方形抱箍在灌河特大橋引橋蓋梁施工中的應用

1、方形抱箍在灌河大橋引橋蓋梁施工中的應用摘要：方形抱箍作為蓋梁施工中支撐模板的一種新方式，在灌河大橋引橋蓋梁施工首次應用，介紹了這種抱箍的設計構(gòu)思、結(jié)構(gòu)受力計算、荷載試驗、應用效果及技術(shù)經(jīng)濟比較等方面的情況。關(guān)鍵詞：方形抱箍 蓋梁施工 構(gòu)思與設計 應用效果1 概 述抱箍作為蓋梁施工的一種支撐方式，具有結(jié)構(gòu)輕便，加工制作簡單，成本低廉等優(yōu)點，近年來被廣泛應用于橋梁施工中，但由于結(jié)構(gòu)受力分析困難，僅以圓形形式在圓形墩柱的橋梁施工中出現(xiàn)，方形抱箍一直未見應用。灌河大橋是江蘇省連鹽高速公路上的一座特大型橋梁，其引橋墩柱為八棱柱截面，截面尺寸為120×140cm，四角設計有25×40c

2、m倒角，所有墩柱均不設承臺，僅在兩墩柱間設系梁，由于橋址處地基為典型的軟基，承載力較差，墩柱高度偏大，蓋梁施工如采用滿堂支架法，則須對支架地基進行分層處理，如處理不當，將會導致支架地基的不均勻沉降，進而影響到蓋梁的施工質(zhì)量；另一方面，地基處理與支架的搭設施工周期長，不利于加快施工進度，成本也較高，并且建設單位對混凝土工程外觀要求很高，不主張在墩柱上留孔洞或預埋牛腿。基于這些原因，通過認真分析研究和比較，灌河大橋引橋蓋梁施工首次采用了方形抱箍。2 設計構(gòu)思針對方形抱箍在受力和構(gòu)造兩個方面的特點，從受力特點入手進行分析，并對構(gòu)造形式進行比較，從而得出采用的形式。2.1 要點分析 須詳細計算荷載，以

3、精確確定每個墩柱上抱箍需要提供的支撐力。支撐力可按下式計算：F=k（G1+G2+G3+G4）/2 （1）式中：F每個墩柱上支撐力； k保證系數(shù)，取1.5； G1蓋梁自重（不包括墩頂分），本例為823kN； G2模板、支撐鋼橫梁重量，本例為114kN； G3施工荷載，本例為45kN；G4抱箍自重，設計前估算為15kN；計算F=748kN。 抱箍要有足夠的摩擦面，才能提供足夠的支撐力。 由于方形抱箍對墩柱面產(chǎn)生壓力的方式與圓形抱箍不同，抱箍背框要有足夠的剛度，使用時方不致產(chǎn)生太大變形，確保摩擦面有效發(fā)揮作用。 抱箍的組拼尺寸（內(nèi)側(cè)）應略小于墩柱的截面尺寸，所以連接法蘭必須有適當?shù)膲壕o間隙，但不宜太

4、大，以1cm為宜。 為保證抱箍摩擦面對墩柱面產(chǎn)生足夠且合理的壓力，法蘭連接螺栓的規(guī)格、數(shù)量及扭力的確定也是一個重要的問題。2.2 形式選擇根據(jù)墩柱截面形狀，首先選擇了內(nèi)側(cè)組裝形式與墩柱面吻合的八角形式，如圖1所示，抱箍由兩部分組成，組裝后有八個摩擦面。此種形式相當于圓形抱箍的延續(xù)，存在一定的弊病，第一由于墩柱采用多套模板施工，截面尺寸存在微小差異，因此不能保證抱箍與墩柱完全吻合，也就不能保證摩擦面有效發(fā)揮作用（尤其法蘭側(cè)的摩擦面幾乎沒有效用）；其次極易對墩柱棱角造成破壞。因此放棄此種形式。組裝結(jié)構(gòu)形式圖組裝圖 圖1 抱箍形式A通過抱箍形式A的分析，認為八個摩擦面很難保證全部有效利用，從而又設想

5、了第二種形式，如圖2所示，抱箍由四部分組成，組裝后有四個摩擦面，與墩柱四個大面對應設置，摩擦面寬度小于墩柱面寬度，倒角不設摩擦面。此種形式雖能夠克服對墩柱棱角造成破壞的缺陷，但由于四個法蘭在拼裝時不易控制壓緊間隙的均衡性，很難保證摩擦面與墩柱面完全接觸，更易造成摩擦失效、抱箍下滑，另外此種形式組裝后的整體性也差，所以也放棄了。組裝結(jié)構(gòu)形式圖組裝圖 圖2 抱箍形式B經(jīng)過對上述兩種形式的分析，最終確定方形抱箍采用如圖3所示的形式，抱箍由兩部分組成，組裝后有四個摩擦面，摩擦面的設置與形式B相同。這種形式能夠很好的解決形式A、B存在的缺陷，并且操作相對簡便，整體性好。摩擦面墩柱輪廓線摩擦面支撐法蘭背框

6、組裝結(jié)構(gòu)形式圖組裝圖 圖3 抱箍形式C(采用形式)3 設計計算3.1 根據(jù)抱箍所需提供的支撐力，計算摩擦面積，確定摩擦面尺寸。F=N （2）式中：F每個墩柱上支撐力。 鋼與砼的摩擦系數(shù)，根據(jù)中型砌塊設計與施工規(guī)程JGJ5-80及現(xiàn)場試驗，本例取值0.5。 N抱箍對墩柱面產(chǎn)生的壓力。計算N=1496KN。由于墩柱混凝土的設計強度為30MPa，抱箍對墩柱面的壓應力不宜太大，否則會產(chǎn)生壓痕影響外觀，甚至造成墩柱破壞，同時壓應力太大，摩擦面就會很小，相應抱箍的總體結(jié)構(gòu)尺寸也會很小，對背框和法蘭的設計就會帶來很高的要求（小尺寸，大剛度），因此確定抱箍對墩柱產(chǎn)生的壓應力不超過=1MPa，以此原則計算摩擦總

7、面積。A=N/ （3）式中：A摩擦總面積。 N抱箍對墩柱面產(chǎn)生的壓力。 抱箍對墩柱面產(chǎn)生的壓應力。計算A=1.5m2。考慮結(jié)構(gòu)的需要，抱箍的高度定為100cm，相應摩擦面的高度也為100cm，寬度定為60cm和50cm（分別小于對應墩柱面寬度10cm）。實際摩擦面總面積A1=2×（0.6+0.5）×1=2.2m2，大于計算值1.5 m2，抱箍對墩柱實際產(chǎn)生的壓應力要小于1MPa，是有利的。3.2 根據(jù)抱箍對墩柱面產(chǎn)生的壓力N的計算結(jié)果，推算法蘭的連接壓緊力，從而確定法蘭連接螺栓的規(guī)格、數(shù)量和終擰扭力。首先計算法蘭的連接壓緊力，如圖4所示。圖4 法蘭連接壓緊力計算圖示(尺寸單

8、位：mm)N=2 Fcos45° （4）式中：F法蘭的連接壓緊力。 N每個摩擦面的壓力，N=N/4=1496/4=374KN。計算F=264KN。初步考慮采用普通螺栓，并考慮采用乙字型梅花扳手人工施擰，為方便操作和保證足夠的壓緊力，螺栓規(guī)格不宜太小，數(shù)量要適中，這樣扭力也不會太大。設計時按每個法蘭18套M24普通螺栓考慮，據(jù)此進行驗算。每套螺栓的施工預拉力PC= F/18=14.7KN，遠小于螺栓的允許預拉力。下面計算螺栓的終擰扭力，首先通過公式（5）計算螺栓的終擰扭矩。TC=K·PC·d (5)式中：TC終擰扭矩（N·m）。K螺栓的扭矩系數(shù)，0.110

9、.15，取0.15。PC螺栓的施工預拉力（KN）。d螺栓公稱直徑（mm）。計算TC=52.9N·m。按規(guī)格長度45cm的扳手計算終擰扭力如下：T=TC/L （6）式中：T終擰扭力（N）。L扳手力臂長度（m），取0.35m。計算T=151.1N（合15.4公斤力），人工施擰較易達到。通過上述計算，雖然螺栓的施工預拉力遠小于允許預拉力（59.9KN），但終擰扭力已經(jīng)達到151.1N，如果減少螺栓數(shù)量，勢必增加終擰扭力，人工在高空施擰就很難滿足要求了，因此就按初步設想確定每個法蘭采用18套M24螺栓，施工終擰扭力151.1N。3.3 為保證摩擦面與墩柱面的有效接觸，背框要有足夠的剛度，通過

10、對背框變形（撓度）驗算，確定背框的選材。法蘭的壓緊間隙為1cm，背框變形不超過5mm是可以接受的。按墩柱截面尺寸估算長邊背框長度約為220cm，三層背框，偏安全考慮，采用計算模式為簡支梁跨中集中荷載。圖5 背框計算圖示(尺寸單位：mm)采用公式（7）驗算背框變形，計算背框慣性矩，確定背框選材。f=Pl3/48EI （7）式中：f背框跨中變形，取5mm。 P每層背框跨中集中力，P= N/3=124.7KN。 l背框長度。E鋼材彈性模量。I慣性矩。計算I=2.6×107mm4，22號槽鋼的慣性矩與此相近，設計確定采用，最終設計結(jié)構(gòu)如圖4所示，長邊背框長度215cm，實際效果是偏安全的。4

11、 荷載試驗4.1 試驗方法根據(jù)現(xiàn)場情況，確定試驗地點為拌合站料場的砼地坪，利用墩柱首件施工的試驗柱，荷載采用現(xiàn)場整捆鋼筋（每捆約2.36t）。具體試驗步驟為先將抱箍安裝在試驗墩柱上，在抱箍上放卸落千斤頂，然后搭設兩根鋼橫梁（由兩根長度8m的40b工字鋼組合），兩端懸挑，在鋼橫梁上堆載試壓，如圖6。圖6 抱箍荷載試驗示意圖4.2 試驗情況第一次試驗，將荷載加至56.6t（23捆鋼筋+兩根鋼橫梁）時出現(xiàn)異常，試驗墩柱下地基發(fā)生破壞，試驗墩柱整體下沉，試驗不成功。第二次試驗，在砼地坪上鋪設2.5cm厚鋼板，將試驗墩柱移至鋼板上進行，加載至75.5t（31捆鋼筋+兩根鋼橫梁），進行24小時觀測，抱箍未

12、發(fā)生下滑，試驗成功。5 細節(jié)優(yōu)化5.1 試驗雖然成功，但發(fā)現(xiàn)存在幾個問題。、螺栓在拆裝兩次以后損壞比較嚴重，多數(shù)有滑扣現(xiàn)象。、試驗后抱箍背框已有微小變形，多次使用必然不能保證足夠的壓緊間隙。、單個抱箍的形式在有下滑趨勢時，缺乏有效的自鎖功能。分析原因如下：問題認為有兩個原因，一是普通螺栓材質(zhì)較差，絲扣易損壞；二是試驗在地面進行，螺栓施擰較易進行，并且扳手采用了加長柄，實際終擰扭力已經(jīng)大于設計值。問題也有兩個原因，一是實際終擰扭力已經(jīng)大于設計值，二是背框剛度稍弱。問題是由于抱箍高度較大（100cm），在有下滑趨勢時產(chǎn)生導向作用，造成抱箍均勻下滑，不能自鎖。5.2 針對原因分析，采取如下幾點優(yōu)化措

13、施：、采用高強螺栓，解決螺栓材質(zhì)差的問題。、采用電動扭矩扳手，能夠保證與設計相符的終擰扭力。、將背框內(nèi)側(cè)加焊鋼板，提高背框剛度。、將單個抱箍改為兩個抱箍疊放降低單個抱箍的高度，削弱導向作用，提高自鎖性能。6 最終加工形式最終加工形式如圖7，實際重量1.9t，略大于設計計算時的估算值，不會對計算結(jié)果有大的影響，另改為雙層疊放，背框增加為四層，是比設計有利的。圖7 抱箍實物照片7 方形抱箍施工7.1 施工程序方形抱箍的施工程序如圖8。地基整平安裝鋼橫梁安裝抱箍搭設輔助支架進行蓋梁施工安裝卸落千斤頂圖8 抱箍施工程序圖7.2 施工方法 采用人工將要施工的蓋梁下方地基大致整平，保證輔助支架立柱位置標高

14、一致即可。在平整號的地基上人工搭設鋼管輔助支架，輔助支架的作用是給抱箍安裝提供一個臨時支撐，方便安裝，在蓋梁施工時不受力。輔助支架的頂標高控制在抱箍的下緣。首先用16t汽車吊起吊一半抱箍，落于輔助支架上，再起吊另一半上支架，兩半抱箍大致就位后，對正法蘭，穿入高強螺栓，用電動扭矩扳手將螺栓逐個擰緊，注意兩個法蘭要對稱進行，然后安裝第二層抱箍。 抱箍安裝后，在抱箍上安裝卸落千斤頂，采用雙32t機械千斤頂。 在千斤頂上安裝鋼橫梁，鋼橫梁采用雙40b工字鋼組合，兩根橫梁設置對拉桿，確保鋼橫梁的穩(wěn)定。 在鋼橫梁上鋪設底模進行蓋梁施工。7.3 施工情況施工情況見圖9，在實際施工時，摩擦面采用了單層土工布覆

15、面，這樣既增加了摩擦系數(shù)，又對墩柱面起到一定的保護作用。在第一次施工時進行了預壓試驗，未見異常后展開正式施工。圖9 抱箍施工照片灌河大橋引橋共74片蓋梁，投入5套抱箍，配套的輔助鋼管支架（僅用作腳手）6.5t，32t機械千斤頂40個，電動扭矩扳手2把，每套抱箍使用次數(shù)已超過10次，未出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象，抱箍性能非常穩(wěn)定。8 與滿堂碗扣支架的經(jīng)濟技術(shù)比較根據(jù)實際情況，如不采用方形抱箍，一般將采用傳統(tǒng)的滿堂式碗扣支架，為滿足施工需要，同樣需投入5套支架，高度按12m考慮。按照以往施工經(jīng)驗進行地基處理和支架布置，形式如圖10，一套支架的投入情況如表1，據(jù)此進行比較?；彝恋鼗肟壑Ъ芏罩鶊D10 假定支架

16、布置形式 一套支架投入情況 表1序號項目規(guī)格及數(shù)量備注1地基16m×6m×0.5m=48m3采用8%灰土地基2碗扣支架1.8m立桿888根×10.67kg/根=9475kg1、立桿采用6×1.8m+1.2m組合；2、立桿在蓋梁下方按60cm見方布置，兩側(cè)按1.2m間距布置；3、橫桿按1.2m層距布置；4、上下采用60cm可調(diào)托座。5、下托采用30cm×30cm×10cm砼墊塊。1.2m立桿148根×7.41kg/根=1097kg1.2m橫桿520根×5.12kg/根=2262kg0.6m橫桿2120根×2

17、.82kg/根=5978kg可調(diào)頂托96個×7.2kg/個=691kg可調(diào)頂托148個×7.2kg/個=1066kg砼墊塊148塊×0.009m3/塊=1.33m38.1 技術(shù)比較方形抱箍與滿堂碗扣支架的技術(shù)比較見表2。 方形抱箍與滿堂碗扣支架的技術(shù)比較 表2相關(guān)比較內(nèi)容方形抱箍滿堂碗扣支架1、地基處理人工簡單整平。處理復雜，要求高。2、輔助支架需要，但很簡單。無。3、安裝或搭設抱箍安裝簡便，省時。支架搭設簡便，但費時。4、工作情況性能穩(wěn)定，很安全。性能穩(wěn)定，安全，但受地基影響大。5、拆除抱箍拆除簡便，省時。支架拆除簡便，但費時。8.2 經(jīng)濟比較按灌河大橋全部引橋

18、蓋梁施工對方形抱箍與滿堂式碗扣支架進行經(jīng)濟比較，比較結(jié)果見表3。 方形抱箍與滿堂碗扣支架經(jīng)濟比較 表3方形抱箍滿堂碗扣支架1、抱箍（攤消50%）：1.9t×5×2×5200元/t×0.5=49400元。1、支架（含頂?shù)淄?，攤?5%）：20.6t×5×6000元/t×0.35=216300元2、輔助支架（攤消35%）：6.5t×3900元/t×0.35=8873元2、砼墊塊（更換4次）：1.33 m3×5×4×320元/ m3=8512元3、千斤頂（攤消35%）：40個×650元/個×0.35=9100元3、地基處理：48m3灰土×30元/ m3×74次=106560元4、電動扳手（攤消35%）：2把×1200元/把×0.35=840元4、支架安裝：40個人工×35元×74次=103600元5、地基處理：0.5個人工×35元×74次=1295元5、支架拆除：40個人工×35元×74次=103600元6、抱箍安裝：（1.5個人工×35元+16t汽車吊0.25臺班×800元/臺班）