錢勇生

(安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，合肥 230601 )

1 工程概況

引江濟(jì)淮工程是國家172項(xiàng)重大水利項(xiàng)目和標(biāo)志性工程之一，引江濟(jì)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(biāo)高分別為15.03 m、13.73 m，墩柱高度為6.75～8.95 m，上部結(jié)構(gòu)高為1.0 m的C50鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)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(shí)施方案

由于河道水深，河泥覆蓋層厚，搭設(shè)排架十分困難，經(jīng)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(qiáng)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(guī)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(shè)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(hù)欄，安裝防落網(wǎng)(見圖1)。

3 蓋梁抱箍法設(shè)計(jì)

3.1 抱箍法原理及結(jié)構(gòu)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(chǎn)生。選取易密貼的既有柔性和強(qiáng)度且不設(shè)加勁板的2片半圓形鋼帶作為箍身的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)使用橡膠墊在柱子與抱箍間起到保護(hù)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(shù)計(jì)算

3.2.1設(shè)計(jì)參數(shù)

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(jì)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(dòng)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(xué)模型見圖4所示。

圖4 力學(xué)模型示意

3.2.3梁抗彎與撓度計(jì)算

由橫梁彎矩分析其最大彎矩為跨中，計(jì)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(shù)： 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(jì)算

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

2) 撓度計(jì)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(qiáng)度、撓度變形全部滿足施工要求。

3.2.4縱粱計(jì)算

1) 荷載計(jì)算

Q235工字鋼I40C參數(shù)：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(jì)算為41.6 kN/m。

忽略懸臂兩端承受的施工人員及安全防護(hù)裝置荷載，縱梁力學(xué)模型見圖6。

圖6 縱梁力學(xué)模型示意

2) 抗彎與撓度計(jì)算

經(jīng)計(jì)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(jì)算

σ=Mmax/W=(30.16/1190)×103=25.3<[σ]

=170 MPa。

② 撓度計(jì)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(qiáng)度、撓度變形全部滿足施工要求。

3.2.5抱箍計(jì)算

1) 抱箍所受荷載

抱箍所受荷載為477.43 kN。

2) 計(jì)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(jù)抱箍所受壓力計(jì)算，在對(duì)兩抱箍片之間的螺栓施加拉力后抱箍各個(gè)部位的受力見圖8(2片抱箍對(duì)稱布置，其受力僅示一半，圖8中未示正壓力作用下產(chǎn)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(shù)；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(diǎn)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(shù)范圍為0.45～0.65；

μ——摩擦系數(shù)；

r——墩柱半徑,m。

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

根據(jù)上式推算:

q=Q總/2[(2-m)·Π·r·μ·ξ]

(2)

3) 計(jì)算兩抱箍片連接力P

施加外力后影響P1值有2個(gè)力，即正壓力P及其作用下的摩擦力F，2個(gè)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(shù)：

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(jīng)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(duì)稱，其對(duì)螺栓拉力P1、P2不產(chǎn)生影響，則P1、P2之和與y軸方向的摩擦力F、正壓力P2個(gè)分力之和相等。由于抱箍安裝同時(shí)旋緊兩側(cè)螺栓，即P1、P2的值近似相同，P1為抱箍1/4圓周內(nèi)的y軸方向摩擦力及正壓力2分力之和。為計(jì)算摩擦力及正壓力在y軸方向的合力，現(xiàn)對(duì)2分力在[0,Π/2]區(qū)間內(nèi)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(shù)μ、抱箍所有荷載Q總、接觸系數(shù)ξ、正壓力損失系數(shù)m。

其中鋼板與砼之間的摩擦系數(shù)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(shù)m取0.15(m為0.1～0.2)。標(biāo)段墩柱表面平整度及光滑程度等施工質(zhì)量均較好，因此，相關(guān)系數(shù)取μ=0.3，m=0.15，ξ=0.6，Q總=G10。

由公式(3)計(jì)算得P值為267.5 kN 。

4) 抱箍螺栓數(shù)目

選用型號(hào)為8.8級(jí)的M24粗牙螺栓，《公路施工材料手冊(cè)》查得參數(shù)：螺紋間距h為3 mm，公稱應(yīng)力面積為353 mm2，保證應(yīng)力為600 MPa。

則保證應(yīng)力荷載[P]為公稱應(yīng)力面積與保證應(yīng)力之積：211.8 kN。

螺栓數(shù)目要滿足[P]n≥P，則螺栓個(gè)數(shù)：n≥P/[P]=267.5/211.8=1.3，確保安全取n=16個(gè)。

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

結(jié)論:螺栓的強(qiáng)度滿足要求。

5) 計(jì)算緊螺栓的扳手力Pb

旋轉(zhuǎn)一周的螺栓間距與螺母進(jìn)、退一螺紋相當(dāng)，螺母進(jìn)、退距離與扳手端的移動(dòng)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(shù)在0.2～0.4)，因此，實(shí)際扳手力做功與螺栓的關(guān)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(dòng)距離；

h——螺紋間距3 mm；

Δh——螺母對(duì)應(yīng)扳手端的移動(dòng)距離ΔL的軸向移動(dòng)距離；

Ps——每個(gè)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(gè)人的力量或采取加長力臂完全能施加到設(shè)計(jì)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(guān)，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(cè)8個(gè)螺栓按2排(4個(gè)/排)豎向排列，螺栓孔徑選28 mm的抱箍高度H為50 cm。根據(jù)抱箍鋼板的極限破壞應(yīng)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(shí)施控制要點(diǎn)

4.1 預(yù)壓試驗(yàn)

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(nèi)且包箍無下滑則滿足檢驗(yàn)要求，預(yù)壓試驗(yàn)完成后才可進(jìn)行下部操作。

4.2 安裝控制要點(diǎn)

1) 加工的抱箍內(nèi)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(jìn)行。抱箍采用汽車吊吊裝，吊裝至測量高度時(shí)旋擰螺栓固定，下部采用2臺(tái)千斤頂和鋼管配合頂起抱箍進(jìn)行微調(diào)，調(diào)至測量上口線，再進(jìn)一步旋擰螺栓直至抱箍安裝完成。抱箍因重復(fù)使用，安裝過程中連接螺栓絲頭的質(zhì)量是關(guān)鍵檢查要點(diǎn)，對(duì)于滑絲及開裂損壞的螺栓要予以更換。

2) 整個(gè)系統(tǒng)受力的關(guān)鍵取決于抱箍與墩柱間的緊固程度，施工時(shí)分三階段緊固高強(qiáng)螺拴：完成支撐體系的底板鋪設(shè)階段、蓋梁混凝土澆注前階段、混凝土澆注一半時(shí)階段，以消除不規(guī)則、不均勻變形造成抱箍與墩柱間松動(dòng)使摩擦力減少。

3) 拆除時(shí)嚴(yán)格按由上而下的順序進(jìn)行，側(cè)模先拆，工字鋼以上部分用汽車吊或?qū)ф湽潭ㄔ谏w梁上，松動(dòng)高強(qiáng)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(diào)修周轉(zhuǎn)使用。

5 結(jié)語

引江濟(jì)淮菜巢線橋梁工程采用蓋梁抱箍法實(shí)施，有效解決了蓋梁施工期河渠水深泥厚無法搭設(shè)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(qiáng)，施工附加成本低，技術(shù)綜合優(yōu)勢(shì)明顯。相比支架法的地基加固處理和搭設(shè)鋼管承重支架等其綜合成本降低50%以上，無需在墩柱預(yù)埋型鋼牛腿或內(nèi)穿型鋼的預(yù)留孔洞，模板無需割孔且蓋梁施工后的墩柱無需再修補(bǔ)且模板搬移快捷、周轉(zhuǎn)效率高，施工中需要人員數(shù)量少安全性高。