钢抱箍局部应力计算分析及选用简便方法推荐

◎ 杨文凯 王柱 湖南省航务工程有限公司

钢抱箍在高桩码头现浇横梁、承台或者桥墩系梁、盖梁施工中常用来做为承重牛腿将上部临时支架、模板、新浇钢筋混凝土自重等荷载通过抱箍与桩、柱之间的摩擦力传递至桩、柱上。其特别适用于水上、高空等不便搭设满堂支架，以及要求不能对桩、柱进行预留孔洞穿钢棒或者焊接牛腿，损伤桩、柱或者影响外观质量时的施工场景。

1.螺栓数量计算

经过计算验证，根据《路桥施工计算手册》第12章2.3节“高强螺栓连接计算”计算出的螺栓数量能够满足工程需要，即单个高强螺栓在紧固到其设计预拉力值时能产生的容许承载力（钢抱箍与桩、柱之间的摩擦力）为：

式中，P为高强螺栓预拉力；μ为摩擦系数；n为传力摩擦面数；K为安全系数。假设传至每个抱箍上的竖向压力为N为100t；螺栓采用M24高强螺栓，预拉力为225kN；摩擦系数取0.3；传力摩擦面数为1。则需要的螺栓数量为：

取偶数值，取26个。即单个抱箍两侧共需布置26个螺栓。

2.抱箍局部受力模型

以长江某高桩墩式码头承台施工时采用抱箍承受上部临时结构及新浇钢筋混凝土自重为模型，抱箍局部受力计算采用Ansys有限元软件进行，柱身及与柱身接触的抱箍弧形部分采用solid185单元，接触面通过targe170 和conta174单元模拟面面接触，抱箍牛腿部分采用shell63单元模拟。为减少网格数量，提高计算效率，柱体只建出2 m 高度，并且结构为双向对称结构，只需采用四分之一模型，并在对称面施加对称约束进行模拟分析。初始假设抱箍高度为75cm，钢板厚度均为12mm；柱身直径为2m，混凝土强度为C40。计算过程中考虑结构及材料的非线性。

将柱与地面进行固结，对称面施加对称约束，抱箍牛腿板单元和与柱身接触的抱箍实体单元之间采用节点间建立约束方程的方式实现刚接。计算过程中考虑作用到牛腿上的上部压力（假设为100t）、螺栓预拉力（26个M24螺栓）及自重作用，结果提取按基本组合提取，即压力按1.4组合系数，恒载按1.2组合系数考虑。

3.计算结果

3.1 实例计算

采用上述假设的参数进行计算分析，整理计算结果如图1。

图1 整体组合位移计算结果（mm）

图1位移变形图为放大500倍视图，可以明显看出由于牛腿受压，抱箍上部远离柱体，下部压向柱体，计算结果与实际受力状态吻合。

（1）柱身混凝土计算结果。从计算结果看出，柱体混凝土最大压应力达到了-26.23Mpa，已经接近C40混凝土抗压强度极限值。压应力较大的部位仅在抱箍受力牛腿底部柱身表面位置，且区域很小，压应力往墩身其他部位扩散迅速。在距离孔口仅5cm左右，压应力迅速减小了约10Mpa，10 cm减小了约20Mpa。事实上这还与模型网格划分尺寸有关，如果网格划分够细，应力减小速度会更快，但会降低计算效率。实际施工过程中，为了对桩、柱混凝土或涂层面进行保护，常在桩、柱与抱箍之间设置一层5mm左右的橡胶垫，但有研究表明这样做会降低抱箍的承载力。

从计算结果可以看出，抱箍拉应力极值为125.70Mpa，压应力极值为-155.11Mpa，均小于规范允许值。但是其等效应力（第四强度理论）为201.97Mpa，已经很接近限值，较大应力值主要位于劲板及螺栓锚固板位置。为安全起见，在后面的计算中按等效应力极值考虑1.2倍的安全系数（Q235 钢，限值约180Mpa）为标准进行抱箍尺寸选择。

3.2 规律分析总结

分别计算柱直径为1.2 m、1.6m、1.8m、2.0m取用不同高度抱箍时在不同荷载作用下，劲板及抱箍圆弧部分所需厚度。其中抱箍高度分别取45cm、60cm、75cm。由上计算结果可知，抱箍应力较大位置为螺栓锚固板及劲板位置，因此锚固板及劲板厚度应大于等于抱箍体厚度，《钢结构设计标准》11.5节“紧固件连接构造要求”规定锚固垫板厚度构造要求M24以上高强螺栓垫板厚度不小于10mm，用与以上算例同样的计算方法，选用不同厚度钢板，得到不同工况下抱箍等效应力极值。

当柱直径为1.2m时，分别计算出不同尺寸抱箍在不同荷载工况下的等效应力极值见表1。

表1 1.2m直径柱抱箍等效应力极值（Mpa）

通过调整钢板厚度将应力值调整至合理结果（接近设定限值），以得到钢板厚度的合理取值，见表2。

表2 1.2m直径墩抱箍钢板厚度取值（mm）

采用同样的原理，计算出墩柱直径为1.6m、1.8m、2.0m时抱箍钢板厚度取值，见表3～表5所示。

表3 1.6m直径柱抱箍钢板厚度取值

表4 1.8m直径柱抱箍钢板厚度取值

表5 2.0m直径柱抱箍钢板厚度取值

由计算结果可知，选用的钢板厚度基本趋势为：随抱箍的高度增加而减小，随荷载的增加而增大。现场可根据实际荷载数值，进行线性内插取值，钢板厚度应不小于表中数值。随着立柱直径的增加，在厚度不变的情况下，抱箍的刚度会减小，但同时抱箍与墩身的接触面积增加，综合起来直径大小影响规律不明显。综合表2～表5，相同工况下选用不同桩柱直径下板厚较大值，得表6。

表6 抱箍钢板厚度（mm）取值

4.结论

通过计算分析得到以下结论：

（1）抱箍螺栓应采用高强度螺栓，其数量可以根据《路桥施工计算手册》第12章2.3节“高强螺栓连接计算”进行计算，但是高强螺栓不能反复使用，有条件时可以采用45号钢的大直径螺栓。

（2）抱箍钢板厚度取值可参考表6进行选取，现场可根据实际荷载数值，进行线性内插取值。

（3）本计算采用抱箍结构形式见图1，实际如果采用劲板层数少于三道则需要重新验算。

（4）抱箍圆弧部分不宜加设环向加劲肋，这样的柔性圆弧箍身在通过拧紧高强螺栓施加预拉力时更容易与桩、柱紧密接触。

（5）在抱箍承受较大荷载时，不宜盲目加高抱箍，建议设置成多道抱箍,这样更利于抱箍与桩、柱紧密接触及方便安装；在抱箍底部（滑移趋势方向）设置限位块，能大幅提高抱箍的承载能力，施工现场可以根据实际情况使用。