淺談蓋梁抱箍法在橋梁墩臺施工中的應(yīng)用

陳慶波

(廣州市公路工程公司)

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淺談蓋梁抱箍法在橋梁墩臺施工中的應(yīng)用

陳慶波

(廣州市公路工程公司)

以象窖河大橋工程橋梁墩臺蓋梁施工為例,簡單論述了蓋梁抱箍法施工的基本原理、施工工藝并詳細(xì)驗算了其應(yīng)力、穩(wěn)定性用以指導(dǎo)施工。

鋼抱箍；蓋梁；承載力；彎矩

在現(xiàn)階段的橋梁墩臺施工中，鋼抱箍工法越來越多的得到應(yīng)用及認(rèn)可，主要因其具備可靠、簡便的工藝特質(zhì)；另外與滿堂支架等其他的工法相比更具有以下優(yōu)勢：(1)結(jié)構(gòu)輕便、簡單，有利于高空安裝，更適合于高墩蓋梁的施工作業(yè)；(2)對基地?zé)o要求，只要柱體施工完成便可安裝使用，更適合于水中及軟基等水文地質(zhì)較差條件下的應(yīng)用；(3)與預(yù)留型鋼法、預(yù)留洞穿型鋼法相比，其屬于無損工法，不對結(jié)構(gòu)的受力及外觀，無需后期修復(fù)；(4)結(jié)構(gòu)簡單、可多次攤銷，施工成本低；(5)工期更短、更可控。

1 工程概況

象窖河大橋位于廣東省潮惠高速公路上，其上部構(gòu)造采用預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后橋面連續(xù)組合箱梁;橋墩采用柱式墩、樁基礎(chǔ),橋臺采用柱式臺、樁基礎(chǔ),下構(gòu)最大高度23 m，平均高度18 m，7、8號墩為水中墩；橋跨布置為13×25 m。經(jīng)過多種方案的比較，決定使用鋼抱箍法進(jìn)行墩臺蓋梁的施工安裝，墩柱、蓋梁構(gòu)造及支架見下圖；抱箍設(shè)計主要包括鋼帶設(shè)計的內(nèi)容，其中牛腿為小型構(gòu)件，一般不作變形計算，只作應(yīng)力計算。

1 施工荷載計算

(1)蓋梁自重(混凝土容重取2.6 t/m3)為

[15.2×1.7×1.7-1.75×0.8×1.6] ×2.6=108.38 t

(2)鋼模(每平方米100 kg)自重為

0.1×[(11.7+15.2)×0.8+0.9×15.2×2+0.9×1.7×2+11.7×1.7+1.92×1.7×2]=7.84 t

(3)側(cè)模加勁型槽鋼(采用10型槽鋼，理論線密度為10 kg/m，共40根，每根長2 m)自重為

2×40×0.01=0.80 t

(4)腳手架鋼管(采用50鋼管，線密度為3.5 kg/m，模板底部10根，每根長4 m；模板兩側(cè)護(hù)欄20根，每根長1.5 m；模板兩側(cè)扶手6根，每根長18 m)自重為

(10×4+20×1.5+6×18)×0.003 5=0.62 t

(5)支墊槽鋼(采用10型槽鋼，理論線密度10 kg/m，共25根，間距60 cm，每根長2 m)自重為

0.01×2×25=0.5 t

(6)工字鋼(采用Q235B60#工字鋼，理論線密度為106 kg/m，共2根，每根長18 m)自重為

2×18×0.106=3.82 t

(7)工字鋼拉桿(每根直徑18 mm，共5根，每根長1.5 m)自重為

5×1.6×0.006 17×=0.02 t

(8)鋼模兩側(cè)三腳架(單側(cè)重150 kg)自重為

2×0.15=0.3 t

(9)施工活荷載,根據(jù)《路橋施工計算手冊》P172，施工人員、施工料具運輸、堆放荷載，均布荷載取2.5 kPa，振搗混凝土產(chǎn)生的荷載取2.0 kPa。

(10)總的施工荷載為

108.38+7.84+0.80+0.62+0.5+3.82+0.02+0.3=122.38 t

(11)考慮安全系數(shù)為1.2，則施工總恒荷載為

122.38×1.2=146.86 t

(12)單個牛腿受力

146.864=36.71 t

2 支墊槽鋼受力計算

槽鋼采用10型槽鋼，鋼材采用Q235鋼，共38根，每根長2 m。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 706-2008《熱軋型鋼》附錄A查得：槽鋼截面尺寸高100 mm，底寬寬48 mm，腹板厚5.3 mm，截面積12.74 cm2，慣性矩Iz=198.3 cm4，彎曲截面系數(shù)Wz=39.7 cm3。槽鋼均勻的鋪放在工字鋼上，兩槽鋼中心間距60 cm，跨度為l0=1.4 m。槽鋼受蓋梁自重、模板自重、腳手架鋼管自重及施工活荷載重，總受力為

108.38+7.84+0.8+0.62=117.64 t

考慮安全系數(shù)1.2，共38根槽鋼，每根槽鋼所受總荷載為

1.2×117.64/25=5.65

槽鋼所受均布荷載：q=5.65/1.4+(2.5+2)×0.6=6.74 kN/m

槽鋼受力簡圖如圖2。

圖1 槽鋼所受均布荷載

(1)槽鋼應(yīng)力計算

槽鋼所受的最大彎矩在槽鋼的跨中位置，其最大彎矩為

槽鋼受最大彎矩截面處的最大應(yīng)力為

(2)槽鋼撓度計算

根據(jù)靜力計算公式，均布荷載下的槽鋼的最大撓度在其跨中，計算公式為

其中：q為槽鋼所受的均布荷載； l為槽鋼跨度；E為E-Q235鋼彈性模量，為210GPa；I為截面慣性矩。

查《路橋施工計算手冊》P178，許用撓度fmax=l/400=3.5 mm

則f

經(jīng)計算可知，該槽鋼可用于蓋梁支墊。

3 工字鋼受力計算

材質(zhì)為Q235B60#H型鋼(A=130.26 cm2，I=74 418.64 cm4；W=2 480.62 cm3，S=1 431.58 cm3，B=1.1 cm，線容重106 kg/m。H型鋼上均布鋪放槽鋼，可將工字鋼所受荷載視為等效荷載。工字鋼受力簡圖如圖2。

圖2

受力長度L=15.2 m，跨度L=9.1 m，彈性模量E=210 GPa

總的施工荷載為：122.38 t。

考慮安全系數(shù)1.2，則施工總恒荷載為：122.38×1.2=146.86 t

單根工字鋼承受荷載為

146.862=73.43 t

工字鋼所受均布荷載為：

q=G/L=734.3/15.2+(2.5+2.0)×1.4=54.61 kN/m

(1)工字鋼應(yīng)力計算

根據(jù)靜力計算公式，工字鋼跨中所受最大彎矩在中間位置

支座處彎矩為

則工字鋼受最大彎矩截面處的最大應(yīng)力為

其中

普通工字鋼的允許應(yīng)力為[σ]=145MPa

(2)工字鋼撓度計算

根據(jù)靜力計算公式，均布荷載下的工字鋼的最大撓度在其跨中為

滿足要求，該工字鋼可用于蓋梁支撐。

4 計算鋼帶對混凝土的壓應(yīng)力

鋼帶對立柱的壓應(yīng)力可由下式計算求得

μσ1BπD=KG

其中：μ為摩擦系數(shù)，取0.30；B為鋼帶寬度，B=600 mm；D為立柱直徑，D=1 400 mm；K為荷載安全系數(shù)，取1.2；G為作用在單個抱箍上的荷載，G=734.28 kN

5 鋼帶內(nèi)應(yīng)力的合成

鋼帶內(nèi)應(yīng)力的合成圖如圖3所示。

圖3

化簡得：σ2δ=σ1D/2

其中：δ為鋼板厚度。

求得σ2=σ1D/(2δ)=1.12×1 400/(2×12)=65.33 MPa<[σ]=215 MPa，滿足要求。

其中：σ為查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》，厚度≤16 mm的Q235鋼抗拉、壓、彎強(qiáng)度設(shè)計值，為215 Mpa。

6 牛腿螺栓受力計算

(1)牛腿螺栓抗拉承載力計算

單個牛腿受力36.71 t，抱箍體需承受的正向壓力為：N=G/0.3=1 223.7 kN

抱箍所受的正壓力由M20的高強(qiáng)螺栓的抗剪力產(chǎn)生，查《路橋施工計算手冊》第426 頁：M20高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力：P=155 kN。

螺栓數(shù)目m計算

m=N/[P]=1 223.7/155=7.89 個，取計算截面上的螺栓數(shù)目m=8個。

故能承擔(dān)所要求的荷載。

鋼帶所受拉力：F=σ2A=65.33×12×600×10-3=470.4 kN，則單個螺栓所受拉力為：N=F/8=470.4/8=58.8 kN

其中

Nt為查《路橋施工計算手冊》P427，10.9級M20螺栓預(yù)拉力P=155 kN，Nt=0.8P=124 kN

(2)牛腿螺栓抗剪承載力計算

已計算得作用在單個牛腿上的豎向荷載為G=36.71 t，螺栓連接方式為雙剪結(jié)合，一組螺栓所受的豎向總荷載為：T=367.1/8=45.89 kN，單個螺栓所受剪力Q=T/2=22.95 kN。螺栓截面為圓形，螺栓的許用切應(yīng)力

[τ]=σs/n

其中：σs為材料的屈服極限，10.9級螺栓的屈服極限為940 MPa(摘自GB 3098.1-82)；n為安全系數(shù)，靜載時取2.5。

則許用應(yīng)切力：[τ]=σs/n=940/2.5=376 MPa

截面所受的最大切應(yīng)力為

其中：Ae為螺栓的有效面積

M20高強(qiáng)螺栓的有效面積為246mm2>81.38mm2，故滿足要求。

(3)牛腿螺栓緊固力計算

緊固螺栓時要按照鋼板容許應(yīng)力控制緊固力。

考慮2倍的安全系數(shù)，緊固力取470.4×2=940.8kN，

每個螺栓緊固力為：940.88=117.6kN。

查《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范041-2000》P236公式：Tc=KPcd

其中：TC為終擰扭矩(N·M)；K為高強(qiáng)度螺栓連接扭矩系數(shù)平均值，范圍為0.11～0.15之間，取0.15；PC為高強(qiáng)度螺栓施工預(yù)拉力(kN)；D為高強(qiáng)度螺栓公稱直徑(mm)。

單個螺栓終擰扭矩Tc=KPcd=0.15×117.6×20=352.8N·m,扳手手柄加長到80cm，只需緊固441N的力，體重大于44.1kg的成年人緊固螺栓時腳踩加長手柄，踩不動即能滿足要求。

7 抱箍計算

(1)抗滑移計算

M20高強(qiáng)螺栓緊固力為N =117.6kN，單個牛腿由8個螺栓連接，抱箍鋼帶所受的最大拉力940.8kN，鋼帶橫截面承受的最大正應(yīng)力

其中：B為鋼帶高度，600 mm；δ為鋼帶厚度，12 mm。

則鋼板所受墩柱的最大壓應(yīng)力為

其中：D為墩柱直徑。

抱箍與墩柱間的最大壓力為

Nmax=σ0BπD=2.24×3.14×1 400×600×10-3=5 908.22 kN

取摩擦系數(shù)μ=0.30，則抱箍與墩柱之間的最大靜摩擦力

Tmax=μN(yùn)max=0.30×5 908.22=1 772.47 kN

已計算得單個抱箍所受的豎向荷載為G=734.2 kN

(2)抱箍體剪應(yīng)力計算

其中：Rmax為最大剪力，為734.2kN；S為抱箍截面積，S=0.6×0.012=0.007 2cm2

根據(jù)第四強(qiáng)度理論

滿足強(qiáng)度要求。

綜上所述，該抱箍方案受力計算均滿足要求，可用于象窖河大橋蓋梁施工。

8 結(jié) 語

公路橋梁工程的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)越來越高，相對的工、料、機(jī)成本也日漸水漲船高，如何在同等條件下保證高質(zhì)、高效、低成本便成為各從業(yè)單位的共同議題及目標(biāo)；在這種條件下，鋼抱箍工法的產(chǎn)生、應(yīng)用經(jīng)過多年的驗證證明其工藝特性具備了以上優(yōu)點，也在近年的蓋梁施工中得以廣泛應(yīng)用；對鋼抱箍的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了詳盡的計算，并于工程實際中驗證了其可靠性，期望可為今后類似工程提供參考作用。

[1] 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTJ 041-2000)[S].人民交通出版社.

[2] 周水興，何兆益，鄒毅松.路橋施工計算手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 公路施工手冊：橋涵(上、下)[M].北京：人民交通出版社，1999.

[4] 張耀春.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：高等教育出版社，2011.

2015-05-12

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1008-3383(2015)12-0083-03