跨公路橋梁高墩柱蓋梁抱箍法設計與應用

王成津 （中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東 濟南 250002）

1 工程概況

濟南繞城高速公路1 標段項目為新建雙向六車道高速公路，標段起止里程為K0+000～K13+055，主線全長13.042km，項目全線位于濟南市歷城區境內，沿線經過3個街道。溫梁路高架橋10#墩跨Y78鄉道（已升級為縣道），其中10#墩左右幅蓋梁為預應力鋼筋混凝土蓋梁，跨Y78鄉道施工。10#墩蓋梁尺寸20.5m×2.6m×2.0m，體積117.4m3，底部設置4 根直徑1.8m 樁基，樁基上接承臺[1]，承臺上布設2 根2.2m 圓形墩柱，底端距離Y78 鄉道路面26m，與鄉道夾角為70°，詳細如圖1、圖2所示。

圖1 溫梁路高架橋10#墩蓋梁立面圖

圖2 溫梁路高架橋跨Y78鄉道圖示

2 設計說明

10#墩蓋梁跨度大、體積大、重量重、高度高，施工存在高風險，如何保證安全施工是困擾項目施工的難題[2]。

2.1 現場材料基本參數

鋼管柱[3]直徑為52.9cm/100cm，壁厚0.8cm/1cm，鋼材型號為Q235。貝雷片尺寸長300cm，寬18cm，高1.5cm。模板底模計劃采用木模，工字鋼45a（單根長度12m），12.6工字鋼單根長4.5m。

2.2 抱箍結構設計

根據現場基本情況及材料情況，經過多方面論證，采用抱箍與貝雷架組的結構設計[4]，如圖3所示。

圖3 溫梁路高架橋10#墩蓋梁抱箍設計

2.2.1 蓋梁模板底模支撐設計

在蓋梁底模采用木質竹膠板，側模采用鋼模板[5]，竹膠板下采用間距25cm I12.6 工字鋼作為縱向分配梁，長度按照4m 考慮，I12.6 工字鋼下設置橫向貝雷架，貝雷架設置3道。

2.2.2 蓋梁模板底模支撐設計

在縱向工字鋼底部采用雙側貝雷片連接形成橫梁[6]，長度為21m，在墩柱兩邊設置3 道貝雷梁，內側間距2.2m。貝雷梁之間采用U 形卡扣連接，兩側貝雷梁通過精軋螺紋鋼互連。貝雷架底靠近墩柱處設置抱箍，中間鋼管柱支撐，鋼管柱頂設置砂箱。

2.2.3 抱箍設計

每個抱箍通過2 塊半圓弧鋼制面板（板厚t=12mm）制成，螺栓孔使用M24的高強螺栓連接，抱箍高度0.5m，每側設置20 個螺栓孔。為避免墩柱成品受到破壞，在墩柱與抱箍之間布設橡膠墊或者土工布，貝雷架與抱箍之間采用固定鋼構件連接[7]。

2.2.4 鋼管柱設計

采用兩排直徑100cm 的鋼管柱，設置在Y78 鄉道兩側，距離墩身中心間距4.25m，兩根鋼管柱之前采用槽鋼或I12.6 工字鋼連接，鋼管柱頂用鋼板焊接，鋼板上采用53cm 的砂箱，便于拆卸與調整標高。鋼管柱底設置1.5m×1.5m×0.8m 獨立基礎，并通過法蘭盤與基礎相連。

2.2.5 操作平臺設計

欄桿采用直徑4.8cm 的鋼管搭設，在橫梁上每隔2m 設1處高度為1.2m 鋼管，豎向間隔0.5m 設一道鋼管橫桿，鋼管之間采用焊接相連，焊縫飽滿，滿足要求。

操作平臺設在縱向工字鋼伸出底模上[8]，在縱向工字鋼上鋪設厚度為1.5cm的優質竹膠板，木板與縱向工字鋼之間綁扎牢固。

3 蓋板抱箍法設計驗算

3.1 設計驗算說明

抱箍實施前，先進行預壓，滿足要求。

荷載組合：剛度組合為模板荷載+支架自重荷載+混凝土荷載；強度組合為1.2 倍模板荷載+1.2 倍支架荷載+1.2倍混凝土荷載+1.4倍施工荷載。

3.2 木板驗算

根據《建筑結構可靠性設計統一標準》（GB 50068-2018）查得，竹膠板參數取值如下。[σ]＝12(MPa)，[τ]＝1.3(MPa)，E＝5×103(MPa)。

木膠合模板計算厚度15mm，采用1m 竹膠板的計算結果[9]如下。慣性矩I=28.125(cm4)，抗彎模量 Wx=37.5(cm3)，中間部分竹膠板按照底部縱梁20.5m×2.6m 跨度的面進行計算，計算荷載如表1所示。

表1 計算荷載

表2 鋼管柱參數表

通過底板木膠合模板平均面荷載轉化為橫向的線荷載為（1.2G1+1.2G2+1.4G3）/20.5/2.6＝71.9(kN/m2)。

底模下工字鋼間距為0.25m，縱向線荷載q=0.25×71.9=18(kN/m)。

①強度驗算

通過最新規范路橋施工計算手冊可知，最大彎矩為M1max=1/10ql2=0.018（kN·m）；彎曲應力為σ1max=M1max/W=0.48(MPa)；剪切應力為Qmax=0.6×15.5×l=1.08（kN）；τmax=QmaxS/（Ib）=（Qmax×bh2/8）/（bh3/12×b）=1.5Qmax/（bh）=0.16（MPa）＜[τ]＝1.3（MPa）。故底模竹膠合板強度滿足要求。

②剛度驗算

荷載組合采用①+②。

轉化為橫向的線荷載，按照底板木膠合模板平均承載q＝15.39(kN/m)，通過路橋施工手冊可知f1max=0.677×ql4/(100EI)=0.0074(mm)＜L/250=0.4(mm)，故底模板竹膠板剛度滿足要求。

3.3 橫梁計算

采用間距25cm I12.6 工字鋼作橫梁，橫梁長4m。共設橫梁83根，總重G4為47.2kN。

①荷載計算

橫梁上的總荷載G=1.2G1+1.2G2+1.4G3+1.2G4=3889.3(kN)，q1=3839.3/20.5=189.7（kN/m）。

橫梁采用25cm 間距的工字鋼，則作用在單根橫梁上的荷載G’=189.7×0.25=47.4(kN)，作用在橫梁上的均布荷載q2=47.4/2.6=18.2(kN/m)。

②橫梁抗彎與撓度驗算

橫梁的彈性模量E=2.1×105(MPa)，慣性矩I=488(cm4)，抗彎模量Wx=77.4(cm3)，為了簡化計算，忽略兩端懸挑部分的影響。最大彎矩為M2max=1/8q2l2=9.5(kN·m)，σ2=M2max/Wx=142(MPa) ＜[σw]=215(MPa)，滿足要求。

最大撓度為f2max=5qH4/384EI=0.0053m＜[f]=2.2/400=0.0055m，故橫梁抗彎、剛度均滿足要求。

3.4 貝雷架計算

貝雷架驗算時單側三排貝雷片為一個整體。

①荷載計算

貝雷梁自重為G5=3×7×2×0.3×10=126(kN)。

縱梁上的總荷載為G6=G+1.2G5=3904.4(kN)。

橫梁所承受的荷載按照均布荷載考慮[10]，三排貝雷片所承受的均布荷載q3=G6/2L=3904.4/（2×21）=93(kN/m)，單排貝雷片為31(kN/m)。

②結構力學計算

最大應力為150(MPa)＜215(MPa)。

最大剪力為129.6(kN)＜245(KN)。

最大撓度為4.3(mm)＜900/40=22.5(mm)。

因此貝雷架抗彎、抗剪與剛度均滿足要求。

3.5 抱箍計算

①荷載計算

通過建模計算，單排抱箍處支反力為85.2kN、鋼管柱處為240.3kN，蓋梁兩個抱箍體承受上端荷載，支反力Rc=3×85.2=255.6(kN)，每個抱箍承受的豎向荷載N=2Rc=511.2(kN)。

②抱箍受力計算

抱箍需承擔的豎向力為N=511.2(kN)，由《路橋施工計算手冊》M24螺栓的允許承載力：

[NL]=Pμn/K。

式中，P-高強螺栓預荷載拉向力；取225kN；μ-抱箍的摩擦系數；0.3，n-接觸面數量，取值1；K 取值1.7。則[NL]=39.7(kN)。

螺栓數目m=N/[NL]=511.2/39.7≈12.8個，實際現場螺栓數量m=20個。

則每個高強螺栓的抗剪力P′=N/20=511.2/20=25.56＜39.7(kN)。

故高強螺栓滿足受力要求。

③螺栓軸向拉力驗算

混凝土與鋼之間鋪設一層橡膠，橡膠與鋼之間的摩擦系數μ 取0.3 計算。抱箍產生的壓力Pb=N/μ=1704(kN)，由高強螺栓承擔。則N1=Pb=1704(kN)。

抱箍的壓力由20 個M24的高強螺栓拉力產生。即每個螺栓拉力N2=Pb/20=85.2＜225kN，每條螺栓應力：

σ=N2（1-0.4nl/n）/A。

式中，N2-軸心力；nl-構件與連接板一端高強螺栓的連接數目；n-所有螺栓數目，均取20 個；A-螺栓的面積，A=4.52(cm2)。

σ＜[σ]=140MPa，故螺栓軸向拉力滿足設計要求。

④螺栓的力矩計算

由螺帽壓力產生的反力矩M1=u1N2×L1，u1=0.15，L1=0.015m。

力臂M1=0.15×85.2×0.015=0.192(kN·m)。

M2為螺栓爬升角產生的反力矩，升角為角度為10°。M2=μ1×N2cos10°×L2+N2sin10°×L2(L2為0.011m)=0.3(kN·m)，M=M1+M2=0.192+0.3=0.492(kN·m)，M≥0.492(kN·m)，滿足設計要求。

⑤抱箍應力驗算

a.抱箍壁受拉產生拉應力

拉力P1=10N2=852(kN)。

抱箍鋼板使用面板厚度為12mm，抱箍高度為0.5m。

S1=0.012×0.5=0.006(m2)。

σ=P1/S1=142(MPa)＜[σ]

=158MPa。

滿足強度要求。

b.抱箍體剪應力

τ=(1/2N)/(2S1)=21.3(MPa)＜[τ]=85(MPa)。

σw= (σ2+3τ2)1/2，σw=143＜[σ]=158(MPa)。

滿足強度要求。

3.6 鋼管柱計算

鋼管柱高度平均取24m，通過砂箱與貝雷架連接[11]。

通過建模計算[12]，鋼管柱頂端支反力為240.2×3=720.6(kN)。

通過表3 鋼管柱穩定性驗算可知，在墩身施工前，在與鋼管柱12m 處相對應的墩身位置埋設鋼板，通過工字鋼與鋼管柱連接，確保鋼管柱穩定性滿足設計要求，提高了鋼管柱安全系數。

表3 鋼管柱穩定性驗算

4 結語

該處蓋梁施工采用抱箍與貝雷架鋼管支架組合形式，施工時支架要求注意各個節點連接，同時跨路要注意支架的搭設與拆除工藝，支架搭設完成后進行預壓，預壓合格后進行下道工序，支架設計與應用有效解決了高橋墩大跨度蓋梁施工困難，確保了安全與質量。