獨(dú)柱墩加固雙層鋼抱箍三角托架應(yīng)用及研究

孟航

（廣州公路工程集團(tuán)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(jīng)常涉及對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固施工。橋梁下部結(jié)構(gòu)通常多為樁柱式結(jié)構(gòu)或者獨(dú)柱墩式結(jié)構(gòu)，對(duì)其加固施工所需建立的承力平臺(tái)通常選擇搭設(shè)滿堂支架和鋼管立柱架等構(gòu)建形式。這種施工方案的實(shí)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(dāng)施工位置在軟基或水中時(shí)便不能采用此種方案。因此，針對(duì)軟基或水中施工環(huán)境，大多采用抱箍法進(jìn)行橋梁下部結(jié)構(gòu)加固施工，而針對(duì)獨(dú)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(gòu)建承力平臺(tái)就成為一種更加實(shí)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(hào)獨(dú)柱墩，位于一條寬10m 的河床內(nèi)。該墩柱直徑1.5m，高度10.6m。獨(dú)柱墩加固設(shè)計(jì)方案為在原墩柱頂新增設(shè)混凝土蓋梁、橫梁和支座系統(tǒng)，通過拉大支座間距的方式，達(dá)到提高單墩抗傾覆穩(wěn)定性的目的。其混凝土蓋梁高度為2m，寬度為2m，長(zhǎng)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(gòu)建承力平臺(tái)，經(jīng)過分析比較，決定利用三角形的穩(wěn)定性，采用雙層鋼抱箍三角托架的方法搭建承力平臺(tái)進(jìn)行蓋梁施工。

圖1 抱箍托架正立面圖

2 抱箍托架設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 雙抱箍三角托架結(jié)構(gòu)原理及構(gòu)造

2.1.1 結(jié)構(gòu)原理

雙抱箍三角托架結(jié)構(gòu)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?jī)蓚?cè)牛腿及斜撐端部設(shè)置兩片型鋼橫梁，橫梁由托架架設(shè)在墩柱前后兩側(cè)，由此上下兩層鋼抱箍、斜撐桿、型鋼橫梁即可組成一個(gè)三角鋼托架，再通過托架主橫梁、分配梁組成承力平臺(tái)使用[1]。

2.1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

構(gòu)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(jié)構(gòu)詳見圖1所示。

2.2 主要構(gòu)造桿件計(jì)算

2.2.1 托架設(shè)計(jì)及驗(yàn)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(jié)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(jī)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(jì)算同上。

（2）分配梁抗彎與撓度驗(yàn)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(gè)斜桿底部通過焊接方式連接，并同時(shí)與底層抱箍進(jìn)行銷接。該受力體系為超靜定結(jié)構(gòu)，兩側(cè)的型鋼托架共同承受荷載，各承擔(dān)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(yīng)力和切應(yīng)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(gè)[10 槽鋼，槽面對(duì)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(yàn)算抗壓強(qiáng)度。最不利狀態(tài)是上層抱箍與工字鋼橫梁沒有緊密接觸，所以在驗(yàn)算斜桿時(shí)，不考慮上層抱箍對(duì)橫梁的支撐，假設(shè)所有荷載加在斜桿上，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算》規(guī)定，斜桿截面屬于壓桿b 類截面，驗(yàn)算其受壓穩(wěn)定性[4]：

(滿足要求)。

2.2.2 抱箍設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

（1）抱箍承重原理

抱箍采用12mm 厚鋼板制作，高50cm，每個(gè)抱箍由兩個(gè)半圓形的鋼板組成，兩個(gè)半圓鋼箍在柱上安裝后，在拼接部采用M24 高強(qiáng)螺栓按預(yù)設(shè)扭力擰緊。抱箍鋼構(gòu)件采用Q235 鋼制作，螺栓采用5.8 級(jí)高強(qiáng)螺栓。在蓋梁施工時(shí)，利用上下兩層抱箍與墩柱所產(chǎn)生的摩擦力來承擔(dān)施工荷載[5]。

（2）抱箍驗(yàn)算

抱箍與墩柱間的最大靜摩擦力為：

式（1）中：F靜——結(jié)合面的最大靜摩擦力；

FN——抱箍與墩柱間的正壓力；

u——結(jié)合面的靜摩擦系數(shù)。

根據(jù)查表格顯示，M24 高強(qiáng)螺栓的設(shè)計(jì)預(yù)拉力[F]＝225kN，取實(shí)際施工預(yù)拉力F=200kN。抱箍單個(gè)拼接面螺栓數(shù)量為10 個(gè)，兩側(cè)拼接即螺栓總數(shù)為20 個(gè)，則每個(gè)抱箍螺栓對(duì)墩柱的總正壓力FN=20 × 200=4000kN，鋼材與混凝土間的摩擦系數(shù)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(shè)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(diǎn)

3.2.1 抱箍安裝

安裝抱箍前，提前在墩柱上放樣，并對(duì)結(jié)合面進(jìn)行打磨處理，然后用吊車吊裝抱箍，利用高空作業(yè)車，結(jié)合人工安裝到位。在抱箍和立柱連接面處平整敷設(shè)5mm 橡膠墊，防止由于橡膠墊產(chǎn)生剪切變形造成抱箍下滑。在抱箍連接處高強(qiáng)螺栓連接擰緊，采用扭力扳手測(cè)力，保證螺栓力矩到達(dá)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(tái)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(jié)構(gòu)類似水平剪刀撐，加強(qiáng)整體穩(wěn)定性。在平臺(tái)四周設(shè)置欄桿，并在工人的行走通道位置鋪上了地板，將整體系統(tǒng)拼裝完畢。

3.2.3 托架拆除

混凝土澆筑完成后，養(yǎng)生待其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將其托架進(jìn)行拆除。拆除工作將按照由上而下的順序分單元進(jìn)行。拆除順序?yàn)椋菏┕て脚_(tái)逐件拆除—斜撐拆除—上抱箍拆除—下抱箍拆除。

4 結(jié)語(yǔ)

雙層抱箍三角托架蓋梁施工法在南沙港快速獨(dú)柱墩加固施工中得到很好的應(yīng)用，實(shí)施效果證明此法切實(shí)可行、簡(jiǎn)單高效，并在經(jīng)濟(jì)效益和安全效益上尤為突出。它為一種在場(chǎng)地受限、地基承載力較差、水上墩柱施工、高空作業(yè)的場(chǎng)景提供了解決方案。采用此施工方法，一方面能節(jié)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(yōu)點(diǎn)。

須注意的是，在正式施工進(jìn)行前須在陸地上進(jìn)行試拼裝，并在安裝之后進(jìn)行靜載預(yù)壓試驗(yàn)，以消除支撐體系的非彈性變形。試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)觀測(cè)各部位的數(shù)據(jù)變化，以及節(jié)點(diǎn)焊縫或者栓節(jié)點(diǎn)的變形情況，以便能實(shí)時(shí)掌握該體系的穩(wěn)定性，為后續(xù)施工提供參考數(shù)據(jù)以方便做出相應(yīng)的調(diào)整。