獨柱墩加固雙層鋼抱箍三角托架應用及研究

孟航

（廣州公路工程集團有限公司，廣東 廣州 510400）

0 引言

在高速公路橋梁加固施工中，經常涉及對橋梁下部結構進行加固施工。橋梁下部結構通常多為樁柱式結構或者獨柱墩式結構，對其加固施工所需建立的承力平臺通常選擇搭設滿堂支架和鋼管立柱架等構建形式。這種施工方案的實施均要求以具備良好的地基條件且在墩身不高的陸地上施工為前提，當施工位置在軟基或水中時便不能采用此種方案。因此，針對軟基或水中施工環境，大多采用抱箍法進行橋梁下部結構加固施工，而針對獨柱墩加固施工需要，采用單墩雙層鋼抱箍三角托架支撐的方式構建承力平臺就成為一種更加實用的施工方法。

1 工程概況

南沙港快速路侖頭立交H 匝道6 號獨柱墩，位于一條寬10m 的河床內。該墩柱直徑1.5m，高度10.6m。獨柱墩加固設計方案為在原墩柱頂新增設混凝土蓋梁、橫梁和支座系統，通過拉大支座間距的方式，達到提高單墩抗傾覆穩定性的目的。其混凝土蓋梁高度為2m，寬度為2m，長度為6m（見圖1）。由于是在河床底部的軟土淤泥中施工，不適用滿堂支架的方法來構建承力平臺，經過分析比較，決定利用三角形的穩定性，采用雙層鋼抱箍三角托架的方法搭建承力平臺進行蓋梁施工。

圖1 抱箍托架正立面圖

2 抱箍托架設計計算

2.1 雙抱箍三角托架結構原理及構造

2.1.1 結構原理

雙抱箍三角托架結構由上層鋼抱箍提供中部支撐反力，下層抱箍連同斜撐桿組成三角組合托撐端部反力。在上層鋼抱箍兩側牛腿及斜撐端部設置兩片型鋼橫梁，橫梁由托架架設在墩柱前后兩側，由此上下兩層鋼抱箍、斜撐桿、型鋼橫梁即可組成一個三角鋼托架，再通過托架主橫梁、分配梁組成承力平臺使用[1]。

2.1.2 結構構造

構造：該三角托架主要由上下兩層鋼抱箍、兩條型鋼主橫梁及三角形鋼斜撐桿組成，具體結構詳見圖1所示。

2.2 主要構造桿件計算

2.2.1 托架設計及驗算

（1）施工荷載的選定

澆筑混凝土自重荷載為27kN/m3，以新舊蓋梁結合面位置荷載最大，即取1.74m 高蓋梁處為最大荷載[2]：

混凝土自重：q1=2×1.74×27=94kN/m

模板重量：q2=2kN/m

三角托撐架：q3=2kN/m

分配梁及工字鋼橫梁自重：q4=5kN/m

人群荷載、機具荷載：q5=2.5×4=10kN/m

振搗混凝土荷載：q6=2×2=4kN/m

靠近原蓋梁處荷載集度：q＝1.2（q1+q2+q3+q4）+1.4（q5+q6）＝143.2kN/m。

其他部位荷載集度計算同上。

（2）分配梁抗彎與撓度驗算

分配梁14a#槽鋼的彈性模量E=2.06×105N/mm2，慣性矩I=563.7cm4，截面模量w=80.5cm3

取橫梁間距為30cm，單根橫梁承受的荷載為Gh=q×0.3=42.12kN（其中q=143.2kN/m），

則作用在橫梁上的均布荷載為

滿足要求。

（3）托架橫梁檢算

托架橫梁20b 工字鋼支撐在上層抱箍牛腿上，斜桿與橫梁銷接，視為鉸接；兩個斜桿底部通過焊接方式連接，并同時與底層抱箍進行銷接。該受力體系為超靜定結構，兩側的型鋼托架共同承受荷載，各承擔1/2 荷載[3]。繪制托架彎矩圖及剪力圖如圖2、圖3 所示，其中20b 工字鋼的彈性模量為E=2.06×105N/mm2，慣性矩為I=2502cm4，截面模量為w=250.2cm3，腹板的厚度為tw=9mm。

圖2 彎矩圖（單位：kN·m）

圖3 剪力圖（單位：kN）

正應力和切應力：

橫梁最大撓度在端部：

故滿足要求。

（4）斜桿檢算

斜桿采用兩個[10 槽鋼，槽面對接滿焊焊接。其頂部和底部各焊接一塊15cm×15cm 過渡鋼板（厚度20mm），再通過過渡鋼板分別與工鋼橫梁、抱箍牛腿栓接連成整體受力體系。

斜桿軸向受壓，驗算抗壓強度。最不利狀態是上層抱箍與工字鋼橫梁沒有緊密接觸，所以在驗算斜桿時，不考慮上層抱箍對橫梁的支撐，假設所有荷載加在斜桿上，按《鋼結構設計與計算》規定，斜桿截面屬于壓桿b 類截面，驗算其受壓穩定性[4]：

(滿足要求)。

2.2.2 抱箍設計及驗算

（1）抱箍承重原理

抱箍采用12mm 厚鋼板制作，高50cm，每個抱箍由兩個半圓形的鋼板組成，兩個半圓鋼箍在柱上安裝后，在拼接部采用M24 高強螺栓按預設扭力擰緊。抱箍鋼構件采用Q235 鋼制作，螺栓采用5.8 級高強螺栓。在蓋梁施工時，利用上下兩層抱箍與墩柱所產生的摩擦力來承擔施工荷載[5]。

（2）抱箍驗算

抱箍與墩柱間的最大靜摩擦力為：

式（1）中：F靜——結合面的最大靜摩擦力；

FN——抱箍與墩柱間的正壓力；

u——結合面的靜摩擦系數。

根據查表格顯示，M24 高強螺栓的設計預拉力[F]＝225kN，取實際施工預拉力F=200kN。抱箍單個拼接面螺栓數量為10 個，兩側拼接即螺栓總數為20 個，則每個抱箍螺栓對墩柱的總正壓力FN=20 × 200=4000kN，鋼材與混凝土間的摩擦系數u為0.3～0.4，取u＝0.35。

由式（1）可得最大靜摩擦力為F靜=uFN=4000×0.35=1400kN，斜桿支撐支座反力RA=RC=116.03kN，墩柱處支座反力RB=66.47kN，則下層抱箍承受的豎向荷載R下=4×116.03=464.12kN ＜F靜=1400kN,上層抱箍承受的豎向荷載R上=2×66.47=132.94kN ＜F靜=1400kN,抱箍受力安全。

3 抱箍托架的搭設與拆除

3.1 抱箍托架施工工藝

抱箍托架施工工藝流程，如圖4 所示。

圖4 抱箍托架施工工藝流程示意圖

3.2 施工操作要點

3.2.1 抱箍安裝

安裝抱箍前，提前在墩柱上放樣，并對結合面進行打磨處理，然后用吊車吊裝抱箍，利用高空作業車，結合人工安裝到位。在抱箍和立柱連接面處平整敷設5mm 橡膠墊，防止由于橡膠墊產生剪切變形造成抱箍下滑。在抱箍連接處高強螺栓連接擰緊，采用扭力扳手測力，保證螺栓力矩到達要求，使抱箍與墩柱貼合緊密，完成抱箍的安裝。

3.2.2 施工平臺安裝

通過吊裝將20b 工字梁吊放于上層抱箍牛腿上，斜撐頂部焊接鋼板與工字鋼橫梁栓接，底部焊接鋼板后與抱箍牛腿栓接。斜撐安裝后，在斜撐之間用4 根[10 槽鋼焊接連接起來形成井字形的連接結構類似水平剪刀撐，加強整體穩定性。在平臺四周設置欄桿，并在工人的行走通道位置鋪上了地板，將整體系統拼裝完畢。

3.2.3 托架拆除

混凝土澆筑完成后，養生待其達到設計強度后，將其托架進行拆除。拆除工作將按照由上而下的順序分單元進行。拆除順序為：施工平臺逐件拆除—斜撐拆除—上抱箍拆除—下抱箍拆除。

4 結語

雙層抱箍三角托架蓋梁施工法在南沙港快速獨柱墩加固施工中得到很好的應用，實施效果證明此法切實可行、簡單高效，并在經濟效益和安全效益上尤為突出。它為一種在場地受限、地基承載力較差、水上墩柱施工、高空作業的場景提供了解決方案。采用此施工方法，一方面能節約大量鋼材或其他材料的投入，另一方面也利于建筑安全，并大幅度減少施工工期，具有投入少、效率高、安全可控等明顯優點。

須注意的是，在正式施工進行前須在陸地上進行試拼裝，并在安裝之后進行靜載預壓試驗，以消除支撐體系的非彈性變形。試驗過程中實時觀測各部位的數據變化，以及節點焊縫或者栓節點的變形情況，以便能實時掌握該體系的穩定性，為后續施工提供參考數據以方便做出相應的調整。