馬禮明，張野

（中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212004）

1 項(xiàng)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(chǔ)承臺(tái)、海上泵房基礎(chǔ)承臺(tái)等多個(gè)高樁承臺(tái)。各高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)形式基本一樣，僅尺寸上有差異，承臺(tái)樁基是直徑為800mm 的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（簡稱PHC 樁），上部為1.8m 厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土承臺(tái)。其中以海上變電站承臺(tái)基礎(chǔ)為例，D800mm PHC 樁數(shù)量為3×5=15 根，承臺(tái)尺寸為25m×13.3m×1.8m。

2 底模支撐方法選擇

底模支撐系統(tǒng)是海上高樁大體積承臺(tái)現(xiàn)澆施工中一個(gè)重點(diǎn)及難點(diǎn)，為此結(jié)合本項(xiàng)目承臺(tái)特點(diǎn)，對(duì)底模支撐中常用的吊筋、牛腿、抱箍3 種支撐方法進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.1 牛腿法

牛腿法就是樁身側(cè)面焊接牛腿，以支撐底模系統(tǒng)。該方法僅適用于鋼管樁，拆除底模時(shí)需切割掉牛腿，而切割留下的疤痕需要進(jìn)行二次防腐，會(huì)影響鋼管樁的防腐質(zhì)量。施工用材主要為牛腿用型鋼及焊材，海上焊接時(shí)需要提供焊接平臺(tái)，不需大型設(shè)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(tǒng)。拆除底模系統(tǒng)時(shí)需鑿孔切割吊筋，而吊筋切割不深或鑿孔修補(bǔ)不到位會(huì)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(huì)導(dǎo)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(shí)需要提供焊接平臺(tái)，不要大型設(shè)備，成本較低。

2.3 抱箍法

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

從以上3 種方案各自優(yōu)缺點(diǎn)來看，本項(xiàng)目為PHC 樁基礎(chǔ)，牛腿法不適用；本項(xiàng)目為海工項(xiàng)目，質(zhì)量要求更高，而吊筋法存在吊筋切割及修補(bǔ)影響混凝土質(zhì)量的問題，故不適用；綜上，本項(xiàng)目選擇抱箍法。

采用鋼抱箍支撐形式的底模系統(tǒng)，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(tái)底模結(jié)構(gòu)示意圖

3 鋼抱箍的形式設(shè)計(jì)

對(duì)于圓形樁基，抱箍應(yīng)采用2 個(gè)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(gè)部分。

第一部分為緊抱樁基礎(chǔ)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(gè)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(jù)承受的荷載進(jìn)行計(jì)算確定。加勁翼緣板的尺寸則主要由其上面承受荷載計(jì)算確定。

第三部分為2 個(gè)半圓抱箍連接用螺栓。螺栓通常2 排對(duì)稱布置，螺栓的數(shù)量和等級(jí)根據(jù)所需要提供的最大緊固力確定。

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)及要求，設(shè)計(jì)了如下結(jié)構(gòu)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(jì)算及驗(yàn)算

為確保鋼抱箍受力滿足要求，使用安全可靠，需要進(jìn)行抱箍設(shè)計(jì)承載力計(jì)算、抱箍抗滑摩擦力計(jì)算、螺栓緊固力計(jì)算，以及鋼抱箍各組成部分及焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算等。

4.1 單抱箍最大設(shè)計(jì)承載力計(jì)算

單抱箍設(shè)計(jì)承載力主要根據(jù)上部荷載情況，依次計(jì)算出混凝土自重，底模、側(cè)模自重，施工荷載等并考慮一定的安全系數(shù)，推算出單抱箍所需最大的設(shè)計(jì)承載力。為減少單次澆筑混凝土?xí)r單抱箍承擔(dān)荷載過大，確保底模支撐安全，墩臺(tái)可進(jìn)行分層澆筑。本項(xiàng)目墩臺(tái)厚度1.8m，第一次澆筑厚度為0.5m，第二次1.3m。經(jīng)過計(jì)算，單抱箍所需最大設(shè)計(jì)承載力為[F]max=365kN。

圖3 鋼抱箍側(cè)視圖

4.2 單抱箍抗滑摩擦力計(jì)算

根據(jù)JJG J82—2011《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》[1]，單個(gè)8.8 級(jí)M24 高強(qiáng)螺栓受拉承載力設(shè)計(jì)值可由以下公式計(jì)算：

表1 鋼抱箍材料構(gòu)成表

式中，P為每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力，kN，取175kN。

12 個(gè)高強(qiáng)螺栓受拉承載力為：

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

鋼抱箍對(duì)樁基壓力由12 個(gè)高強(qiáng)8 級(jí)螺栓產(chǎn)生，因此最大摩擦力為：

式中，μ為本項(xiàng)目鋼抱箍內(nèi)粘貼有一層土工布時(shí)的摩擦系數(shù)，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(shè)計(jì)承載力[F]max=365kN，從理論計(jì)算上證明了抱箍承載能力滿足要求。

4.3 螺栓緊固力計(jì)算

螺栓是否上緊則關(guān)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(huì)導(dǎo)致抱箍承載力不足，進(jìn)而導(dǎo)致承臺(tái)現(xiàn)澆過程中出現(xiàn)垮塌的事故。故需要確定一個(gè)螺栓緊固力，以此來評(píng)估鋼抱箍安裝質(zhì)量是否達(dá)到要求。用扭矩法擰緊高強(qiáng)度螺栓連接時(shí)，分為初擰和終擰，初擰扭矩一般為終擰扭矩的50%。根據(jù)JTJ 041—2000《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[2]，終擰扭矩可按如下公式計(jì)算：

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

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

4.4 抱箍各部分強(qiáng)度驗(yàn)算

為確保抱箍受力安全，還需根據(jù)相關(guān)施工計(jì)算手冊及力學(xué)計(jì)算公式等對(duì)鋼抱箍鋼帶抗拉抗剪強(qiáng)度，支架翼緣板，腹板抗拉、抗剪、抗彎強(qiáng)度以及焊縫強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)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(yàn)

前文主要結(jié)合理論或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了鋼抱箍承載力、強(qiáng)度的計(jì)算和驗(yàn)算。在實(shí)際施工中，為進(jìn)一步驗(yàn)證鋼抱箍承載力是否滿足要求，還需要進(jìn)行專門的鋼抱箍承載力試驗(yàn)。該試驗(yàn)?zāi)康囊皇菣z查抱箍在設(shè)計(jì)荷載下的變形質(zhì)量情況，二是驗(yàn)證鋼抱箍所能提供的抗滑摩擦力情況。對(duì)于該試驗(yàn)，需要盡量模擬出與實(shí)際施工相同的工況。結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際，選取了直徑800mm 的PHC 樁，鋼抱箍內(nèi)粘貼好土工布，將2 個(gè)鋼抱箍安裝緊箍在PHC 樁之上，中間采用2 個(gè)50t 的千斤頂進(jìn)行加載，在逐級(jí)加載下用千分表記錄出抱箍的滑移及變形情況，試驗(yàn)示意圖及試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如圖4、表2 所示。

圖4 鋼抱箍承載力試驗(yàn)示意圖

表2 試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)及現(xiàn)場觀測，鋼抱箍在承受400kN 荷載的時(shí)候，鋼抱箍滑移及變形導(dǎo)致的位移小于5mm，從而驗(yàn)證了鋼抱箍實(shí)際承載能力是滿足前文計(jì)算的單抱箍最大設(shè)計(jì)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(dǎo)致的位移為7mm，仍滿足要求，且鋼抱箍未出現(xiàn)較大變形、螺栓松弛或焊縫斷裂現(xiàn)象，整體質(zhì)量可靠。

6 應(yīng)用過程中需注意的問題

1）鋼抱箍加工制作過程中，需要嚴(yán)格按照鋼結(jié)構(gòu)焊接要求進(jìn)行焊接，確保焊縫飽滿，焊接長度滿足設(shè)計(jì)尺寸要求。

2）鋼抱箍內(nèi)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(shí)，該柔性材料還可以保護(hù)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(shè)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(yù)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(tái)，2～3 人一組，按照承臺(tái)底模標(biāo)高反推算抱箍安裝標(biāo)高進(jìn)而進(jìn)行安裝，且必須按照計(jì)算的緊固力要求確保每個(gè)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(xù)項(xiàng)目重復(fù)使用。

7 結(jié)語

鋼抱箍作為海上高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)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(diǎn)，并且具有不影響質(zhì)量及多次利用優(yōu)點(diǎn)，也可以在其他海上高樁結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用過程中，鋼抱箍的形式設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)承載力計(jì)算、強(qiáng)度驗(yàn)算、試驗(yàn)驗(yàn)證等是確保鋼抱箍能夠安全使用的必要工作，本文的總結(jié)歸納對(duì)類似項(xiàng)目有一定的參考意義。