cè)面圖

碼頭面以下抱箍以上的支撐結(jié)構(gòu)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(shè)計寬度1.3 m 或1.4 m，放在木枋、槽鋼之上。上部結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)示意圖如圖6 所示。

圖6 上部結(jié)構(gòu)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(dá)12 cm。見圖7 所示。此時懸臂梁澆筑方量是設(shè)計方量的一半，承載力不足導(dǎo)致鋼抱箍下滑。為找出該設(shè)計鋼抱箍的極限承載力并進(jìn)行技術(shù)改造滿足生產(chǎn)需求，項目對鋼抱箍進(jìn)行了試驗設(shè)計與研究，以求得出改造結(jié)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(dǎo)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(jìn)行抱箍承載力試驗。試驗設(shè)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(yù)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(yīng)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(gòu)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(shè)計5 個對比試驗組，通過對比結(jié)果的比較分析，以探究各種因素與試驗對象的關(guān)系。

試驗①：正常鋼抱箍+M20 高強(qiáng)螺栓；

試驗②：連接板加厚1cm+M20 高強(qiáng)螺栓；

試驗③：連接板加厚1cm+M24 高強(qiáng)螺栓；

試驗④：連接板加厚1cm+M27 高強(qiáng)螺栓；

試驗⑤：在試驗④基礎(chǔ)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(diǎn)。

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(jié)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(jié)果分析

1）試驗①與試驗②結(jié)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(nèi)側(cè)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(chǎn)生了較大位移，且出現(xiàn)抱箍內(nèi)的橡膠墊從抱箍中分離，可以判斷此時鋼抱箍已經(jīng)不滿足支撐要求；

表1 鋼抱箍試驗結(jié)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(shù)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(dǎo)致鋼抱箍鏈接板產(chǎn)生變形，分析可知，鋼抱箍連接板是直接承受螺栓拉力的構(gòu)件，需要采用足夠強(qiáng)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(diǎn)（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(yīng)注意以下問題：

1）抱箍的箍身宜采用不設(shè)環(huán)向加勁的柔性箍身，在施加預(yù)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(shè)置更多的螺栓增加預(yù)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(qiáng)螺栓的一個非常重要的特點(diǎn)就是高強(qiáng)度螺栓經(jīng)過一次加力后一般不能再用，建議采用材質(zhì)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(gòu)件，需要采用足夠強(qiáng)度、剛度和厚度的鋼板作為連接板；

5）澆筑混凝土?xí)r，由于鋼抱箍受力后產(chǎn)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(yīng)反復(fù)對螺栓進(jìn)行復(fù)擰，保證鋼抱箍受力均勻并達(dá)到設(shè)計預(yù)拉力值。

4 結(jié)語

抱箍通過與墩柱之間的靜摩擦力來承受上部結(jié)構(gòu)的重量，而靜摩擦力的產(chǎn)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(guān)系。摩擦因數(shù)與接觸面的材質(zhì)及鋼管樁表面粗糙度有關(guān)，抱箍體給鋼管樁的壓力由螺栓的預(yù)拉力來傳導(dǎo)，故關(guān)鍵是對螺栓進(jìn)行受力研究，獲取加大抱箍使用荷載的方法。

通過對抱箍進(jìn)行改造，并進(jìn)行自反力試驗，得到以下結(jié)論：

肋板剛度的增強(qiáng)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(dá)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(dá)71.7 %。

同時，本試驗通過加焊小鋼板與抱箍法結(jié)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(jìn)與各類方法綜合利用來達(dá)到最佳施工效果。