圆柱墩盖梁施工钢抱箍支撑体系设计验算

圆柱墩盖梁施工钢抱箍支撑体系设计验算

朱可瑶

广东省南粤交通龙怀高速公路管理中心广东广州510100

摘要：随着社会经济的发展，我国的工程建设发展越加迅速，桥梁工程的建设也越来越多。在桥梁工程建设当中，盖梁的施工是其中重要的一部分。本文先介绍几种常见的盖梁施工方法，再以实际工程为例介绍圆柱墩盖梁钢抱箍支撑体系设计验算，以及应当注意的相关问题，可供类似工程参考。

关键词：盖梁；抱箍法；施工方法；设计验算

1.概述

近年来桥梁工程的建设越加迅速，为适应各种复杂的施工环境，产生了多种盖梁的施工方法。包括：穿杠法、预埋钢板法、支架法以及抱箍法。穿杠法是指在墩内预先埋设预留孔，在孔中穿入型钢并锁定型钢，由型钢支撑支架、模板及整个盖梁的重量；抱箍法是指在墩柱适当部位安装抱箍并使之与墩柱夹紧产生摩檫力，以此来承受支架、模板及整个盖梁的重量。其中抱箍法施工由于环境适应性强和能够加快施工进度而受到了越来越多的得到应用。

2.圆柱墩盖梁抱箍支撑系统

双柱式桥墩盖梁施工多采用抱箍法施工，本文以一具体工程为例介绍钢抱箍法支撑体系设计验算的主要内容。抱箍用两块10mm厚半圆弧型钢板制成，之间用24根M22的高强螺栓连接，抱箍高度750mm。为了提高墩柱与抱箍间的摩擦力，同时对墩柱混凝土面保护，在墩柱与抱箍之间设一层2-3mm厚的橡胶垫。在抱箍上架设2根15m长的I56a工字钢作为盖梁操作平台的纵向支撑，工字钢与抱箍的每个相接位置用32t的螺旋千斤顶支撑，每个盖梁合计螺旋千斤顶4个。在工字钢上按0.4m的间距铺设I14工字钢作为操作平台的横向支撑，长度3.6米，在支承处必须支垫密实，平稳，为增强工作平台的稳定性，两工字钢之间每隔2m用对拉杆拉紧，槽钢与工字钢之间采用U形螺栓连接。盖梁结构示意图见图1所示。

图1盖梁结构示意图（单位cm）

3.圆柱墩盖梁抱箍支撑系统验算

3.1I14分配梁受力验算

3.1.1荷载计算

1）Q1盖梁混凝土自重：Q1=20.8kN/m。

2）工字钢自重：有限元自动计算。

3）Q2模板自重：Q2=1.81kN/m。

4）Q3人员机具荷载：I14上的均布荷载为Q3=1.8kN/m。

3.1.2I14a分配梁受力验算

1）最大组合应力结果：

图2最大组合应力图（MPa）

2）计算结果：

最大组合应力为σmax=175.6MPa＜[σ]=190MPa，强度验算满足规范要求。

最大挠度为fmax=5.29mm＜[f]=5.5mm，刚度验算满足规范要求。

3.2I56a纵梁受力验算

3.2.1荷载计算

1）Q4盖梁自重：依据盖梁各断面面积计算I56a纵梁承受的自重荷载。

2）工字钢自重：有限元自动计算。

3）Q5模板自重：Q5=5.44kN/m。

4）Q6人员机具荷载：I56a上的均布荷载为Q6=5.4kN/m。

3.2.2I56a分配梁受力验算

1）最大组合应力结果：

图3最大组合应力图（MPa）

2）计算结果：

最大组合应力为σmax=170.5MPa＜[σ]=180MPa，强度验算满足规范要求。

最大挠度为fmax=14.785mm＜[f]=20.25mm，刚度验算满足规范要求。

3.3抱箍受力验算

3.3.1荷载计算

1）I56a传递给抱箍反力为：

抱箍单点受力为515.2kN，抱箍整体共两个受力点合力R总=1030.4kN。

3.3.2抱箍受力验算

1）两抱箍片连接力计算：

钢抱箍受力图示见图4：

图4抱箍受力图

图中：

q-抱箍接头位置处的分布力；

P1、P2-两抱箍片之间的连接力；

m-由于摩擦作用引起的正压力减小系数。

由图可知，由于正压力减小系数的影响，抱箍中间点的分布力为，假设正压力损失均匀分布，由此可计算α角位置处的分布力为：。

抱箍在承受外部荷载后，在正压力的作用下，所提供的最大静荷载力为：

式中：

r-表示墩柱半径；

ξ-抱箍与墩柱之间的接触系数，取值范围为0.45～0.65；

μ-抱箍与墩柱之间的摩擦系数。

抱箍所能提供的摩擦力必须大于或等于抱箍所承受的压力，为便于计算，取F=R总/2。

根据上式推算可得：

经受力图分析可知，连接力和摩擦力可进行如下分解：

Px=q·（1-2mα/π）r·Δα·cosα

Py=q·（1-2mα/π）r·Δα·sinα

Fx=q·（1-2mα/π）r·Δα·μ·sinα

Fy=q·（1-2mα/π）r·Δα·μ·cosα

由于同一抱箍片在y轴方向受力对称，Px及Fx分力相互抵消，并且近似认为P1及P2两值相同，因此P1等于正压力和摩擦力在抱箍1/4圆周内、在y轴方向分力之和，现对两力在[0，π/2]区间内积分有：

解得：

将q值代入上式可计算抱箍螺栓处施加的外力P1：

（1）

其中：

R总—抱箍荷载组合；

μ—砼和钢板的摩擦系数；

ξ—抱箍与墩柱之间的接触系数。

取μ=0.3，m=0.20，ξ=0.5，R总=1030.4kN。将以上各数值代入（1）式中，进而得到P1=680.1kN

2）螺栓轴向受拉与抗剪计算：

钢抱箍结构图见图5：

图5钢抱箍结构图

由上图可知抱箍的压力由12条M22的高强螺栓的承担。每条螺栓拉力为：

N1=P1/12=56.7kN＜[S]=190kN

单根高强螺栓预拉力N1=56.7kN，高强螺栓受拉强度验算满足规范要求。

单个螺栓所受的竖向总荷载为：T=515.2/12=42.9kN，单个螺栓所受剪力Q=T/2=21.5kN。

螺栓截面为圆形，故其截面所受的最大切应力为：

其中：

—M22螺栓的有效面积，取303mm2

螺栓的许用切应力：[τ]=

其中：

—材料的屈服极限，10.9级螺栓的屈服极限为940MPa

n—安全系数，静载时取2.5

则许用应切力：[τ]==376Mpa。

故=94.6MPa<[τ]=376MPa，高强螺栓抗剪强度满足规范要求。

3）抱箍体的应力计算：

P1=680.1kN，抱箍壁的纵向截面积：S1=0.0075m2

=P1/S1=90.7MPa＜[σ]=180MPa，强度满足规范要求。

4.结论

本文采用Midascivil有限元软件展开圆柱墩盖梁施工钢抱箍支撑体系的设计验算，基于抱箍与墩柱的接触系数折减的方式剖析了钢抱箍体系的受力特性，给出了钢抱箍支撑体系的设计验算要点，从整体计算结果可以看出：

1）I14a分配梁与I56a主纵梁结构的强度与刚度验算满足规范要求；

2）钢抱箍承载能力及高强螺栓抗剪验算等均满足规范要求；

3）抱箍与墩柱的接触系数尽量保证较大的安全系数。

参考文献：

[1]姚玲森.桥梁工程（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]李乔.混凝土结构设计原理[M].北京：中国铁道部出版社，2001.

[3]公路桥涵施工技术规范[S].JTG/TF50-2011.

[4]钢结构设计规范[S].GB50017-2017.

[5]公路钢结构桥梁设计规范[S].JTGD64-2015.