抱箍法蓋梁施工技術(shù)研究

徐 亮 王志遠(yuǎn)

（中交路橋北方工程有限公司，北京 100024）

0 引言

近年來(lái)國(guó)家公路行業(yè)得到了飛快發(fā)展，一座座橋梁建成通車，在橋梁施工過程中，蓋梁支架的施工是一項(xiàng)重點(diǎn)和難點(diǎn)，如何根據(jù)工程特點(diǎn)，正確合理地選擇蓋梁施工方法，在整座橋梁建設(shè)中顯得尤為重要。目前現(xiàn)澆蓋梁施工常用的方法有剪力銷棒法、滿堂支架法和抱箍法，其中抱箍法具有對(duì)地基要求低、適應(yīng)性強(qiáng)、可調(diào)節(jié)高度、可縮短施工時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本低、操作簡(jiǎn)單、對(duì)墩柱無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)，在蓋梁施工中最常見，例如 東榮大橋工程的施工，全部采用抱箍法來(lái)完成，美國(guó)亞歷山大到漢密爾頓大橋改造過程中，利用到了抱箍的支撐體系，節(jié)約了大量人力物力與時(shí)間。抱箍法的力學(xué)原理是利用在墩柱上的適當(dāng)部位安裝抱箍并使之與墩柱夾緊產(chǎn)生的最大靜摩擦力，來(lái)克服臨時(shí)設(shè)施及蓋梁的質(zhì)量。該文依托國(guó)道111線騰克至甘河農(nóng)場(chǎng)段公路建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)在建蓋梁施工過程中的抱箍承載力變化情況及蓋梁支架的受力情況進(jìn)行分析，總結(jié)抱箍法蓋梁施工的技術(shù)要點(diǎn)。

1 工程概況

國(guó)道111線騰克至甘河農(nóng)場(chǎng)段公路建設(shè)項(xiàng)目起終點(diǎn)路線總體呈南北走向，起點(diǎn)位于騰克鎮(zhèn)西北約5 km處，接在建的國(guó)道111線尼爾基至騰克段一級(jí)公路，經(jīng)莫克里、馬場(chǎng)，終點(diǎn)止于甘河農(nóng)場(chǎng)以南約7 km處，順接擬建的國(guó)道111線甘河農(nóng)場(chǎng)至大楊樹段一級(jí)公路。起訖樁號(hào)為K1713+000～K1763+757.301，路線主線長(zhǎng)約50.757km，采用雙向四車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬26m，設(shè)計(jì)速度100km/h。全線設(shè)大橋681.5m/3座，中橋386m/8座，小橋38m/2座，共計(jì)橋墩蓋梁86座，蓋梁尺寸分別為（長(zhǎng)×寬×高）15.08m×1.6m×1.2m、13.06m×1.6m×1.2m、11.4m×1.9m×1.6m、13.16m×1.8m×1.4m，，蓋梁數(shù)量較多，所需蓋梁支架材料量較大。

2 蓋梁支架方案比選

將剪力銷棒法、滿堂支架法和抱箍法三種方法進(jìn)行對(duì)比，制定出適合該項(xiàng)目的最優(yōu)支架方案，如表1所示。

筆者將以上三種形式進(jìn)行對(duì)比（見表1），可知滿堂支架法需要對(duì)地基進(jìn)行處理，處理難度較大且成本較高，不滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。抱箍法和剪力銷棒法都滿足施工要求，但考慮內(nèi)蒙地區(qū)對(duì)混凝土外觀質(zhì)量要求較高，剪力銷棒法孔洞處理較麻煩，最終項(xiàng)目確定選擇抱箍法支架作為項(xiàng)目的蓋梁支架形式。

表1 蓋梁支架方案比選

3 蓋梁支架設(shè)計(jì)

蓋梁支架分配梁采用I14工字鋼，蓋梁下按照間距500mm布置，分配梁長(zhǎng)4300 mm，一共設(shè)計(jì)24根。承重梁采用2I36a工字鋼組拼，工字鋼間距按照1670 mm布置，分布于墩柱的兩側(cè)，工字鋼長(zhǎng)14000 mm，共計(jì)I36a工字鋼4根。抱箍采用壁厚16 mm鋼板加工制作，抱箍寬度400 mm，螺栓孔6個(gè)，螺栓采用5.6級(jí)，螺栓直徑30 mm，螺距3.5 mm。蓋梁支架四周設(shè)高度1.2m的護(hù)欄，護(hù)欄上掛密目安全網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。蓋梁支架使用材料見表2。

表2 蓋梁支架使用材料一覽表

4 蓋梁支架計(jì)算及實(shí)際受力監(jiān)測(cè)分析

4.1 蓋梁支架計(jì)算

蓋梁支架計(jì)算用分析軟件Midas/Civil進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果對(duì)例如下。

組合應(yīng)力計(jì)算如圖1所示：=43MPa<215MPa，滿足要求。

圖1 分配梁桿件有限元組合應(yīng)力計(jì)算

剪應(yīng)力計(jì)算如圖2所示。=29.91MPa<125MPa，滿足要求。

圖2 分配梁桿件有限元剪應(yīng)力計(jì)算

組合應(yīng)力計(jì)算如圖3所示：=170.2MPa<215MPa，滿足要求。

圖3 承重梁桿件有限元計(jì)算

剪應(yīng)力計(jì)算如圖4所示：

圖4 承重梁桿件有限元計(jì)算

τ=34.87MPa<125MPa，滿足要求。

通過有限元計(jì)算軟件對(duì)蓋梁支架進(jìn)行受力計(jì)算，分析蓋梁支架的受力情況，經(jīng)過計(jì)算可知蓋梁強(qiáng)度、剛度均滿足要求。

4.2 蓋梁支架現(xiàn)場(chǎng)受力監(jiān)測(cè)

通過分析，蓋梁支架荷載通過模板傳遞到分配梁，再由分配梁傳遞到承重梁，最后由承重梁傳遞到抱箍上，其中監(jiān)測(cè)抱箍上的總荷載最簡(jiǎn)單，能夠真實(shí)反映上部的全部荷載，所以決定在支架搭設(shè)時(shí)，在蓋梁支架支點(diǎn)處安裝輪輻拉壓傳感器用于支架的受力監(jiān)測(cè)，共計(jì)設(shè)50t輪輻式拉壓荷載傳感器4個(gè)，支點(diǎn)處的荷載即為蓋梁支架上部的總荷載。并在蓋梁支架稱重梁上黏貼電阻式應(yīng)變傳感器若干，使用IMC動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一套，東華3820應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)一套。實(shí)際監(jiān)測(cè)如圖5所示。

圖5 輪輻傳感器和應(yīng)變片安裝照片

混凝土澆筑從蓋梁左側(cè)開始，從測(cè)試數(shù)據(jù)看出，隨著混凝土澆筑，作用在蓋梁左右側(cè)兩肢抱箍連接處的荷載、承重梁跨中型鋼翼緣和腹板1/3處應(yīng)變逐漸發(fā)生變化。

主要測(cè)試數(shù)據(jù)：1）垂直作用在右側(cè)兩肢抱箍連接處的最大荷載分別為276.8kN；2）承重梁跨中型鋼翼緣最大拉應(yīng)變?yōu)?98.1με；3）承重梁跨中腹板1/3處最大拉應(yīng)變?yōu)?13.5με。

混凝土澆筑全過程中，荷載及應(yīng)變變化過程如下。

在1s~1000s時(shí)間段，作用在蓋梁左側(cè)兩肢抱箍連接處的荷載增加總體比較快，該時(shí)間段混凝土澆筑集中在蓋梁左側(cè)，混凝土流淌較慢，該階段作用在蓋梁左側(cè)抱箍最大荷載19.71kN；相對(duì)應(yīng)的，承重梁跨中型鋼翼緣和腹板處應(yīng)變均持續(xù)增加，其中翼緣應(yīng)變?yōu)?0.05με、腹板1/3處應(yīng)變?yōu)?9.53με，翼緣應(yīng)變是腹板1/3處應(yīng)變的2.56倍。

在1001~3020s時(shí)間段，混凝土澆筑量持續(xù)增加，荷載主要以混凝土自重為主，作用蓋梁兩個(gè)抱箍處的荷載增加迅速，作用在左側(cè)抱箍荷載從19.71kN增加到30.0kN，增加速度為0.005kN/s，作用在右側(cè)抱箍荷載從7.02kN增加到167.27kN，增加速度為0.079kN/s，右側(cè)比左側(cè)快15.7倍，出現(xiàn)荷載偏向右側(cè)的趨勢(shì)；相對(duì)應(yīng)的，承重梁跨中型鋼翼緣應(yīng)變從48.83με增加到 272.23με，腹板 1/3處應(yīng)變從19.53με增加到64.70με，翼緣應(yīng)變是腹板1/3處應(yīng)變的4.2倍。此時(shí)，混凝土澆筑總量快速增加，混凝土向右側(cè)流淌較快，出現(xiàn)荷載偏向左側(cè)的趨勢(shì)，混凝土澆筑逐漸靠近蓋梁中部，荷載主要以混凝土自重為主，混凝土澆筑沖擊和振搗作用不明顯，蓋梁承重梁跨中處變形明顯增大。

在3101s~5000s時(shí)間段，混凝土澆筑量持續(xù)增加，荷載主要以混凝土自重為主，作用在兩個(gè)抱箍處的荷載在3021s~4000s增加趨緩，甚至有所下降，其中以作用在左側(cè)抱箍荷載比較明顯；4000s后，荷載增加明顯，作用在右側(cè)抱箍荷載從160.8kN增加到216.91kN，增加速度為0.056kN/s；相對(duì)應(yīng)的，承重梁跨中型鋼翼緣應(yīng)變?cè)黾拥?35.82με，腹板1/3處應(yīng)變?cè)黾拥?07.43με，翼緣應(yīng)變是腹板1/3處應(yīng)變的4.1倍。此時(shí)，混凝土澆筑總量緩慢增加，混凝土澆筑逐漸移向近蓋梁右側(cè)，荷載主要以混凝土自重為主，混凝土澆筑沖擊和振搗作用不明顯，蓋梁承重梁跨中處變形繼續(xù)明顯增大。

在5001s~6020s時(shí)間段，混凝土澆筑量持續(xù)增加，荷載主要以混凝土自重為主，作用蓋梁右側(cè)抱箍處的荷載隨著混凝土逐漸填滿，荷載增加到250.8kN、276.8kN，蓋梁左側(cè)抱箍處的荷載，隨著混凝土澆筑的離開，有少量降低；相對(duì)應(yīng)的，承重梁跨中型鋼翼緣最大拉應(yīng)變?yōu)?98.1με，承重梁跨中腹板1/3處最大拉應(yīng)變?yōu)?13.5με，翼緣應(yīng)變是腹板1/3處應(yīng)變的4.4倍。此時(shí)，混凝土澆筑接近結(jié)束，混凝土振搗作用明顯，尤其是增加了多次深層插入振搗，由此出現(xiàn)了左右抱箍作用荷載增加，承重梁跨中變形也受到一定影響。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)總結(jié)如下：1）作用在抱箍上的荷載最大為276kN，比設(shè)計(jì)計(jì)算荷載小35kN，上部總荷載比設(shè)計(jì)總荷載少140kN；2）在使用抱箍法進(jìn)行蓋梁混凝土澆筑過程中，混凝土澆筑沖擊和振搗作用不容忽視，尤其在澆筑初期和末期；3）混凝土振搗時(shí)，振搗棒不要接近或觸及模板底板和側(cè)板處；4）蓋梁混凝土澆筑施工中出現(xiàn)澆筑不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致作用在抱箍上一側(cè)荷載偏大，產(chǎn)生不安全因素，要避免該現(xiàn)象。

5 蓋梁支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用Midas/Civil軟件對(duì)蓋梁支架計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，支架的最大應(yīng)力在支點(diǎn)附近，所以通過增加支點(diǎn)處的截面面積，，提高支點(diǎn)處的承載能力，而跨中材料的應(yīng)力未達(dá)到極限，所以有優(yōu)化的空間，計(jì)劃將對(duì)支點(diǎn)處1m范圍的工字鋼兩側(cè)外焊接鋼板，支架承重梁由2I32a工字鋼變成32a工字鋼。雖然蓋梁應(yīng)力已經(jīng)接近材料的設(shè)計(jì)容許應(yīng)力值，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，上部的荷載小于設(shè)計(jì)計(jì)算荷載，同時(shí)在計(jì)算時(shí)恒荷載系數(shù)取值1.3，可變荷載取值1.5，按照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，荷載安全系數(shù)又提高了1.14，所以優(yōu)化后的蓋梁方案滿足要求。優(yōu)化后的蓋梁材料減少50%。

通過計(jì)算可知，作業(yè)平臺(tái)上的荷載主要是人群荷載，支架的承載能力明顯過高，所以將長(zhǎng)度由3.8m優(yōu)化成3m交錯(cuò)布置，既能滿足支架的主要承載能力，又能減少支架的自重，使分配梁材料比原設(shè)計(jì)減少約26%。優(yōu)化之前蓋梁支架布置如圖6所示，優(yōu)化之后蓋梁支架布置如圖7所示。

圖6 蓋梁支架原設(shè)計(jì)圖

圖7 優(yōu)化后的蓋梁支架

6 結(jié)論

為了探究蓋梁施工過程中的結(jié)構(gòu)與優(yōu)化問題，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，比較了蓋梁的幾種施工方法，最終確定選擇抱箍法對(duì)該工程項(xiàng)目進(jìn)行施工。接著利用Midas/Civil有限元軟件對(duì)蓋梁支架的各種受力情況進(jìn)行計(jì)算，可知蓋梁強(qiáng)度、剛度均滿足要求。然后借助輪輻拉壓傳感器和應(yīng)變片對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工進(jìn)行力學(xué)監(jiān)測(cè)，得到蓋梁抱箍法施工過程中蓋梁支架的實(shí)際受力變化情況。最后通過有限元分析與實(shí)際力學(xué)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，得到蓋梁支架的優(yōu)化方法：1）不同長(zhǎng)度的分配梁的交錯(cuò)布置，節(jié)約了材料，同時(shí)有利于材料的周轉(zhuǎn)，使分配梁材料比原設(shè)計(jì)減少20%。2）將承重梁由2I32a工字鋼變成單根工字鋼，通過計(jì)算優(yōu)化支架的方案，使承重梁材料比原設(shè)計(jì)減少50%。

優(yōu)化了施工材料浪費(fèi)以及施工過程煩瑣的一些問題，該施工方案的優(yōu)化對(duì)蓋梁抱箍法的施工具有重要的借鑒意義，為同類工程提供參考實(shí)例。