抱箍在桥梁施工中的应用
摘 要 简述抱箍在桥梁盖梁施工中的应用方法及原理，概括抱箍在应用时要进行的力学计算，为今后类似施工提供计算参考依据。
关键词 抱箍 盖梁 摩擦力 应用计算
抱箍施工原理是通过在墩柱适当部位安装抱箍并通过螺栓使之与墩柱夹紧，利用抱箍与墩柱之间的竖向摩擦力，支撑抱箍上的盖梁及临时施工设施。
抱箍施工关键是保证抱箍与墩柱之间有足够的摩擦力，使抱箍在荷载作用下安全传递荷载，不至沿墩柱向下滑动。
抱箍的结构形式主要涉及箍身结构形式和连接板上螺栓排列方式。
为保证抱箍工作时能够提供足够摩擦力，抱箍与墩身必须紧密相贴。墩柱在施工时很难保证是正圆，且不同高度墩身不圆度也是不同的，因此为了适应不同截面墩身，抱箍箍身一方面采用不设环间加劲的柔性箍身，另一方面，可在箍身内侧贴一柔性橡胶垫，这样箍身是柔性的，在外部螺栓作用下可与墩柱墩身紧密相贴。
箍身与墩身之间静摩擦力为正压力在墩身方向投影与摩擦力系数的乘积，因此只有在正压力方向与墩身方向垂直时才能达到最大静摩擦力。因此螺栓排列方向应保证水平。为了保证抱箍与墩身之间能有足够的摩擦力，需提供足够的正压力，即保证一定的螺栓数量。如果单从连接板与箍身受力考虑，连接板上螺栓最好竖向排成一排，但这必然造成抱箍自身高度增大，减小抱箍能应用的高度范围，且增大抱箍自重，减小能承受的极限荷载。因此，一般采用足够厚度的连接板并设置必要的加劲板，将连接板上的螺栓在竖向布置成2~3排。这也保证了技术上的可行性。
抱箍在受力时一般不考虑变形，只进行应力计算，确定需要的螺栓个数或者能承受的最大荷载。
抱箍与墩柱间最大静摩擦力等于正压力与摩擦系数乘积，即F=f×N。
式中 F——抱箍与墩柱间最大静摩擦力；
f——抱箍与墩柱间静摩擦系数；
N——抱箍与墩柱间正压力。
而正压力N是由螺栓的预紧力产生的，根据“抱箍”的结构形式，假定每排螺栓个数为n，连接板上螺栓分布两排，则螺栓总数为4n，若每个螺栓预紧力为F1，则“抱箍”与墩柱间的总正压力N=4×n×F1。
对于抱箍这样的结构，为减少螺栓个数，可采用材质为45号钢，直径30mm的大直径螺栓或M27高强度螺栓。每个螺栓的允许拉力[F]=As×[G]，
式中：As——螺栓的横截面积，As=πd2/4
[G]——钢板允许应力，对于45号钢，[G]=2000Kg/cm2=2.0t/cm2
于是，[F]=πd2/4×[G]= 3.14×32/4×2.0=14.13t。
取F1=14t。
钢材与混凝土间的摩擦系数约为0.3～0.4，取f=0.3
于是抱箍与墩柱间的最大静摩擦力为(2个墩柱，2个抱箍，8个螺栓)：
F=f×N=f×8×n×F1=0.3×8×n×14=33.6n
若临时设施及盖梁重量为G,则每个抱箍承受的荷载为Q=G/2。
取安全系数为λ=2 则有Q=F/λ
即G/2=33.6n/2，n=0.03G。故可取n=ROUND(0.03G+1,0)，ROUND()函数是取整函数。
抱箍在施工时主要承受上部盖梁钢筋、混凝土、模板重量及木方和工字钢重量。由于木方的力学传递性能较好，可将上部荷载看做均布荷载分布在工字钢上作用于抱箍。作用方式如下图：
施工荷载主要包括盖梁混凝土和钢筋笼自重，钢模自重，工字钢自重，施工活载。
假定一个盖梁混凝土方量为C40混凝土30m3，混凝土平均密度为2.5t/m3,则混凝土自重为2.5×30=75t。盖梁钢模密度为0.1t/m2，总的面积为30m2，则模板自重为3t。钢筋笼总重为3t。工字钢自重为3t。施工活载包括施工操作工人，混凝土动载，振捣时产生的动载，总荷载为1t。则总的施工荷载为Q=75+3+3+3+1=85t。考虑施工安全系数，采用1.2，则施工总荷载为Q’=1.2×85=102t。单个加劲板受力为Q’/4=25.5t。
同时应考虑工字钢型号尺寸选择。假定两墩柱中心线距离为8m，工字钢两侧各悬臂伸出距离为1m，则受力总长度为10m，均布荷载为q=102×1000×10/10=102KN/m。在如图所示施工情况下，工字钢所产生最大弯矩Mmax=(ql2/8)×(1-4a2/l2)=765KN·m。若采用四根工字钢，工字钢抗弯强度为M，则应保证Mmax＜4M。且应保证所选工字钢承重极限大于施工总荷载。
箍身对墩柱的压应力可由下式计算求得：
其中：
——摩阻系数，取0.35
B——箍身宽度，B=300mm
D——立柱直径，D=1200mm
K——荷载安全系数，取1.2
G——作用在单个抱箍上的荷载，G=510KN
则σ1=KG/μBπD=1.2×510×1000/（0.35×300×3.14×1200）=1.55MPa＜[σ]=22.4MPa，满足要求。
其中[σ]为混凝土墩柱抗压强度容许值，其值不大于0.8Rab,墩柱混凝土抗压强度容许值为40Mpa，轴心抗压强度Rab=0.7×40=28Mpa，0.8Rab=0.8×28=22.4Mpa。
箍身内应力σ2的合成图如下：
其中：δ——钢板厚度，取10mm。
求得σ2=(1.55×1200/2)/10=93MPa＜f=215MPa，满足要求。
f——查《钢结构设计规范GB500172003》，Q235钢抗压、弯、拉强度设计值为215MPa。
加劲板腹板采用8根10.9级M24高强螺栓，螺栓直径为24mm。钢带所受拉力：F=σ2δB=93×10×300×=279kN，则单个螺栓所受拉力为：N=F/8=279/8=34.875kN<Nt =180kN，满足要求。
其中：
Nt—10.9级M24高强螺栓设计拉力。查《钢结构设计规范GB500172003》10.9级M24螺栓预拉力P=225kN，Nt =0.8P=180kN
已计算得作用在单个加劲板上的竖向荷载为G=25.5吨，螺栓连接方式为双剪结合。
单个螺栓所受的竖向总荷载为：T=255/8=31.875kN，单个螺栓所受剪力Q=T/2=15.9375kN。
螺栓截面为圆形，故其截面所受的最大切应力为：
τmax=4Q/3Ae
其中：
Ae—M24螺栓的有效面积，为353
则τmax=4Q/3Ae=（4×15.9375×1000）/(3×353)=60.2Mpa。
螺栓的许用切应力：[τ]=σs/n
其中：
σs—材料的屈服极限，10.9级螺栓的屈服极限为940Mpa（摘自GB 3098.1--82）
n—安全系数，静载时取2.5。
则许用应切力：[τ]=σs/n =940/2.5=376Mpa。
故τmax<[τ]，满足条件。
紧固螺栓时要按照钢板容许应力控制紧固力。
考虑2倍的安全系数，紧固力取279×2=558kN，
每个螺栓紧固力为：558/8=69.75kN。
查《公路桥涵施工技术规范041-2000》 P236公式：TC=KPCD
其中：
TC—终拧扭矩（N·M）
K—高强度螺栓连接扭矩系数平均值，范围为0.11～0.15之间，取0.15。
PC—高强度螺栓施工预拉力（kN）
D—高强度螺栓公称直径（mm）
单个螺栓终拧扭矩TC=KPCD=0.15×69.75×24=251.1N·m,扳手手柄加长到80cm，只需紧固313.875N的力即可满足要求，紧固螺栓时可脚踩加长手柄，踩不动即能满足要求。
M24高强螺栓紧固力为N =69.75kN，单个牛腿由8个螺栓连接，则抱箍钢带所受的最大拉力：F=8N=558kN，钢带横截面承受的最大正应力：
σmax=F/(B×δ)= 558/(300×10)×1000=186Mpa。
其中：
B—钢带高度
δ—钢带厚度
则钢板所受墩柱的最大压应力为：
σ0=（σmax×δ）/（D/2）=(186×10)/(1200/2)=3.1Mpa
其中：
D—墩柱直径(mm)
抱箍与墩柱间的最大压力为：
Nmax=σ0πDB=3.1×3.14×1200×300/1000=3504.24kN
取摩阻系数μ=0.35，则抱箍与墩柱之间的最大静摩擦力：
Tmax=μNmax=0.35×3504.24=1226.484kN
已计算得单个抱箍所受的竖向荷载为G=510kN<Tmax，满足条件，抱箍不会产生滑移。
综合上述计算，该抱箍可用于假定盖梁施工。
其施工工艺流程是：设计抱箍形式（计算箍板宽度、紧固螺栓规格、数量等）→按设计型式制作抱箍→安装抱箍→采用千斤顶进行抱箍承载力试验→安装、托梁、铺设定型钢底模→复核底模→测定轴线→绑扎盖梁钢筋→支立侧模板→浇筑盖梁混凝土、养护至拆模强度→拆除抱箍及托梁。
抱箍内径宜比墩柱直径大1~2cm。抱箍与混凝土接触面要平整，所有的焊接部位必须焊接密实，焊缝必须饱满。抱箍加劲板上螺栓孔的大小由选择的螺栓直径大小决定。
抱箍试拼可在墩柱底进行，每半钢箍连接处，上、下各焊一块水平钢板，做为承重牛腿。钢抱箍内侧与墩柱接触处用橡胶皮等柔性环包，以增大墩身与抱箍间的摩擦力，并避免钢抱箍与墩柱间的钢性接触，损伤混凝土表面。抱箍拼装好后，连接处的螺栓必须分三次进行拧紧。第一次在抱箍拼装好后进行，第二次在抱箍拼装好后第三天进行，第三次是在给抱箍加压后进行，压力的大小必须与抱箍理论承受的荷载相一致。抱箍螺栓使用前必须检查其是否有缺陷。只要发现有缺陷坚决不能使用。抱箍加压后通过在抱箍下方作标志，检查抱箍是否有下沉现象，并做好记录。
采用人工将要施工的盖梁下方地基大致整平，保证辅助支架立柱位置标高一致。在平整好的地基上人工搭设钢管辅助支架，辅助支架的作用是给抱箍安装提供一个临时支撑，方便安装，在盖梁施工时不受力。辅助支架的标高控制在抱箍的下缘。
抱箍拼装合格并且墩身混凝土（墩身顶混凝土标高必须比设计标高大1cm）强度达到要求后，即可吊装抱箍。抱箍两部分宜同时吊装，操作人员用电动扭矩扳手将螺栓逐个拧紧。注意两个法兰要对称进行。
抱箍安装好后应在桥墩上抱箍下方作好标记，以便观测抱箍是否下沉，然后将工字钢装置在抱箍牛腿上，为防止两个工字钢侧向倾覆，两根工字钢间可选用对拉螺栓穿过工字钢腹板连接，内侧用钢管支撑，对拉螺栓穿过钢管。最后在工字钢上直接安放盖梁底模。
盖梁底模安放好后，再一次拧紧抱箍连接螺栓，检查抱箍是否下沉。若发现抱箍并未下沉，就可以吊装钢筋骨架及侧模，再检查抱箍是否下沉，确认抱箍没有移动，就可以灌筑砼。盖梁在灌筑混凝土过程中必须安排一人观测抱箍是否下沉。
拆放抱箍时将抱箍用吊车挂住（也可以吊葫芦悬吊），然后拆抱箍连接螺栓，下放抱箍。
1. 抱箍制作时必须采用合格钢板制作，防止抱箍在荷载作用下发生脆性变形或损坏。
2. 螺栓使用个数应比计算所得个数多，并在加劲板两侧对称布置，螺栓必须采用合格的高强度螺栓，并保证螺栓在每次加固拧紧时达到设计扭矩。
3. 每次使用抱箍前必须对抱箍和螺栓进行检查，对裂纹进行焊补加强，螺栓损坏应及时更换。
抱箍法盖梁施工优点：克服了预埋型钢牛腿或后穿牛腿法对墩柱质量的影响；避免了采用满堂支架对地基承载力要求高的缺点；施工方法简单，施工效率高。在桥梁施工时应用抱箍可大大减少投入，提高施工效率。
参考文献 [1] 蒋周萍，叶维泽《桥梁盖梁抱箍法施工及计算》，民营科技出版社，2010.
参考文献 [2] 朱清华《盖梁抱箍设计计算方法》，西部探矿工程出版社，2007.
参考文献 [3] 杨自刚《盖梁抱箍法施工技术总结》，西部探矿工程出版社，2009.
参考文献 [4] 樊启兵《桥梁盖梁抱箍法施工技术研究》，现代商贸工业出版社，2009.
参考文献 [5] 钟书兴《悬臂抱箍法在某大桥独柱盖梁施工中的应用》，中国高新技术企业出版社，2009.
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