圆弧形桥墩预应力顶帽抱箍支架设计与施工技术

宋健明

（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350）

1 工程概况

本文的背景工程为天津市滨海新区轨道交通Z4线一期工程土建施工第2 合同段（高架段），线路全长10.924 km.工程场地主要为盐渍土、软土、填土.区间场地内无河流，但部分线路位于现状虾池内，虾池水深约 0.4～5.2 m.

高架区间桥梁简支U 梁采用圆弧形桥墩，桥墩高9～24 m，简支U 梁墩顶设置预应力顶帽.顶帽高150 cm，平面尺寸1 050 cm × 324 cm，桥墩两侧顶帽悬臂长370 cm.顶帽采用C50 混凝土，混凝土自重68.6 t.本工程简支U 梁圆弧形桥墩共计195 个.桥墩断面及顶帽形式见图1-2.为解决该工程软土地基支架不均匀沉降及水中桥墩顶帽施工难题，桥墩顶帽施工采用抱箍支架法[1].

图1 桥墩及桥墩顶帽立面

图2 桥墩截面尺寸（单位：cm）

2 抱箍支架设计

抱箍支架设计是采用弧形抱箍与桥墩混凝土间静摩擦力平衡桥墩顶帽施工总荷载.抱箍支架主要由双层抱箍、抱箍间连接杆（构件3）、斜向支撑（构件1）、承重主梁（构件5）、分配梁（构件6）五部分组成，抱箍支架结构[2]见图3.

图3 抱箍支架断面（单位：cm）

抱箍支架设计内容具体如下.

（1）在桥墩适当位置设置双层抱箍，上下层抱箍采用4 根对称连接杆件（构件3）进行连接，确保上下层抱箍共同受力.

（2）每层抱箍由两个弧形部分（见图4）、两个直线箱体（见图5）组成.抱箍高800 mm，采用Q235 钢板制作；底层抱箍直线箱体上设置与斜撑（构件1）连接的铰耳（见图 5）.

（3）弧形抱箍与直线箱体连接钢板间设置2 cm 宽平行缝，并采用两排共8 根M36 普通螺栓进行连接.抱箍组装断面见图6.

（4）抱箍与桥墩混凝土间设置厚度为1 cm 的天然橡胶垫板，避免施工过程中抱箍对桥墩混凝土造成破坏，影响桥墩外观质量.橡胶垫板力学参数见表1.

图4 弧形抱箍结构（单位：cm）

图5 直线箱体结构（单位：cm）

图6 抱箍断面

表1 橡胶垫板力学性能参数[3]

（5）承重主梁放置在顶层抱箍上，距离主梁端部2.65 m 设置工字钢斜向支撑，斜向支撑与主梁采用法兰连接，与底层抱箍牛腿采用铰接.

（6）斜向支撑间横桥向、顺桥向两个方向设置水平连接系杆，确保架体稳定.

（7）主梁上方设置双拼槽钢作为分配梁.

3 结构验算

根据设计资料及施工工况条件，计算得出抱箍承受的施工总荷载[4]

式中：γGj为永久荷载分项系数，取值 1.35；γQi为可变荷载分项系数，取值1.4.

3.1 弧形抱箍对砼的压应力

弧形抱箍对桥墩混凝土的压应力σ1可由μσ1BπD=KG 计算求得，σ1= KG/μBπD=1.592 MPa＜0.8[fE]=18.48 MPa，其中 μ 为摩阻系数，取 0.2；B 为抱箍高度，取800 mm；D 为桥墩圆弧直径（πD 按照单片抱箍弧长代入公式，取值2 580 mm）；K 为荷载安全系数，取2；G 为作用在抱箍上的荷载，按照上下层抱箍共同受力进行验算，G=Sd；[fC]为混凝土轴心抗压强度设计值，取值23.1 MPa.

3.2 弧形抱箍钢板内应力

弧形抱箍钢板内应力σ2的合成图见图7，由此可得：σ2δ= σ1D/2（式中 δ 为钢板厚度，12 mm），从而求得 σ2= σ1D/2δ=104.28 MPa＜f=215 MPa，满足文献[5]规范要求.

图7 σ2 合成图

3.3 抱箍连接螺栓计算[5]

抱箍连接螺栓采用M36 普通螺栓，弧形抱箍与直线箱体间每个连接面采用双排共8 个螺栓进行连接.

弧形抱箍所受拉力F = σ2A = 1 001.09 kN，单个螺栓承受拉力为Nt=F/N=125.14 kN.

通过对抱箍支架整体受力分析，得到螺栓群承受剪力为V = 310.5 kN，单个螺栓承受的剪力为NV=V/N=38.81 kN.

M36 普通螺栓的抗剪承载力为

M36 普通螺栓的承压承载力为

M36 普通螺栓的抗拉承载力为

对于承受剪力和拉力共同作用的螺栓，

NV=38.81 kN＜满足文献[5]规范要求.

3.4 牛腿螺栓紧固力计算[6]

采用扭矩法计算螺栓紧固扭矩Tf= KFd/（1 +0.01m）= 694.95 N·m.根据文献[6]可得 K = P/2dπ =1.43（P 为螺纹公称直径；d=4 mm）；m 为扭矩扳手的读数误差，取值3%.

3.5 抱箍连接钢板焊缝受力计算[5]

抱箍连接钢板与弧形抱箍间设置5 道水平筋板，筋板与抱箍、连接钢板均进行双面焊接.焊脚尺寸10 mm，每道角焊缝焊缝长度472 mm.

焊缝所受的水平力F= 1 001.09 kN，焊缝所受竖向力N=310.5 kN.

由弯矩引起的正应力：

4 抱箍支架施工技术步骤

（1）在抱箍组装前，除去抱箍内侧的铁锈，并保证桥墩混凝土表面干燥，以提高抱箍与橡胶垫板、橡胶垫板与桥墩混凝土间的摩擦系数.

（2）根据抱箍支架结构尺寸及桥墩顶帽标高，反算出抱箍安装高度；采用水准仪在桥墩上准确放出抱箍安装位置，并采用墨线环桥墩四周弹线标记.

（3）用吊车将抱箍吊装至桥墩指定安装位置；每个抱箍采用10 t 手动葫芦及钢丝绳临时挂在墩顶竖向钢筋上，通过调整手动葫芦对抱箍进行调整、定位.

（4）抱箍安装完成后，安装承重主梁.测量人员对承重梁顶部标高进行复核，无误后再安装斜向支撑、分配梁；分配梁与承重梁间采用U 型螺栓卡件固定，防止施工过程中分配梁移位.

（5）在抱箍支架首次使用前应进行预压，以120%施工总荷载作为预压荷载；支架按预压荷载60%、80%、100%分3 级进行[7]；加载前对分配梁进行加密设置，间距30 cm.分配梁上部满铺5 cm 厚脚手板.

（6）预压完成后，安装顶帽模板，并对模板标高进行复核，无误后进行钢筋、混凝土施工.

（7）顶帽混凝土强度达到设计强度100%后，进行预应力张拉，拆除顶帽模板及抱箍支架.

5 抱箍支架施工质量控制要点

为保证抱箍支架安装质量，确保施工安全，施工过程中应注意以下几点.

（1）抱箍筋板与连接钢板、抱箍间脚焊缝长度、脚焊缝厚度、焊缝焊接质量应满足设计及规范要求，并进行焊缝质量检测；同时橡胶垫板的物理性能、力学性能应满足文献[3]规范要求.

（2）抱箍安装前，桥墩混凝土强度应满足弧形抱箍对混凝土压力的要求，防止桥墩混凝土产生裂纹[8]；要清除混凝土表面浮灰等，并确保混凝土表面干燥.

（3）抱箍安装时，要确保同层抱箍位于同一标高，保证抱箍连接板与直线箱体连接板平行，连接板间缝隙宽度误差≤2 mm.

（4）对抱箍进行紧固时，采用力矩扳手分三次紧固，先内排后外排，同排螺栓先中部后边部，并均匀给力.第一次紧固值为设计值的30%，检查抱箍安装偏差；确定抱箍安装位置准确后，将螺母紧固值设计至80%，紧固过程中观察抱箍的各个板面及焊缝的情况，观察有无变形或开裂等；第三次紧固设计值100%[9].

（5）抱箍支架预压.①抱箍支架堆载预压前，在弧形抱箍端部、中部设置沉降监测点，每层抱箍共12 个监测点；承重主梁1/2 长度、1/4 长度、端部位置设置变形观测断面；支架预压前测量记录各观测点的初始读数.②抱箍支架预压加载时，自跨中向两侧对称加载，每级加载完成后，每间隔12 h 对支架沉降量进行一次监测，当上、下抱箍12 h 沉降量平均值＜2 mm 时，进行下一级加载.③全部预压荷载施加完毕后，每间隔24 h 监测一次，并计算抱箍沉降量.④当各测点沉降量24 h 平均值＜1 mm，或连续三次各测点沉降量累计＜5 mm 时，可进行支架卸载.⑤抱箍支架预压加载过程中，采用全站仪全程监测，当抱箍支架累计沉降值≥5 mm 时，或沉降速率＞0.05 mm/h 时，停止施工.

6 结 论

弧形抱箍支架在天津市轨道交通Z4 线高架桥梁圆弧形桥墩预应力顶帽施工中成功应用，有效地解决了软土地基、水中圆弧形桥墩顶帽施工地基处理、支架不均匀沉降的难题，同时保证了清水混凝土圆弧面静摩阻力、圆弧形桥墩外观质量.圆弧形抱箍支架构造简单、施工方便、工时短、周转利用率高，这种方式不但符合绿色施工理念，而且节省了地基处理等费用，经济效益显著.