吴文凯
中铁二十四局集团浙江工程有限公司 浙江省 杭州市 310009
0引言
在高速公路普通盖梁施工中，一般采用的施工方法是钢抱箍+双拼I40工字钢纵梁的支撑体系，而在大跨度的预应力盖梁施工中，I40工字钢纵梁不能满足受力要求，则需在跨中及两端悬挑段处增设钢立柱支撑，这样就增加了施工的用工量、时间及施工成本，且在临河的墩柱旁施工，不宜进行大面积围堰填筑的情况下无法安装钢立柱支撑。为了加快预应力盖梁施工的进度、缩短工期，同时降低施工支撑体系的成本，经过方案优化与比选，放弃钢立柱而采用钢抱箍+三排单层贝雷梁的支架结构形式。
1工程概况
平凉至绵阳国家高速公路（G8513）武都至九寨沟建设项目第五合同段起始桩号为：K29+400—K34+300，路线全长4.9公里，其中四新白龙江特大桥全长1237m，大桥沿白龙江河畔穿行，其1-2#、25-40#墩下部结构为双柱式墩双幅整体式预应力盖梁，墩柱直径2m，柱中心间距14.4m，预应力盖梁长24.4m，顶宽2.2m，高2.3m，混凝土设计方量98.2m3。由于跨度大，且部分盖梁施工场地在河滩及河道内，地势起伏比较大，不利于钢管支架搭设，同时为加快预应力盖梁的施工进度，我标段采用钢抱箍+三排单层贝雷梁的支架结构方案进行施工。
2支架结构设计及工艺特点
2.1支架结构形式
该支架结构采用钢抱箍作为整个支架及施工过程中荷载的承力部件，预应力盖梁施工时在每个墩柱上设双抱箍，墩柱两侧抱箍牛腿上各设一组三排单层贝雷梁为纵梁（采用标准贝雷片，规格：3000mm×1500m），贝雷梁由3排*9片贝雷片组成，贝雷片之间采用销轴连接，在每个接头处使用支撑架（花窗）把三排贝雷架连接固定成整体；墩柱两侧贝雷梁采用3m长的[12型槽钢作为贝雷梁横向联接梁，贝雷梁顶部铺设I14型工字钢作分配横梁，纵、横梁之间采用U型螺栓连接，在分配横梁上安装底模板及操作平台。
图1 支架结构图
2.2支架结构特点
采用钢抱箍+三排单层贝雷梁的支架结构形式其特点及优势如下：
（1）三排单层贝雷梁为标准组合方式，组装方便，强度高、刚度大、变形小，一次性跨度大，周转使用时方便吊装，节省用工量。
（2）采用墩柱抱箍两点支撑，跨中不用设中间支撑，施工时受地形影响小，不需要进行地基处理，方便临河墩柱盖梁的施工，节约成本。
（3）支架结构受力形式简单，主要变形为贝雷梁跨中弹性变形，其扰度可以通过数值分析计算，便于确定梁体预拱度，有利于控制梁体线型。
3施工工艺
3.1抱箍设计
抱箍的工作原理是将盖梁施工的荷载通过砼与钢的摩擦力传递给墩柱，抱箍的结构形式采用两个半圆的钢板，通过连接板上的高强螺栓连接在一起；由于抱箍牛腿处需要放置三排单层贝雷梁,贝雷梁宽63cm,普通小抱箍的牛腿宽度不够，则需对抱箍进行加高、牛腿加宽设计；根据经验及计算，抱箍设计采用两块半圆形的钢板（板厚t=12mm）制成，高750mm，牛腿宽630mm，牛腿采用20mm厚钢板焊接，每个抱箍采用36个8.8级M22高强螺栓连接。
图2 抱箍设计图
3.2抱箍安装
根据施工支撑体系（其中支撑体系的总高度为：贝雷主梁高度、分配横梁高度、底模板高度这几项支撑体系的高度之和）的总高度算出抱箍顶面、底面的施工高度，并在墩柱上标示出抱箍的顶面、底面高程线。
在抱箍安装前，对抱箍进行除锈，除去抱箍内侧的铁锈，防止铁锈减弱抱箍与墩柱的摩擦系数，并避免在拆除抱箍后，铁锈影响墩柱的外观，增加不必要的除锈工作。抱箍与墩柱混凝土面之间加贴3mm的土工布，以加强摩阻力。
先进行下层抱箍按照，在地面上先把两半片抱箍进行初步连接，即用螺栓把抱箍的孔位逐一连接好以后带上螺帽，螺帽的拧紧程度只是把螺帽拧到能看到外帽沿与螺杆相平即可，然后用方木条卡入抱箍之间的缝隙临时楔紧；再进行抱箍吊装，从墩柱上方把抱箍套在墩柱外侧，并且用人工在墩顶进行辅助定位。
在进行抱箍紧固时，采用定矩扳手对每个高强螺栓都平行施加预拉力，即把每侧的螺栓都均匀拧到相同的扭矩，观察抱箍与墩柱的结合面，防止由于不均匀拧紧高强度螺栓引起墩柱受到偏压，造成施工隐患。同时施工过程中也注意抱箍的各个板面及焊缝的情况，观察有无变形、开裂或下沉等情况。
3.4贝雷梁及底模安装
贝雷梁由9片*3排贝雷片组成，每排长27m，贝雷片之间采用销连接；在每个接头处使用支撑架（花窗）把三排贝雷架固定牢靠，联接成整体；再使用吊机进行整体吊装放置在抱箍牛腿上。
墩柱两侧贝雷梁上下部采用3.5m长的[12型槽钢作为贝雷梁横向联接梁，贝雷梁顶部铺设4m长的I14型工字钢作横梁，纵、横梁以及纵梁与联接梁之间采用U型螺栓连接。
I14工字钢横梁，每根长4m，间距40cm布置，共设53根。然后在其上铺设底模及作业平台，在底模及作业平台上安装钢筋及侧模。底模两侧的作业平台宽为0.8m；作业平台脚手板应满铺、固定，周围用钢管脚手架搭设防护栏杆并悬挂密目安全网，防护栏杆应由上、下两道横杆及栏杆柱组成，上杆高度为1.0～1.2m，下杆高度为0.5～0.6m，栏杆柱与横梁焊接牢固可靠，平台下面设封闭式安全网。
4贝雷梁受力验算
4.1荷载取值
支撑体系受力情况如下:
（1）盖梁砼重量：
混凝土容重取26KN/m3；
等截面q等=26KN/m3×3.54m2 =92.04KN/m；
最小变截面q变=26KN/m3×2.0m2 =52KN/m；
（2）贝雷梁自重：
q2=0.9KN/m×3×2=5.4KN/m；
（3）模板、操作平台及防护架重量：
①定型钢模自重：盖梁采用定型钢模板，查《路桥施工计算手册》荷载按0.75KN/m2计算, 盖梁定型钢模板面积=165m2;
②操作平台及防护架自量：盖梁的两侧，在横梁I14工字钢上铺设操作平台及安装防护栏杆，查《路桥施工计算手册》荷载按0.5KN/m2计算，两侧操作平台面积为=59.2m2;
q3=（165×0.75+59.2*0.5）/24.4=6.28KN/m；
（4）施工人员、施工料具运输、堆放荷载，查《路桥施工计算手册》，均布荷载按1.0KN/m2;
q4=2.2×1=2.2KN/m；
（5）查《路桥施工计算手册》振捣砼产生的荷载为2KN/m2，砼浇筑产生的冲击荷载，在混凝土层厚大于1m时，不予计算;
q5=2.2×(2+0)=4.4KN/m；
荷载分项系数：静荷载为1.2，活荷载为1.4。
4.2贝雷梁受力计算
预应力盖梁中间段为等截面（3.54m2），贝雷梁受到的荷载按均布荷载考虑，两端悬挑段为变截面（最小截面2.0m2），贝雷梁受到的荷载按线性荷载考虑；
作用于盖梁等截面处单侧三排单层贝雷主梁上的均布荷载：
Q等 =[1.2×（q等+q2+q3）+1.4×（q2+q3）]/2
=[1.2×（92.04+5.4+6.28）+1.4×（2.2+4.4）]/2
=66.85KN/m
作用于盖梁悬挑段变截面最小截面（2.0m2）处的线性荷载：
Q变 =[1.2×（q变+q2+q3）+1.4×（q2+q3）]/2
=[1.2×（52+5.4+6.28）+1.4×（2.2+4.4）]/2
=42.83KN/m
由于墩柱顶范围内盖梁的重量由墩柱直接承受其荷载，贝雷主梁受力计算时，为方便计算，墩柱于盖梁相交弦内部分（宽143cm）的荷载不予计算，则三排单层贝雷主梁所受荷载简图如下：
图3 主梁受力简图
4.3贝雷梁荷载验算
查《装配式公路钢桥使用手册》，可得标准型三排单层贝雷梁容许弯矩[M]=2246.4KN·m；容许剪力[Q]=698.9KN；
利用清华大学研制的结构力学求解器（SM Solver）软件进行求解得剪力及弯矩如下图所示：
图4 主梁弯矩图（KN·m)
图5 主梁剪力图（KN）
由此可得贝雷梁所受：
最大弯矩在跨中处，其值为Mmax=1051.6KN·m<[M]=2246.4KN·m；满足要求；
最大剪力在墩柱抱箍牛腿处，其值为Qmax=240.55+433.86=674.41KN·m<[Q]=698.9KN；满足要求；
4.4贝雷梁扰度验算
只按跨中受均布荷载，不考虑两端悬挑段受力的最不利情况下计算贝雷主梁扰度，根据扰度计算公式
<[w]=144000/400=36mm；满足要求。
通过力学求解器（SM Solver）软件进行位移计算，按实际施工的受力情况对上述最不利情况进行进行复核，计算出跨中最大扰度wmax=19.22mm<24.2mm，符合要求。
图6 主梁扰度图（mm）
5抱箍体受力验算
5.1螺栓数目计算
由贝雷主梁剪力图可知，在抱箍牛腿处所承受的竖向压力N=674.41kN；则双抱箍中的单个抱箍体所受的竖向压力=674.41×2/2=674.41kN。
抱箍所受的竖向压力由M22的高强螺栓的抗剪力产生，查《路桥施工计算手册》第427页,M22螺栓的允许承载力：[NL]=Pμn/K
式中：P---高强螺栓的预拉力，取190kN;
μ---摩擦系数，取0.3；
n---传力接触面数目，取1；
K---安全系数，取1.7。
则：[NL]= 190×0.3×1/1.7=33.53 kN
螺栓数目m计算：
m=N/[NL]=674.41/33.53=20.11≈21个，单个抱箍设计安装的螺栓数量为36个>21个，满足要求。
5.2螺栓轴向受拉计算
墩柱砼与钢抱箍之间设一层土工布，按土工布与钢之间的摩擦系数取μ=0.35计算。
抱箍产生的压力：
Pb= N/μ=674.41/0.35=1926.9kN，由抱箍36个高强螺栓拉力承担。
即每个螺栓拉力为
N1=Pb/36=1926.9/36=53.53kN；
σ= N1（1-0.4m1/m）/A
式中：m1-所计算截面（最外列螺栓处）上高强螺栓数目，取：12个
m-所有高强螺栓数目，取：30个
A-高强螺栓截面积，A=3.8cm2
σ=N1（1-0.4m1/m）/A=53.53×(1-0.4×12/36)/3.8×10-4=122.07MPa＜[σ]=140MPa
故高强螺栓满足强度要求。
5.3抱箍体应力计算
5.3.1抱箍体拉应力
抱箍壁由螺栓拉力产生应力，拉力P1=18N1=963.54kN
抱箍壁采用面板δ12mm的钢板，抱箍高度为0.75m。
则抱箍壁的纵向截面积：S1=0.012×0.75=0.009m2
σ=P1/S1=963.54/0.009=107.06MPa＜?=215 Mpa，满足要求。
5.3.2抱箍体剪应力
τ=（1/2RA）/（2S1）
=（1/2×674.41）/（2×0.009）
=18.73 MPa<
=125 Mpa，满足要求。
5.3.3抱箍弯曲应力
根据第四强度理论
σW=（σ2+3τ2）1/2=（107.062+3×18.732）1/2
=176.56MPa<?=215 Mpa，满足要求。
其中：
—查《钢结构设计规范GB50017-2017》，Q235钢抗拉、压、弯强度设计值，为215 Mpa。
v—查《钢结构设计规范GB50017-2017》，Q235钢抗剪强度设计值，为125 Mpa。
6抱箍试验
实际施工前通过抱箍试验检测抱箍制作时焊缝质量，同时验证抱箍受力的有效及安全性。
试验时将双抱箍作为一组，在试验柱上下各装2组抱箍，在两组抱箍牛腿之间放置两个液压千斤顶，进行同步均匀加压，通过压力表确定施加压力的大小，当达到设计目标荷载时，稳压10分钟，观察抱箍是否变形且抱箍与试验柱之间是否发生相对滑动，如果抱箍未变形且相对滑动在5mm以内，则说明抱箍承载力能满足施工盖梁的要求，反之以上两种现象出现其中一种，则抱箍不能满足盖梁施工安全和质量要求。通过试验，抱箍设计符合施工受力要求。
7支架预压
在贝雷梁、分配横梁及底模安装完成后，进行第一次预应力盖梁施工前，对抱箍支撑体系进行预压，用吊车把施工时的1.2倍全荷载都用相同的替代物进行抱箍支撑体系的预压，预压合格后才能进行施工。
预压的目的主要是验证抱箍+三排单层贝雷梁支撑系统有足够的强度、刚度及稳定性；同时确定贝雷梁的扰度，为后续盖梁坡率设置提供依据。
8结束语
我标段已采用抱箍+三排单层贝雷梁的支架结构形式完成了临河段预应力盖梁的施工，此方法施工的安全性及有效性得到了有效验证，施工质量及施工效率得到了有效的提高；证明该工艺是一种可以加快高速公路大跨度预应力盖梁施工进度、缩短工期，同时降低施工成本，保证施工质量的有效方法。
参考文献：
[1]抱箍法施工墩柱盖梁施工工艺研究.石广金.价值工程.2015(4):136-138.
[2]路桥施工计算手册.北京.人民交通出版社，2005.
[3]装配式公路钢桥多用途使用手册.人民交通出版社，黄绍生、刘陌生，2002.