跨公路桥梁高墩柱盖梁抱箍法设计与应用

王成津 （中铁十四局集团第四工程有限公司，山东 济南 250002）

1 工程概况

济南绕城高速公路1 标段项目为新建双向六车道高速公路，标段起止里程为K0+000～K13+055，主线全长13.042km，项目全线位于济南市历城区境内，沿线经过3个街道。温梁路高架桥10#墩跨Y78乡道（已升级为县道），其中10#墩左右幅盖梁为预应力钢筋混凝土盖梁，跨Y78乡道施工。10#墩盖梁尺寸20.5m×2.6m×2.0m，体积117.4m3，底部设置4 根直径1.8m 桩基，桩基上接承台[1]，承台上布设2 根2.2m 圆形墩柱，底端距离Y78 乡道路面26m，与乡道夹角为70°，详细如图1、图2所示。

图1 温梁路高架桥10#墩盖梁立面图

图2 温梁路高架桥跨Y78乡道图示

2 设计说明

10#墩盖梁跨度大、体积大、重量重、高度高，施工存在高风险，如何保证安全施工是困扰项目施工的难题[2]。

2.1 现场材料基本参数

钢管柱[3]直径为52.9cm/100cm，壁厚0.8cm/1cm，钢材型号为Q235。贝雷片尺寸长300cm，宽18cm，高1.5cm。模板底模计划采用木模，工字钢45a（单根长度12m），12.6工字钢单根长4.5m。

2.2 抱箍结构设计

根据现场基本情况及材料情况，经过多方面论证，采用抱箍与贝雷架组的结构设计[4]，如图3所示。

图3 温梁路高架桥10#墩盖梁抱箍设计

2.2.1 盖梁模板底模支撑设计

在盖梁底模采用木质竹胶板，侧模采用钢模板[5]，竹胶板下采用间距25cm I12.6 工字钢作为纵向分配梁，长度按照4m 考虑，I12.6 工字钢下设置横向贝雷架，贝雷架设置3道。

2.2.2 盖梁模板底模支撑设计

在纵向工字钢底部采用双侧贝雷片连接形成横梁[6]，长度为21m，在墩柱两边设置3 道贝雷梁，内侧间距2.2m。贝雷梁之间采用U 形卡扣连接，两侧贝雷梁通过精轧螺纹钢互连。贝雷架底靠近墩柱处设置抱箍，中间钢管柱支撑，钢管柱顶设置砂箱。

2.2.3 抱箍设计

每个抱箍通过2 块半圆弧钢制面板（板厚t=12mm）制成，螺栓孔使用M24的高强螺栓连接，抱箍高度0.5m，每侧设置20 个螺栓孔。为避免墩柱成品受到破坏，在墩柱与抱箍之间布设橡胶垫或者土工布，贝雷架与抱箍之间采用固定钢构件连接[7]。

2.2.4 钢管柱设计

采用两排直径100cm 的钢管柱，设置在Y78 乡道两侧，距离墩身中心间距4.25m，两根钢管柱之前采用槽钢或I12.6 工字钢连接，钢管柱顶用钢板焊接，钢板上采用53cm 的砂箱，便于拆卸与调整标高。钢管柱底设置1.5m×1.5m×0.8m 独立基础，并通过法兰盘与基础相连。

2.2.5 操作平台设计

栏杆采用直径4.8cm 的钢管搭设，在横梁上每隔2m 设1处高度为1.2m 钢管，竖向间隔0.5m 设一道钢管横杆，钢管之间采用焊接相连，焊缝饱满，满足要求。

操作平台设在纵向工字钢伸出底模上[8]，在纵向工字钢上铺设厚度为1.5cm的优质竹胶板，木板与纵向工字钢之间绑扎牢固。

3 盖板抱箍法设计验算

3.1 设计验算说明

抱箍实施前，先进行预压，满足要求。

荷载组合：刚度组合为模板荷载+支架自重荷载+混凝土荷载；强度组合为1.2 倍模板荷载+1.2 倍支架荷载+1.2倍混凝土荷载+1.4倍施工荷载。

3.2 木板验算

根据《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB 50068-2018）查得，竹胶板参数取值如下。[σ]＝12(MPa)，[τ]＝1.3(MPa)，E＝5×103(MPa)。

木胶合模板计算厚度15mm，采用1m 竹胶板的计算结果[9]如下。惯性矩I=28.125(cm4)，抗弯模量 Wx=37.5(cm3)，中间部分竹胶板按照底部纵梁20.5m×2.6m 跨度的面进行计算，计算荷载如表1所示。

表1 计算荷载

表2 钢管柱参数表

通过底板木胶合模板平均面荷载转化为横向的线荷载为（1.2G1+1.2G2+1.4G3）/20.5/2.6＝71.9(kN/m2)。

底模下工字钢间距为0.25m，纵向线荷载q=0.25×71.9=18(kN/m)。

①强度验算

通过最新规范路桥施工计算手册可知，最大弯矩为M1max=1/10ql2=0.018（kN·m）；弯曲应力为σ1max=M1max/W=0.48(MPa)；剪切应力为Qmax=0.6×15.5×l=1.08（kN）；τmax=QmaxS/（Ib）=（Qmax×bh2/8）/（bh3/12×b）=1.5Qmax/（bh）=0.16（MPa）＜[τ]＝1.3（MPa）。故底模竹胶合板强度满足要求。

②刚度验算

荷载组合采用①+②。

转化为横向的线荷载，按照底板木胶合模板平均承载q＝15.39(kN/m)，通过路桥施工手册可知f1max=0.677×ql4/(100EI)=0.0074(mm)＜L/250=0.4(mm)，故底模板竹胶板刚度满足要求。

3.3 横梁计算

采用间距25cm I12.6 工字钢作横梁，横梁长4m。共设横梁83根，总重G4为47.2kN。

①荷载计算

横梁上的总荷载G=1.2G1+1.2G2+1.4G3+1.2G4=3889.3(kN)，q1=3839.3/20.5=189.7（kN/m）。

横梁采用25cm 间距的工字钢，则作用在单根横梁上的荷载G’=189.7×0.25=47.4(kN)，作用在横梁上的均布荷载q2=47.4/2.6=18.2(kN/m)。

②横梁抗弯与挠度验算

横梁的弹性模量E=2.1×105(MPa)，惯性矩I=488(cm4)，抗弯模量Wx=77.4(cm3)，为了简化计算，忽略两端悬挑部分的影响。最大弯矩为M2max=1/8q2l2=9.5(kN·m)，σ2=M2max/Wx=142(MPa) ＜[σw]=215(MPa)，满足要求。

最大挠度为f2max=5qH4/384EI=0.0053m＜[f]=2.2/400=0.0055m，故横梁抗弯、刚度均满足要求。

3.4 贝雷架计算

贝雷架验算时单侧三排贝雷片为一个整体。

①荷载计算

贝雷梁自重为G5=3×7×2×0.3×10=126(kN)。

纵梁上的总荷载为G6=G+1.2G5=3904.4(kN)。

横梁所承受的荷载按照均布荷载考虑[10]，三排贝雷片所承受的均布荷载q3=G6/2L=3904.4/（2×21）=93(kN/m)，单排贝雷片为31(kN/m)。

②结构力学计算

最大应力为150(MPa)＜215(MPa)。

最大剪力为129.6(kN)＜245(KN)。

最大挠度为4.3(mm)＜900/40=22.5(mm)。

因此贝雷架抗弯、抗剪与刚度均满足要求。

3.5 抱箍计算

①荷载计算

通过建模计算，单排抱箍处支反力为85.2kN、钢管柱处为240.3kN，盖梁两个抱箍体承受上端荷载，支反力Rc=3×85.2=255.6(kN)，每个抱箍承受的竖向荷载N=2Rc=511.2(kN)。

②抱箍受力计算

抱箍需承担的竖向力为N=511.2(kN)，由《路桥施工计算手册》M24螺栓的允许承载力：

[NL]=Pμn/K。

式中，P-高强螺栓预荷载拉向力；取225kN；μ-抱箍的摩擦系数；0.3，n-接触面数量，取值1；K 取值1.7。则[NL]=39.7(kN)。

螺栓数目m=N/[NL]=511.2/39.7≈12.8个，实际现场螺栓数量m=20个。

则每个高强螺栓的抗剪力P′=N/20=511.2/20=25.56＜39.7(kN)。

故高强螺栓满足受力要求。

③螺栓轴向拉力验算

混凝土与钢之间铺设一层橡胶，橡胶与钢之间的摩擦系数μ 取0.3 计算。抱箍产生的压力Pb=N/μ=1704(kN)，由高强螺栓承担。则N1=Pb=1704(kN)。

抱箍的压力由20 个M24的高强螺栓拉力产生。即每个螺栓拉力N2=Pb/20=85.2＜225kN，每条螺栓应力：

σ=N2（1-0.4nl/n）/A。

式中，N2-轴心力；nl-构件与连接板一端高强螺栓的连接数目；n-所有螺栓数目，均取20 个；A-螺栓的面积，A=4.52(cm2)。

σ＜[σ]=140MPa，故螺栓轴向拉力满足设计要求。

④螺栓的力矩计算

由螺帽压力产生的反力矩M1=u1N2×L1，u1=0.15，L1=0.015m。

力臂M1=0.15×85.2×0.015=0.192(kN·m)。

M2为螺栓爬升角产生的反力矩，升角为角度为10°。M2=μ1×N2cos10°×L2+N2sin10°×L2(L2为0.011m)=0.3(kN·m)，M=M1+M2=0.192+0.3=0.492(kN·m)，M≥0.492(kN·m)，满足设计要求。

⑤抱箍应力验算

a.抱箍壁受拉产生拉应力

拉力P1=10N2=852(kN)。

抱箍钢板使用面板厚度为12mm，抱箍高度为0.5m。

S1=0.012×0.5=0.006(m2)。

σ=P1/S1=142(MPa)＜[σ]

=158MPa。

满足强度要求。

b.抱箍体剪应力

τ=(1/2N)/(2S1)=21.3(MPa)＜[τ]=85(MPa)。

σw= (σ2+3τ2)1/2，σw=143＜[σ]=158(MPa)。

满足强度要求。

3.6 钢管柱计算

钢管柱高度平均取24m，通过砂箱与贝雷架连接[11]。

通过建模计算[12]，钢管柱顶端支反力为240.2×3=720.6(kN)。

通过表3 钢管柱稳定性验算可知，在墩身施工前，在与钢管柱12m 处相对应的墩身位置埋设钢板，通过工字钢与钢管柱连接，确保钢管柱稳定性满足设计要求，提高了钢管柱安全系数。

表3 钢管柱稳定性验算

4 结语

该处盖梁施工采用抱箍与贝雷架钢管支架组合形式，施工时支架要求注意各个节点连接，同时跨路要注意支架的搭设与拆除工艺，支架搭设完成后进行预压，预压合格后进行下道工序，支架设计与应用有效解决了高桥墩大跨度盖梁施工困难，确保了安全与质量。