抱箍支架法在軟土地基現澆箱梁中的應用

張 根

(福建第一公路工程集團有限公司，泉州 362000)

1 工程概況

杭紹臺高速公路福全互通A 匝道橋全橋長485.5m，全橋共5 聯，跨徑布置為：4×30+(4×30+28)+4×25+4×16.5+5×16， 上部結構第4、5 聯采用普通鋼筋砼現澆連續箱梁， 其余聯采用裝配式預應力砼 (后張)T梁；基礎及下部結構為樁基礎和柱式墩。 其中第4、5 聯位于緩和曲線(A=80)和圓曲線(半徑=60m)上，縱坡2.9%，豎曲線R=2500m。

福全互通A 匝道橋第4、5 聯為普通鋼筋砼現澆箱梁，截面型式為單箱三室，梁體砼設計強度C40。 第4 聯至第五聯橋面寬度由1660.7cm 漸變至1750cm， 梁板高度1.4m，翼緣板長度為1.75m，地面至墩頂高度為15.0～18.7m。 A 匝道橋第四聯和第五聯立面圖和斷面圖如圖1所示。

2 工程地質特點

福全互通A 匝道現澆箱梁位置地處海積平原地貌區，上覆第四紀地層，下部以沖湖積的粉質粘土、殘坡積碎石為主，下伏基層為白堊系泥質砂巖、熔結凝灰巖。 地層從上至下分別為： 上層0～22.7m 淤泥質粉質粘土，呈流-可 塑 狀；22.7～26.4m 以 含 礫 粉 質 粘 土 為 主；26.4 ～30.7m 為強風化泥質砂巖；30.7m 以下為中風化泥質砂巖。 A 匝道橋工程地質縱斷面圖如圖2 所示。

圖1 A 匝道橋第四聯和第五聯立面圖和斷面圖

圖2 A 匝道橋工程地質縱斷面圖

3 施工方案對比及選擇

3.1 現澆箱梁施工方案對比

現有常規現澆箱梁施工主要有滿堂支架和鋼管貝雷支架兩種方法[1]，滿堂支架適用于橋墩低、地質好的條件，鋼管貝雷支架適用于橋墩高、跨度大或軟弱地質。

根據本橋所處地質情況， 第一種滿堂支架需大面積地基換填、超載預壓，其高度超過15m 時滿堂支架在經濟效益方面不占優勢，且根據地方標準，高度超過8m 及以上的，必須采用盤扣式支架，成本優勢進一步削弱；第二種鋼管貝雷支架需采用鋼管樁+條形基礎處理，鋼管樁處理成本投入大， 同時管樁鉆進深度和樁底標高不易控制。

結合地質環境、施工難度、經濟成本等因素分析，上述兩種常規方案均不太適宜， 本項目根據蓋梁抱箍施工方法原理及結合現澆箱梁跨度、橋下凈高、圓柱墩構造形式等特點，選擇采用三抱箍+貝雷梁支架法[2]，利用抱箍與墩柱間摩擦力作為支承反力，受力合理，對周邊地質環境影響小，可有效提高支撐材料周轉速率，節約軟基處理成本。

3.2 現澆箱梁施工方案選擇

本項目選用三抱箍支撐結構體系， 即以單側三個抱箍為支撐體系，工字鋼為主橫梁，貝雷片為主縱梁，貝雷梁上設橫向工字鋼分配梁， 其上再分別依次布設盤扣支架、縱、橫向肋梁。 三抱箍支撐結構圖如圖3 所示。

圖3 三抱箍支撐結構圖

4 三抱箍支撐結構設計與計算

4.1 三抱箍支撐結構設計

本橋現澆箱梁支撐結構主要由抱箍、 主橫梁、 主縱梁、分配梁、盤扣支架等組成。 抱箍采用雙半圓定型鋼模板，抱箍鋼模板直徑與墩柱直徑一致，即D=1.4m，鋼板厚度20mm，長度2.0m，每個抱箍采用60 個M24 高強螺栓連接。 抱箍承載受力特點為通過緊箍在墩柱中產生的摩擦力提供支承反力，為提高抱箍與墩柱間摩擦系數，避免抱箍與墩柱硬對硬直接接觸， 在墩柱與抱箍間增設一層3mm 厚橡膠墊。 抱箍平面構造圖如圖4 所示，抱箍立面構造圖如圖5 所示。

圖4 抱箍平面構造圖

抱箍頂橫向放置主橫梁，采用2I63 工字鋼，其上沿橋縱向按一定間距布設單層321 貝雷梁， 貝雷梁共設置9 組25 排。 箱梁兩翼板側各設置一組雙排貝雷片，間距1.5m；腹板設置4 組3 排貝雷片，每組貝雷片間距0.45m；各腹板中間分別設置一組3 排貝雷片， 每組貝雷片間距0.9m。 貝雷片上布設分配梁，分配橫梁選用I16 工字鋼，間距1.2m；分配梁完成后搭設盤扣式支架，縱向間距均為1.2m，橫向間距除腹板0.6m 外，其余間距0.9m；盤扣支架頂部按盤扣橫向間距縱向布置I10 工字鋼肋梁，再沿橫向布設9cm×9cm 方木，間距為0.2m(腹板位置0.1m)，最后底板采用1.5cm 竹膠板。

圖5 抱箍立面構造圖

4.2 支架總體設計

4.2.1 荷載組合

⑴現澆鋼筋混凝土自重q1=7.7kN/m2；

⑵竹膠板自重q2=0.35kN/m2；

⑶9×9cm 方木自重q3=0.07kN/m；

⑷I10 工字鋼自重q4=0.11kN/m；

⑸I16 工字鋼自重q5=0.21kN/m；

⑹321 貝雷片自重q6=1.09kN/m；

⑺I63b 工字鋼自重q7=1.31kN/m；

⑻施工人員和施工材料、 機具等行走運輸或堆放的荷載q8=3.0kN/m2；

⑼振搗混凝土時產生的荷載q9=2kN/m2；

⑽組合系數為：恒載1.2，活載1.4。

4.2.2 支架構件受力分析

支架構件受力采用Midas/Civil 有限元軟件建模分析，主橫梁、主重梁、分配梁、方木均采用梁單元建模，邊界條件為一般彈性連接。支架構件受力驗算如表1 所示。

表1 支架構件受力驗算表

經驗算，支架構件滿足規范要求。

4.2.3 抱箍結構設計

4.2.3.1 鋼材容許應力取值

查《鋼結構設計標準》(GB50017-2017)[3]，板厚16mm＜h＜40mm 的Q235 鋼材設計應力值為：

(1)軸向容許應力[f]=205MPa

(2)彎曲容許應力[fw]=205MPa

(3)剪切容許應力[fv]=120MPa

4.2.3.2 螺栓數目計算

每個抱箍體承受的豎向壓力N=1616kN。擬定抱箍所受的豎向壓力由M24 的高強螺栓的抗剪力承擔。 查《路橋施工計算手冊》[4]，可知：

M24 螺栓的抗剪允許承載力為：

[NL]=P×μ×n/K=225×0.3×1/1.7=39.7kN

式中：P——高強螺栓的預拉力，取M24 高強螺栓預拉力P=225kN；

μ——摩擦系數，取0.30；

n——傳力接觸面數目，取1；

K——安全系數，取1.7。

螺栓數目m 驗算：

m=N/[NL]=1616/39.7=40.7， 取計算螺栓數量為42個；

每個高強螺栓可提供的抗剪力：

P′=1616/42=38.48≤[NL]=39.7kN

滿足要求。

4.2.3.3 螺栓軸向受拉計算

(1)最大靜摩擦力

N′=N/μ=1616kN/0.3=5386.7kN

(2)每條螺栓拉力

N1=N'/42=5386.7kN/42=128.25kN＜[P]=225kN

(3)軸向拉應力為

σ=N′(1-0.4m1/m)/A=5386.7 (1-0.4×60/42)×1000/(60×452)=85.4MPa＜[σ]=205MPa

高強螺栓強度滿足規范要求。

4.2.3.4 抱箍應力計算

(1)抱箍壁拉應力

抱箍壁采用面板δ20mm 的鋼板， 抱箍高度為2.0m。則抱箍壁的縱向截面積：S1=0.02×2.0=0.04m2

σ=N′/S1=5386.7/0.04=134.67MPa＜[σ]=205MPa

拉應力滿足規范要求。

(2)抱箍體剪應力

τ=(1/2N)/(2S1)=(1/2×1616)/(2×0.04)=10.1MPa＜[τ]=120MPa

剪應力滿足規范要求。

(3)抱箍體彎應力

σW=(σ2+3τ2)1/2=(134.672+3×10.12)1/2=135.08MPa＜[σW]=205MPa

彎應力滿足規范要求。

通過以上計算， 三抱箍支撐體系受力滿足施工和規范要求，該設計合理。

4.2.4 螺栓扭緊力矩M

(1)螺帽壓力產生的反力矩

M1=u1×N1×L1=0.15×128.25×0.015=0.289kN·m

(2)螺栓爬升角(取10°)產生的反力矩

M2=μ1×N1cos10°×L2+N1sin10°×L2=0.15×128.25×cos10°×0.011+128.25×sin10°×0.011=0.447kN·m

(3)螺栓扭力矩M

M=M1+M2=0.289+0.447=0.736(kN·m)=73.6(kg·m)

即要求螺栓擰緊、 加固時的扭緊力矩M 應不小于73.6kg·m。

5 三抱箍支撐體系施工技術

5.1 抱箍安裝

抱箍鋼模板為統一定型制作，進場驗收合格后，選用一臺50t 汽車吊負責抱箍安裝。 安裝前先用全站儀放樣、定位，并在墩柱上標注出抱箍安裝位置，再用汽車吊進行吊裝；安裝時確保抱箍處于同一標高，加固采用專業扭力板手緊固，保證每個螺栓施擰到位。

5.2 支撐體系上部構造的安裝

5.2.1 調節、卸落塊安裝

為利于現澆箱梁支架、底模下落、拆除，在抱箍牛腿上設置砂箱。 筒座采用φ450×15mm 鋼管， 底部為500mm×500mm×20mm 鋼板，側面開30mm×20mm 的出砂口，口外焊插槽用插板封堵細砂；筒芯采用φ402×12mm鋼管，頂部為500mm×500mm×20mm 鋼板，底部用鋼板焊封，內填C50 砼。 臨時砂箱如圖6 所示。

圖6 臨時砂箱

5.2.2 主橫梁安裝

采用汽車吊將已拼裝好的2I63b 工字鋼安裝在抱箍頂臨時砂箱上，安裝過程中應注意橫梁與墩柱間間距，確保墩柱砼外觀不受損壞， 待主橫梁安裝就位及標高調平后，再全面加固。

5.2.3 貝雷片主縱梁安裝

貝雷桁架及其配件必須是國家指定的廠家生產，質量標準要滿足《裝配式公路鋼橋使用手冊》要求。 為檢查各構件間的互換通用性能，先進行試裝。拼裝時將一節貝雷桁架的陽頭插入另一節貝雷桁架的陰頭內，對準銷孔，插上銷子和保險插銷， 拼裝完成后用吊車按布設間距吊裝就位。 貝雷片安裝圖如圖7 所示。

圖7 貝雷片安裝圖

5.2.4 分配梁、盤扣支架、底模安裝

貝雷片安裝固定好后，再按設計方案的布設方向、間距順序安裝I16 工字鋼橫梁、 盤扣鋼管支架、I10 工字鋼肋梁以及方木和底模。 分配梁與貝雷片間用U 型扣固定，盤扣支架規格為φ60×3.2，橫桿與立桿連接采用獨特盤扣接頭。 底模與方木與肋梁間應支撐牢固、緊密。 待支架、底模安裝到位后加載預壓，以消除桿件間彈性和非彈性變形。

5.3 模板和支撐體系拆除

現澆梁體強度達到100%后方可拆除支架和底模，先通過砂箱對底模和支架進行卸落，再遵循先支后拆、后支先拆以及從跨中向支座依次循環進行的原則拆卸。模板、支架拆除時由人工配合吊車同步進行， 嚴禁高空直接拋落， 應將拆除的模板或支架捆綁牢固后用汽車吊順勢吊至地面，并分類、整齊堆放。

抱箍卸落時先用吊車提吊， 再用專業扭力板手松動螺栓。 螺栓松動應分階段卸力，保證抱箍四周受力均衡，待螺栓松至抱箍脫離墩柱后， 再用吊車沿墩柱方向順勢下落至地面，最后在地面上進行徹底支解、整修。

6 結語

⑴現澆箱梁抱箍施工工藝， 有效利用了圓柱墩構造特點和蓋梁抱箍支撐原理， 將臨時支撐與樁基礎有力結合，結構新穎，受力合理；本項目部根據橋梁結構形式分布情況采用三抱箍+貝雷梁支架體系， 支撐體系穩定性好、安全性高，施工質量有保障。

⑵抱箍貝雷支架體系施工操作簡便，工作量小、有效降低了軟土地基處理，節約了人工、機械、材料成本投入，同時現場材料周轉速率快， 重復利用率高， 促進施工進度。

⑶現澆箱梁抱箍支架法因不受軟土地基、 地面構造物等影響，施工進度、質量可控，對本項目軟土地基影響范圍下的現澆箱梁施工具有優勢明顯和重要意義。