界面橡膠對鋼抱箍承載力的影響

黃修平，范世磊，曾 健，陳小龍，顧程磊

(1. 中交第二航務工程局有限公司， 湖北 武漢 430040；2. 中交武漢港灣工程設計研究院有限公司， 湖北 武漢 430040；3. 安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

鋼抱箍(圖1)作為一種施工臨時設施，廣泛應用于承臺、主梁和蓋梁等構件施工中[1～5]。它通過高強螺栓的預緊力將兩片對稱的鋼抱箍與墩柱、基樁或臨時支撐緊貼，使鋼抱箍與被箍構件之間的界面產生環向壓應力，進而提供強大的摩擦力用以支撐施工平臺，傳遞施工期間上部結構下傳的荷載，避免搭設大量支架，克服滿堂支架和穿插鋼棒法的不足。

圖1 鋼抱箍實際應用

鋼抱箍成功實施的關鍵是確保抱箍與所箍構件之間的界面具備足夠的摩擦力，足以承擔上部支架傳遞的荷載且留有一定的富余[6～8]。為減少鋼抱箍數量且能安全抵御高樁承臺鋼套箱及大體積承臺混凝土的重量，降低在潮汐環境中鋼套箱支撐困難問題，針對溫州甌江口跨海南大橋承臺施工，范遠林等[9]詳細分析了鋼抱箍與鋼護筒界面摩擦力及其受海水銹蝕影響的時變規律，在該工程中將鋼-鋼接觸摩擦系數由通常的取值0.15提高至0.49，最后將原估算的12套雙抱箍優化至6個。混凝土墩柱與鋼抱箍界面之間的橡膠可能改變鋼抱箍的破壞模態，劉晨旭[10]對帶牛腿的抱箍進行承載力試驗，佐證了上述現象。試驗中發現在鋼抱箍自身破壞前，橡膠墊因顯著的滑移而提前退出工作狀態。依托實際工程開展鋼抱箍分析，文獻[11～15]從抱箍開裂原因、溫變對抱箍承載力的影響、抱箍應用場景等多方面進行了深入探索，為相應工程的鋼抱箍應用提供了指導。

為此，通過開展2組6件(每組3件)設置橡膠墊與否的鋼抱箍對比試驗，基于二者的破壞模態和承載力比較，詳細研究界面橡膠墊對鋼抱箍承載力的影響，為鋼抱箍的應用提供參考。

1 試驗研究

1.1 試驗方案

6套鋼抱箍試件內徑均為300 mm，按照是否設置橡膠墊將抱箍分成2組：無橡膠墊組和橡膠墊組。鋼抱箍和鋼管材質為Q235，抱箍壁厚10 mm，所箍鋼管壁厚12 mm。鋼抱箍和所箍鋼管詳細尺寸如圖2。橡膠墊組在抱箍與鋼管界面之間滿布一厚度為5 mm的丁腈橡膠，無橡膠墊組鋼抱箍內表面與鋼管外表面直接接觸。最后，兩組每個試件均通過4個8.8級M20高強螺栓施加預緊力，各試件詳細信息見表1。

圖2 鋼抱箍及所箍鋼管/mm

表1 試驗構件信息

1.2 材料性能及預緊力

鋼抱箍和鋼管材質均為Q235，實測鋼材材料力學性能如表2。螺栓采用8.8級M20高強螺栓，根據JGJ 82-2011《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》[19]規定：單個螺栓最大預緊力不超過110.0 kN，所施加的螺栓扭矩與預緊力關系為：

表2 鋼材力學性能實測參數

M0=kP0d

(1)

式中：M0為螺栓施加的扭矩(N·m)；k為扭矩系數(取k=0.13)；P0為高強螺栓預緊力(kN)；d為螺栓公稱直徑(mm)。

1.3 加載及測試

將抱箍兩翼支撐于支座上，通過電液伺服控制加載裝置將荷載施加于被箍鋼管頂部(圖3)，模擬鋼抱箍實際受力狀態。采用位移控制進行加載，首先按最大理論荷載的30%，分三級對鋼抱箍進行預加載，預加載完成后采用位移加載，按0.15 mm/min的速率對鋼抱箍施加載荷，直至抱箍出現破壞，繼而卸載。

圖3 試驗加載

在鋼管與抱箍相關位置分別布置了位移計(圖4)，試驗過程測試了抱箍承載力和位移。本文以下內容所指位移δ皆為測點n-N-1～n-N-10的平均值，鋼抱箍力F指抱箍所受壓力，即等效為反力架提供的力。

圖4 位移測點布置

2 試驗現象

無論有無橡膠墊，6個試件最終破壞均源自于界面滑移。其中，設置橡膠墊組的3個試件，抱箍破壞時，橡膠面出現明顯的剪切滑移磨損現象(圖5)，隨著螺栓預緊力增大，橡膠面磨損程度加深,磨損范圍顯著增大。

圖5 橡膠墊組界面磨損

無橡膠墊組抱箍與鋼管破壞時，3個試件界面特征非常相似，其界面損傷現象雖不如橡膠墊組顯著，但也出現細微挫傷(圖6，圖中白色為鋼管打磨痕跡，小框內為滑移挫傷)。

嚴格生豬定點屠宰可管理。根據國家法律法規，切實做好生豬定點屠宰管理工作，嚴厲打擊私宰、違法使用瘦肉精、生豬注水等行為。增加巡檢和抽檢頻率，杜絕病死動物上市銷售，構建嚴格的病死動物無害化處理機制。同時，還應該嚴格落實屠宰部門的主體責任，動物在屠宰前應該進行嚴格的產地檢疫、屠宰檢疫，執行進場后登記、肉品檢驗、瘦肉精自檢等制度[2]；另外，積極推行標準化畜牧養殖模式，加快構建標準化畜禽養殖場，強化養殖技術示范推廣，推行全程標準化管理和畜產品認證。

圖6 無橡膠墊組界面磨損

橡膠墊組的3個試件，在接近極限荷載時，過程緩慢平靜，無任何明顯聲響。而無橡膠墊組的3個試件，當即將達到極限荷載時，首先發出“砰”的一聲，隨即出現小幅度卸載，緊接著繼續加載，之后再次出現“砰”聲，再次小幅卸載，如此多次反復后，抱箍最終進入失效狀態。

3 結果討論

為進一步弄清橡膠介質對抱箍與鋼管界面的影響，基于經試驗驗證的數值模型對更多設置橡膠墊與否的鋼抱箍開展分析。抱箍和被箍鋼管材質均為Q235，其材料本構采用理想的彈塑性模型，彈性模量為2.01×105MPa ，屈服強度為235 MPa ，泊松比為0.3；橡膠為丁腈橡膠，采用Mooney-Rivlin二參數模型，參數分別取為C10=0.352，C01=0.027。在圓形抱箍和翼板、加勁肋之間設置tie約束，并通過“罰”函數建立界面接觸對，最后合理劃分單元及網格，有限元模型如圖7所示。

圖7 鋼抱箍有限元模型

基于上述模型首先對試驗試件進行承載力對比分析，如表3所示，計算得到的兩組鋼抱箍承載力與試驗實測值非常吻合，誤差均在5%以內，說明該數值模型可以很好地描述抱箍行為。

表3 計算最大承載力與實測最大承載力對比

對設置橡膠墊與否的鋼抱箍，在不同螺栓預緊力下進行更多樣本的力-位移分析，計算所得F-δ曲線如圖8所示，其中GG-01～GG-06分別代表無橡膠墊組螺栓預緊力從50 kN逐漸增到150 kN(單個螺栓的預緊力，抱箍單側共計兩個螺栓)；XJ-01～XJ-06分別代表橡膠墊組螺栓預緊力從50 kN逐漸增到150 kN。

圖8 不同螺栓預緊力下的F-δ曲線

由圖8可見，抱箍與被箍試件之間是否設置橡膠墊顯著改變了抱箍受力性能和破壞模式：對于不設橡膠墊組的鋼抱箍試件，從加載開始，抱箍位移隨載荷基本呈線性遞增至破壞，且破壞發生較為突然，抱箍極限承載力與螺栓預緊力呈正向遞增關系； 然而，一旦設置橡膠墊后，鋼抱箍受力后期呈現典型的非線性特征，承載力隨位移緩慢遞增，接近破壞時，荷載不再提高而位移無法收斂，破壞不會再瞬間發生，該組試件的承載力隨螺栓預緊力也呈正向遞增關系。

試驗所測得兩組6個試件的荷載-位移曲線如圖9，圖中01～03試件鋼抱箍與鋼管界面之間設置了橡膠墊，04～06試件為無橡膠墊組。根據表1所示的螺栓預緊力可知，作為直接對比，兩組試件中預緊力相同的對應試件為：01試件(橡膠墊)/04試件(鋼-鋼直接接觸)、02試件(橡膠墊)/05試件(鋼-鋼直接接觸)及03試件(橡膠墊)/06試件(鋼-鋼直接接觸)。分析圖8可得出：

圖9 抱箍F-δ曲線

無論是橡膠墊組還是無橡膠墊組，試驗和數值計算得到的抱箍承載力均隨螺栓預緊力提高而上升：當螺栓預緊力由50→65→80→100→120→150 kN時，XJ-01～XJ-06試件的極限承載力由135→175→219→275→330→412 kN，預緊力提高了200%，橡膠墊組的極限承載力提高了205.2%；GG-01～GG-06試件的極限承載力由245→300→370→462→555→694 kN，預緊力提高了200%，無橡膠墊組的極限承載力提高了283.3%。對比兩組試件，無橡膠墊組鋼抱箍的極限承載力顯著大于橡膠墊組，在預緊力等條件均相同的前提下，GG-01試件的承載力是XJ-01試件的181.48%，GG-02試件的承載力是XJ-02試件的171.43%，GG-03試件的承載力是XJ-03試件的168.95%，GG-04試件的承載力是XJ-04試件的168.00%，GG-05試件的承載力是XJ-05試件的168.18%，GG-06試件的承載力是XJ-06試件的168.45%，平均提高幅度達71.1%。即同等條件下，鋼抱箍與被箍鋼管直接接觸的承載力是二者界面之間設置橡膠墊承載力的1.7倍。

從圖9可見，當壓力達到20～30 kN時(約為極限承載力的10%～15%)，不管界面是否設置橡膠墊的鋼抱箍結構，其F-δ曲線均出現一個初始平臺，此時位移逐漸增大，承載力幾乎維持不變，該平臺的位移增幅約為1～1.5 mm。表明鋼抱箍承載力來自于被箍構件界面之間的摩擦，這種摩擦力開始階段主要為靜摩擦，此時鋼抱箍與被箍構件界面相對位移較小，但壓力超過一定幅值后，二者界面出現相對微小滑移，此階段承載力維持不變。該特征在實際工程中表現為，在抱箍加載的初期階段，往往存在一個略微明顯的滑移下降轉折點。而數值計算結果并未體現該特征，其與鋼抱箍和被箍試件的界面接觸狀態及參數關系較大，但鑒于實際界面不可能完全理想全面接觸。因此，建議鋼抱箍的實際應用中，應進行預加載且預加最小荷載不宜小于極限載荷的15%，以減輕直至消除該現象，避免抱箍突然滑落現象。此后，鋼抱箍與被箍構件界面獲得新的動態平衡，抱箍承載力大幅度提高。相比橡膠墊鋼抱箍，鋼-鋼直接接觸的抱箍，其界面同等位移下可獲得更高的承載力。故如果在抱箍構件制作精良，抱箍外界環境良好等工程條件下，可以適當提高安全系數以選擇界面鋼材直接接觸。

圖10 鋼抱箍與被箍試件相對滑移

(3)無論是抱箍與被箍試件之間設置橡膠墊與否，試驗表明從加載至極限荷載的70%左右，抱箍承載力與位移之間大體呈線性關系(數值計算無橡膠墊組全程基本均呈現線性關系，說明對無墊的鋼抱箍界面本構后期需要考慮非線性特征；橡膠墊組與試驗結果吻合更好)。但無橡膠墊的鋼抱箍其F-δ曲線的斜率明顯大于橡膠墊組，說明同等壓力下，界面設置橡膠墊后，鋼抱箍與被箍試件之間產生更大的相對位移。主要是因為橡膠內外面均存在相對滑移，在此過程橡膠墊將隨鋼抱箍發生移位(圖10，橡膠墊隨著滑移而外露)。此外，當施加載荷超過極限荷載的70%后，橡膠墊組的鋼抱箍承載力提高速率迅速降低，增幅放緩，試驗中鋼抱箍位移增長顯著，F-δ曲線表現較為平緩且圓滑。然而，無橡膠墊組，在接近極限荷載前仍然表現為荷載隨位移不斷提高，臨近極限荷載時，F-δ曲線呈現明顯鋸齒狀(圖9d～9f)。

(4)如上所述，無橡膠墊組的鋼抱箍在接近極限承載力時，F-δ曲線出現明顯的鋸齒狀，試驗中發出連續的“砰”聲。如圖11所示，該組抱箍，在極限承載力附近，鋼抱箍與被箍試件界面之間存在不斷的滑移、鎖定交替狀態，每次滑移使承載力下降約5～20 kN(約占極限承載力的2.5%～10%)，界面震蕩的初期，承載力降幅較小，但隨著震蕩次數增加，承載力降幅越來越明顯，直至抱箍喪失承載力。而橡膠墊組在接近破壞階段，并無鋼抱箍與被箍試件之間的“震蕩”現象，不會出現持續跳躍的動態平衡過程，而是承載力不再增加，但界面滑移持續增加，直至鋼抱箍失效。

圖11 無橡膠墊抱箍的滑移、鎖定交替“震蕩”F-δ曲線

(5)從兩組試件最終破壞模態的殘余位移可見，橡膠墊組鋼抱箍與被箍試件的殘余位移分別為6.8，9.2，9.4 mm，平均為8.47 mm，無橡膠墊組的殘余位移分別為2.6，3.6，3.2 mm，平均為3.13 mm。說明界面設置橡膠墊后，界面剪切剛度大幅度降低，其破壞時界面殘余位移是不設橡膠墊抱箍的2.7倍。可見，實際工程中在鋼抱箍與被箍試件之間設置橡膠墊，用以改善界面緊貼度和避免構件局部損傷，但橡膠墊加大了界面滑移量和殘余位移，應謹慎設置諸如橡膠等墊層。

4 結 論

(1)界面之間的橡膠墊降低了鋼抱箍承載力，在同等螺栓預緊力下，鋼抱箍與被箍鋼管直接接觸的承載力是二者界面之間設置橡膠墊承載力的1.7倍。

(2)鋼抱箍與被箍試件的界面設置橡膠墊后，界面剪切剛度顯著降低，破壞時界面滑移明顯，殘余位移是不設橡膠墊抱箍的2.7倍。

(3)無論設置橡膠墊與否，當抱箍所受壓力達到極限承載力的10%～15%時，鋼抱箍均存在一個明顯的滑移過程，此后鋼抱箍從靜態平衡過渡到動態平衡階段，并保持壓力隨位移逐漸增大的態勢，但相比設置橡膠墊組，無橡膠墊試件在界面同等相對滑移值下具有更高的承載力。

(4)當壓力超過極限承載力的70%后，界面設置橡膠墊的鋼抱箍承載力隨位移的增長速率顯著放緩，而不設橡膠墊的鋼抱箍承載力仍基本保持原有速率而增長。接近極限承載力時，不設橡膠墊的鋼抱箍持續不斷地發出“砰”聲，此時鋼抱箍與被箍試件界面之間存在不斷的滑移、鎖定的交替狀態，每次滑移使承載力下降約為極限承載力的2.5%～10%，震蕩發生的初期，承載力下降較小，隨著震蕩次數增加，承載力降幅越趨顯著，直至抱箍喪失承載力。而設置橡膠墊后，鋼抱箍接近破壞時，不發出“砰”聲，也未出現上述“震蕩”現象，只是承載力不再隨位移增大而增長。