盖梁抱箍法在引江济淮菜巢线桥梁工程中的应用

钱勇生

(安徽水安建设集团股份有限公司，合肥 230601 )

1 工程概况

引江济淮工程是国家172项重大水利项目和标志性工程之一，引江济巢安徽段菜巢线主要包括枞阳引江枢纽的跨渠交通桥和水利部分、河渠工程(含4座水系连通桥)、通航建筑物等。河渠工程的4座连通桥，单孔跨径均为20 m，C40钢筋混凝土盖梁，盖梁顶、底标高分别为15.03 m、13.73 m，墩柱高度为6.75～8.95 m，上部结构高为1.0 m的C50钢筋混凝土预应力T型梁(后张法)，桥面宽度为6.0 m，其横向双向坡为1.5%。

2 盖梁实施方案

由于河道水深，河泥覆盖层厚，搭设排架十分困难，经分析，盖梁施工采用抱箍法。抱箍由1.6 cm厚的2块半圆弧形钢板加工制作而成，使用16根M24的高强螺栓连接，底模采用厚度为1.5 cm，每块长度为2.5 m的木板，底模龙骨采用规格为5 cm×10 cm间距为25 cm的方木；下部采用长度为3.0 m的I14工字钢作为横梁，钢横梁间距为0.3 m，共需布置10根；横梁底部采用2根长度为12 m的I40C工字钢作为纵梁，2根纵梁采用CC型螺旋扣式拉杆拉紧，每隔1.5 m设置1道；抱箍与墩柱接触部位夹垫为2～3 mm橡胶垫，防止夹伤墩柱砼；纵横梁两端绑扎安全钢管护栏，安装防落网(见图1)。

3 盖梁抱箍法设计

3.1 抱箍法原理及结构形式

抱箍法原理即利用最大静摩擦力克服施工荷载及盖梁自重，而最大静摩擦力是有墩柱上夹紧的抱箍所产生。选取易密贴的既有柔性和强度且不设加劲板的2片半圆形钢带作为箍身的结构形式，同时使用橡胶垫在柱子与抱箍间起到保护墩柱砼面作用。连接板竖向上布置成两排螺栓的排列方式以减少抱箍高度，便于施工。抱箍示意见图2，螺栓布置平面示意见图3。

图1 盖梁支架形式示意

图2 抱箍示意

图3 螺栓布置平面示意

3.2 盖梁抱箍法参数计算

3.2.1设计参数

本工程的盖梁尺寸均为5.8 m×1.3 m×1.6 m，采用C40砼共12.1 m3；盖梁两端挡块长度为0.3 m×0.6 m×1.2 m，C40砼0.44 m3。墩柱直径为1.1 m，柱中心间距为3.4 m。

3.2.2横梁计算

盖梁钢筋砼重量为314.6 kN；挡块钢筋砼重量为11.44 kN；模板重量为98 kN；施工人员荷载为23.2 kN；动荷载为23.2 kN，砼倾倒冲击荷载和振捣荷载均取2 kN/m2；横梁重量为5.07 kN；橫梁跨中荷载为475.51 kN；单根橫梁所受荷载为47.6 kN；其单根橫梁均布荷载(C40钢筋混凝土盖梁宽为1.6 m)为29.75 kN/m。

忽略悬臂两端承受的施工人员荷载，力学模型见图4所示。

图4 力学模型示意

3.2.3梁抗弯与挠度计算

由横梁弯矩分析其最大弯矩为跨中，计算最大弯矩为9.37 kN·m(分配梁弯矩示意见图5)。

图5 分配梁弯矩示意(单位：kN)

Q235工字钢I14参数： 弹性模量E=2.1×105MPa，截面惯性矩I=712 cm4, 截面抵抗矩W=101. 7cm3(E为弹性模量，I为截面惯性矩，W为截面抵抗矩)。

1) 抗弯计算

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

2) 挠度计算

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

综上①②：横梁强度、挠度变形全部满足施工要求。

3.2.4纵粱计算

1) 荷载计算

Q235工字钢I40C参数：E=2.1×105MPa，I=23 900 cm4，W=1 190 cm3。每根纵梁上所承受的荷载横梁重量为5.07 kN；纵梁重量为0.96 kN；纵梁上总荷载为241.25 kN；纵梁所承受的荷载按均布荷载计算为41.6 kN/m。

忽略悬臂两端承受的施工人员及安全防护装置荷载，纵梁力学模型见图6。

图6 纵梁力学模型示意

2) 抗弯与挠度计算

经计算纵梁跨中最大弯矩为30.16 kN·m(纵梁弯矩示意见图7)。

图7 纵梁弯矩示意(单位：kN·m)

① 抗弯计算

σ=Mmax/W=(30.16/1190)×103=25.3<[σ]

=170 MPa。

② 挠度计算

纵梁挠度:f=ql4(5-24λ2)/384EI=41.6×3.44(5-24×1.22/3.42)/(384×2.1×105×23900×10-5)=0.6

综上①②可知：横梁强度、挠度变形全部满足施工要求。

3.2.5抱箍计算

1) 抱箍所受荷载

抱箍所受荷载为477.43 kN。

2) 计算抱箍所受正压分布力q

抱箍与墩柱之间正压力的大小根据抱箍所受压力计算，在对两抱箍片之间的螺栓施加拉力后抱箍各个部位的受力见图8(2片抱箍对称布置，其受力仅示一半，图8中未示正压力作用下产生的摩擦力)。

图8 抱箍受力示意

m为摩擦引起的正压力减小系数；q为抱箍连接处的分布力,kN/m；P1、P2为两抱箍片间连接力,kN。

抱箍中间点的分布力由于摩擦影响为(1-m)q，其抱箍中间段正压的线形损失量为2mq/(Πr) ；墩柱轴线成a夹角位置处的分布力为:q(1-2mα/Π) 。

承受外部荷载后的抱箍在正压力的作用下，所提供的最大静荷载力：

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

(1)

式中(抱箍与墩柱)：

ξ——接触系数范围为0.45～0.65；

μ——摩擦系数；

r——墩柱半径,m。

抱箍所提供的摩擦力应不小于其所承受的压力，即：F≥Q总/2，计算取F=Q总/2。

根据上式推算:

q=Q总/2[(2-m)·Π·r·μ·ξ]

(2)

3) 计算两抱箍片连接力P

施加外力后影响P1值有2个力，即正压力P及其作用下的摩擦力F，2个力的分解见图9～10。

图9 α夹角位置抱箍所受正压力分解示意

图10 α夹角位置抱箍所受摩擦力分解示意

α夹角位置处r·dα弧长上抱箍所受力参数：

Fx、Fy为摩擦力F在x、y轴方向分解,kN；Px、Py为正压力P在x、y轴方向分解,kN。

经以上受力分析：

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轴方向受力对称，其对螺栓拉力P1、P2不产生影响，则P1、P2之和与y轴方向的摩擦力F、正压力P2个分力之和相等。由于抱箍安装同时旋紧两侧螺栓，即P1、P2的值近似相同，P1为抱箍1/4圆周内的y轴方向摩擦力及正压力2分力之和。为计算摩擦力及正压力在y轴方向的合力，现对2分力在[0,Π/2]区间内积分，积分值等于拉力P1：

抱箍螺栓处施加的外力P1由公式(2)的q值代入上式可得：

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

(3)

抱箍螺栓的拉力，取决于4因素：摩擦系数μ、抱箍所有荷载Q总、接触系数ξ、正压力损失系数m。

其中钢板与砼之间的摩擦系数μ取0.3(橡胶垫与混凝土及钢板的μ分别为0.3、0.35，取其最小值)，抱箍与墩柱间的正压力损失系数m取0.15(m为0.1～0.2)。标段墩柱表面平整度及光滑程度等施工质量均较好，因此，相关系数取μ=0.3，m=0.15，ξ=0.6，Q总=G10。

由公式(3)计算得P值为267.5 kN 。

4) 抱箍螺栓数目

选用型号为8.8级的M24粗牙螺栓，《公路施工材料手册》查得参数：螺纹间距h为3 mm，公称应力面积为353 mm2，保证应力为600 MPa。

则保证应力荷载[P]为公称应力面积与保证应力之积：211.8 kN。

螺栓数目要满足[P]n≥P，则螺栓个数：n≥P/[P]=267.5/211.8=1.3，确保安全取n=16个。

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

结论:螺栓的强度满足要求。

5) 计算紧螺栓的扳手力Pb

旋转一周的螺栓间距与螺母进、退一螺纹相当，螺母进、退距离与扳手端的移动遵从ΔL=2ΔhΠL/h，扳手力Pb理论所做功为PbΔL，由ΔL=2ΔhΠL/h则PbΔL=Pb2ΔhΠL/h。扳手力所做功的螺母摩擦消耗损失k取0.3(k摩擦消耗损失系数在0.2～0.4)，因此，实际扳手力做功与螺栓的关系：PsΔh=kPbΔL=kPb2ΔhΠL/h，则：

Pb=Psh/(2kΠL)

(4)

式中：

L——扳手力臂长度；

ΔL——扳手端移动距离；

h——螺纹间距3 mm；

Δh——螺母对应扳手端的移动距离ΔL的轴向移动距离；

Ps——每个螺栓的受力。

抱箍所需的紧螺栓的扳手力为88.6 N，可以借助单个人的力量或采取加长力臂完全能施加到设计要求。

6) 抱箍钢板的厚度

抱箍钢板的厚度、高度主要与抱箍螺栓有关，另外螺栓中心距为螺栓孔径的3～12d，边缘距为螺栓孔径的1.5～4 d，本工程抱箍每侧8个螺栓按2排(4个/排)竖向排列，螺栓孔径选28 mm的抱箍高度H为50 cm。根据抱箍钢板的极限破坏应力来确定厚度t(高度H已确定)。

综上抱箍钢板的厚度取t=1.6 cm，均满足抗拉、抗剪要求。

4 实施控制要点

4.1 预压试验

加载盖梁自重为1.2倍的沙袋，观测工字钢变形。变形量为20 mm以内且包箍无下滑则满足检验要求，预压试验完成后才可进行下部操作。

4.2 安装控制要点

1) 加工的抱箍内径比墩柱外径大1～2 cm，厚度为2～3 mm的橡胶垫布置在抱箍与墩柱接触处，抱箍试拼在墩柱底进行。抱箍采用汽车吊吊装，吊装至测量高度时旋拧螺栓固定，下部采用2台千斤顶和钢管配合顶起抱箍进行微调，调至测量上口线，再进一步旋拧螺栓直至抱箍安装完成。抱箍因重复使用，安装过程中连接螺栓丝头的质量是关键检查要点，对于滑丝及开裂损坏的螺栓要予以更换。

2) 整个系统受力的关键取决于抱箍与墩柱间的紧固程度，施工时分三阶段紧固高强螺拴：完成支撑体系的底板铺设阶段、盖梁混凝土浇注前阶段、混凝土浇注一半时阶段，以消除不规则、不均匀变形造成抱箍与墩柱间松动使摩擦力减少。

3) 拆除时严格按由上而下的顺序进行，侧模先拆，工字钢以上部分用汽车吊或导链固定在盖梁上，松动高强螺栓使抱箍下降30～50 cm再次固定拧紧，抽出底模、槽钢。抱箍等在支撑体系全部拆完后再拆下，调修周转使用。

5 结语

引江济淮菜巢线桥梁工程采用盖梁抱箍法实施，有效解决了盖梁施工期河渠水深泥厚无法搭设排架且在墩柱较高情况下的施工问题。盖梁抱箍法施工简便，操作性强，施工附加成本低，技术综合优势明显。相比支架法的地基加固处理和搭设钢管承重支架等其综合成本降低50%以上，无需在墩柱预埋型钢牛腿或内穿型钢的预留孔洞，模板无需割孔且盖梁施工后的墩柱无需再修补且模板搬移快捷、周转效率高，施工中需要人员数量少安全性高。