蓋梁抱箍法在引江濟淮菜巢線橋梁工程中的應用

錢勇生

(安徽水安建設集團股份有限公司，合肥 230601 )

1 工程概況

引江濟淮工程是國家172項重大水利項目和標志性工程之一，引江濟巢安徽段菜巢線主要包括樅陽引江樞紐的跨渠交通橋和水利部分、河渠工程(含4座水系連通橋)、通航建筑物等。河渠工程的4座連通橋，單孔跨徑均為20 m，C40鋼筋混凝土蓋梁，蓋梁頂、底標高分別為15.03 m、13.73 m，墩柱高度為6.75～8.95 m，上部結構高為1.0 m的C50鋼筋混凝土預應力T型梁(后張法)，橋面寬度為6.0 m，其橫向雙向坡為1.5%。

2 蓋梁實施方案

由于河道水深，河泥覆蓋層厚，搭設排架十分困難，經分析，蓋梁施工采用抱箍法。抱箍由1.6 cm厚的2塊半圓弧形鋼板加工制作而成，使用16根M24的高強螺栓連接，底模采用厚度為1.5 cm，每塊長度為2.5 m的木板，底模龍骨采用規格為5 cm×10 cm間距為25 cm的方木；下部采用長度為3.0 m的I14工字鋼作為橫梁，鋼橫梁間距為0.3 m，共需布置10根；橫梁底部采用2根長度為12 m的I40C工字鋼作為縱梁，2根縱梁采用CC型螺旋扣式拉桿拉緊，每隔1.5 m設置1道；抱箍與墩柱接觸部位夾墊為2～3 mm橡膠墊，防止夾傷墩柱砼；縱橫梁兩端綁扎安全鋼管護欄，安裝防落網(見圖1)。

3 蓋梁抱箍法設計

3.1 抱箍法原理及結構形式

抱箍法原理即利用最大靜摩擦力克服施工荷載及蓋梁自重，而最大靜摩擦力是有墩柱上夾緊的抱箍所產生。選取易密貼的既有柔性和強度且不設加勁板的2片半圓形鋼帶作為箍身的結構形式，同時使用橡膠墊在柱子與抱箍間起到保護墩柱砼面作用。連接板豎向上布置成兩排螺栓的排列方式以減少抱箍高度，便于施工。抱箍示意見圖2，螺栓布置平面示意見圖3。

圖1 蓋梁支架形式示意

圖2 抱箍示意

圖3 螺栓布置平面示意

3.2 蓋梁抱箍法參數計算

3.2.1設計參數

本工程的蓋梁尺寸均為5.8 m×1.3 m×1.6 m，采用C40砼共12.1 m3；蓋梁兩端擋塊長度為0.3 m×0.6 m×1.2 m，C40砼0.44 m3。墩柱直徑為1.1 m，柱中心間距為3.4 m。

3.2.2橫梁計算

蓋梁鋼筋砼重量為314.6 kN；擋塊鋼筋砼重量為11.44 kN；模板重量為98 kN；施工人員荷載為23.2 kN；動荷載為23.2 kN，砼傾倒沖擊荷載和振搗荷載均取2 kN/m2；橫梁重量為5.07 kN；橫梁跨中荷載為475.51 kN；單根橫梁所受荷載為47.6 kN；其單根橫梁均布荷載(C40鋼筋混凝土蓋梁寬為1.6 m)為29.75 kN/m。

忽略懸臂兩端承受的施工人員荷載，力學模型見圖4所示。

圖4 力學模型示意

3.2.3梁抗彎與撓度計算

由橫梁彎矩分析其最大彎矩為跨中，計算最大彎矩為9.37 kN·m(分配梁彎矩示意見圖5)。

圖5 分配梁彎矩示意(單位：kN)

Q235工字鋼I14參數： 彈性模量E=2.1×105MPa，截面慣性矩I=712 cm4, 截面抵抗矩W=101. 7cm3(E為彈性模量，I為截面慣性矩，W為截面抵抗矩)。

1) 抗彎計算

σ=Mmax/W=(9.37/101.7)×103=92.1<[σ]=170 MPa。

2) 撓度計算

fmax=f=ql4(5-24λ2)/384EI =29.75×1.64(5-24×0. 12/1.62)/(384×2.1× 105×712× 10-5)=1.7

綜上①②：橫梁強度、撓度變形全部滿足施工要求。

3.2.4縱粱計算

1) 荷載計算

Q235工字鋼I40C參數：E=2.1×105MPa，I=23 900 cm4，W=1 190 cm3。每根縱梁上所承受的荷載橫梁重量為5.07 kN；縱梁重量為0.96 kN；縱梁上總荷載為241.25 kN；縱梁所承受的荷載按均布荷載計算為41.6 kN/m。

忽略懸臂兩端承受的施工人員及安全防護裝置荷載，縱梁力學模型見圖6。

圖6 縱梁力學模型示意

2) 抗彎與撓度計算

經計算縱梁跨中最大彎矩為30.16 kN·m(縱梁彎矩示意見圖7)。

圖7 縱梁彎矩示意(單位：kN·m)

① 抗彎計算

σ=Mmax/W=(30.16/1190)×103=25.3<[σ]

=170 MPa。

② 撓度計算

縱梁撓度:f=ql4(5-24λ2)/384EI=41.6×3.44(5-24×1.22/3.42)/(384×2.1×105×23900×10-5)=0.6

綜上①②可知：橫梁強度、撓度變形全部滿足施工要求。

3.2.5抱箍計算

1) 抱箍所受荷載

抱箍所受荷載為477.43 kN。

2) 計算抱箍所受正壓分布力q

抱箍與墩柱之間正壓力的大小根據抱箍所受壓力計算，在對兩抱箍片之間的螺栓施加拉力后抱箍各個部位的受力見圖8(2片抱箍對稱布置，其受力僅示一半，圖8中未示正壓力作用下產生的摩擦力)。

圖8 抱箍受力示意

m為摩擦引起的正壓力減小系數；q為抱箍連接處的分布力,kN/m；P1、P2為兩抱箍片間連接力,kN。

抱箍中間點的分布力由于摩擦影響為(1-m)q，其抱箍中間段正壓的線形損失量為2mq/(Πr) ；墩柱軸線成a夾角位置處的分布力為:q(1-2mα/Π) 。

承受外部荷載后的抱箍在正壓力的作用下，所提供的最大靜荷載力：

F=4·ξ·q[1+(1-m)]/2·Π·r/2·μ=q·(2-m)·Π·r·μ·ξ

(1)

式中(抱箍與墩柱)：

ξ——接觸系數范圍為0.45～0.65；

μ——摩擦系數；

r——墩柱半徑,m。

抱箍所提供的摩擦力應不小于其所承受的壓力，即：F≥Q總/2，計算取F=Q總/2。

根據上式推算:

q=Q總/2[(2-m)·Π·r·μ·ξ]

(2)

3) 計算兩抱箍片連接力P

施加外力后影響P1值有2個力，即正壓力P及其作用下的摩擦力F，2個力的分解見圖9～10。

圖9 α夾角位置抱箍所受正壓力分解示意

圖10 α夾角位置抱箍所受摩擦力分解示意

α夾角位置處r·dα弧長上抱箍所受力參數：

Fx、Fy為摩擦力F在x、y軸方向分解,kN；Px、Py為正壓力P在x、y軸方向分解,kN。

經以上受力分析：

Px=q·(1-2mα/Π)r·Δα·cosα；Py=q·(1-2mα/Π)r·Δα·sinα；Fx=q·(1-2mα/Π)r·Δα…μ·sinα；Fy=q·(1-2mα/Π)r·Δα…μ·cosα。

同一抱箍片Px及Fx分力相互抵消且y軸方向受力對稱，其對螺栓拉力P1、P2不產生影響，則P1、P2之和與y軸方向的摩擦力F、正壓力P2個分力之和相等。由于抱箍安裝同時旋緊兩側螺栓，即P1、P2的值近似相同，P1為抱箍1/4圓周內的y軸方向摩擦力及正壓力2分力之和。為計算摩擦力及正壓力在y軸方向的合力，現對2分力在[0,Π/2]區間內積分，積分值等于拉力P1：

抱箍螺栓處施加的外力P1由公式(2)的q值代入上式可得：

P1=Q總·(1+μ-2m/Π-mμ+2mμ/Π)/2[(2-m)·Π·r·μ·ξ]

(3)

抱箍螺栓的拉力，取決于4因素：摩擦系數μ、抱箍所有荷載Q總、接觸系數ξ、正壓力損失系數m。

其中鋼板與砼之間的摩擦系數μ取0.3(橡膠墊與混凝土及鋼板的μ分別為0.3、0.35，取其最小值)，抱箍與墩柱間的正壓力損失系數m取0.15(m為0.1～0.2)。標段墩柱表面平整度及光滑程度等施工質量均較好，因此，相關系數取μ=0.3，m=0.15，ξ=0.6，Q總=G10。

由公式(3)計算得P值為267.5 kN 。

4) 抱箍螺栓數目

選用型號為8.8級的M24粗牙螺栓，《公路施工材料手冊》查得參數：螺紋間距h為3 mm，公稱應力面積為353 mm2，保證應力為600 MPa。

則保證應力荷載[P]為公稱應力面積與保證應力之積：211.8 kN。

螺栓數目要滿足[P]n≥P，則螺栓個數：n≥P/[P]=267.5/211.8=1.3，確保安全取n=16個。

每個螺栓的受力Ps=267.5/16=16.7 kN<[P]=211.8 kN。

結論:螺栓的強度滿足要求。

5) 計算緊螺栓的扳手力Pb

旋轉一周的螺栓間距與螺母進、退一螺紋相當，螺母進、退距離與扳手端的移動遵從ΔL=2ΔhΠL/h，扳手力Pb理論所做功為PbΔL，由ΔL=2ΔhΠL/h則PbΔL=Pb2ΔhΠL/h。扳手力所做功的螺母摩擦消耗損失k取0.3(k摩擦消耗損失系數在0.2～0.4)，因此，實際扳手力做功與螺栓的關系：PsΔh=kPbΔL=kPb2ΔhΠL/h，則：

Pb=Psh/(2kΠL)

(4)

式中：

L——扳手力臂長度；

ΔL——扳手端移動距離；

h——螺紋間距3 mm；

Δh——螺母對應扳手端的移動距離ΔL的軸向移動距離；

Ps——每個螺栓的受力。

抱箍所需的緊螺栓的扳手力為88.6 N，可以借助單個人的力量或采取加長力臂完全能施加到設計要求。

6) 抱箍鋼板的厚度

抱箍鋼板的厚度、高度主要與抱箍螺栓有關，另外螺栓中心距為螺栓孔徑的3～12d，邊緣距為螺栓孔徑的1.5～4 d，本工程抱箍每側8個螺栓按2排(4個/排)豎向排列，螺栓孔徑選28 mm的抱箍高度H為50 cm。根據抱箍鋼板的極限破壞應力來確定厚度t(高度H已確定)。

綜上抱箍鋼板的厚度取t=1.6 cm，均滿足抗拉、抗剪要求。

4 實施控制要點

4.1 預壓試驗

加載蓋梁自重為1.2倍的沙袋，觀測工字鋼變形。變形量為20 mm以內且包箍無下滑則滿足檢驗要求，預壓試驗完成后才可進行下部操作。

4.2 安裝控制要點

1) 加工的抱箍內徑比墩柱外徑大1～2 cm，厚度為2～3 mm的橡膠墊布置在抱箍與墩柱接觸處，抱箍試拼在墩柱底進行。抱箍采用汽車吊吊裝，吊裝至測量高度時旋擰螺栓固定，下部采用2臺千斤頂和鋼管配合頂起抱箍進行微調，調至測量上口線，再進一步旋擰螺栓直至抱箍安裝完成。抱箍因重復使用，安裝過程中連接螺栓絲頭的質量是關鍵檢查要點，對于滑絲及開裂損壞的螺栓要予以更換。

2) 整個系統受力的關鍵取決于抱箍與墩柱間的緊固程度，施工時分三階段緊固高強螺拴：完成支撐體系的底板鋪設階段、蓋梁混凝土澆注前階段、混凝土澆注一半時階段，以消除不規則、不均勻變形造成抱箍與墩柱間松動使摩擦力減少。

3) 拆除時嚴格按由上而下的順序進行，側模先拆，工字鋼以上部分用汽車吊或導鏈固定在蓋梁上，松動高強螺栓使抱箍下降30～50 cm再次固定擰緊，抽出底模、槽鋼。抱箍等在支撐體系全部拆完后再拆下，調修周轉使用。

5 結語

引江濟淮菜巢線橋梁工程采用蓋梁抱箍法實施，有效解決了蓋梁施工期河渠水深泥厚無法搭設排架且在墩柱較高情況下的施工問題。蓋梁抱箍法施工簡便，操作性強，施工附加成本低，技術綜合優勢明顯。相比支架法的地基加固處理和搭設鋼管承重支架等其綜合成本降低50%以上，無需在墩柱預埋型鋼牛腿或內穿型鋼的預留孔洞，模板無需割孔且蓋梁施工后的墩柱無需再修補且模板搬移快捷、周轉效率高，施工中需要人員數量少安全性高。