◎ 楊文凱 王柱 湖南省航務工程有限公司

鋼抱箍在高樁碼頭現(xiàn)澆橫梁、承臺或者橋墩系梁、蓋梁施工中常用來做為承重牛腿將上部臨時支架、模板、新澆鋼筋混凝土自重等荷載通過抱箍與樁、柱之間的摩擦力傳遞至樁、柱上。其特別適用于水上、高空等不便搭設滿堂支架，以及要求不能對樁、柱進行預留孔洞穿鋼棒或者焊接牛腿，損傷樁、柱或者影響外觀質量時的施工場景。

1.螺栓數(shù)量計算

經過計算驗證，根據《路橋施工計算手冊》第12章2.3節(jié)“高強螺栓連接計算”計算出的螺栓數(shù)量能夠滿足工程需要，即單個高強螺栓在緊固到其設計預拉力值時能產生的容許承載力（鋼抱箍與樁、柱之間的摩擦力）為：

式中，P為高強螺栓預拉力；μ為摩擦系數(shù)；n為傳力摩擦面數(shù)；K為安全系數(shù)。假設傳至每個抱箍上的豎向壓力為N為100t；螺栓采用M24高強螺栓，預拉力為225kN；摩擦系數(shù)取0.3；傳力摩擦面數(shù)為1。則需要的螺栓數(shù)量為：

取偶數(shù)值，取26個。即單個抱箍兩側共需布置26個螺栓。

2.抱箍局部受力模型

以長江某高樁墩式碼頭承臺施工時采用抱箍承受上部臨時結構及新澆鋼筋混凝土自重為模型，抱箍局部受力計算采用Ansys有限元軟件進行，柱身及與柱身接觸的抱箍弧形部分采用solid185單元，接觸面通過targe170 和conta174單元模擬面面接觸，抱箍牛腿部分采用shell63單元模擬。為減少網格數(shù)量，提高計算效率，柱體只建出2 m 高度，并且結構為雙向對稱結構，只需采用四分之一模型，并在對稱面施加對稱約束進行模擬分析。初始假設抱箍高度為75cm，鋼板厚度均為12mm；柱身直徑為2m，混凝土強度為C40。計算過程中考慮結構及材料的非線性。

將柱與地面進行固結，對稱面施加對稱約束，抱箍牛腿板單元和與柱身接觸的抱箍實體單元之間采用節(jié)點間建立約束方程的方式實現(xiàn)剛接。計算過程中考慮作用到牛腿上的上部壓力（假設為100t）、螺栓預拉力（26個M24螺栓）及自重作用，結果提取按基本組合提取，即壓力按1.4組合系數(shù)，恒載按1.2組合系數(shù)考慮。

3.計算結果

3.1 實例計算

采用上述假設的參數(shù)進行計算分析，整理計算結果如圖1。

圖1 整體組合位移計算結果（mm）

圖1位移變形圖為放大500倍視圖，可以明顯看出由于牛腿受壓，抱箍上部遠離柱體，下部壓向柱體，計算結果與實際受力狀態(tài)吻合。

（1）柱身混凝土計算結果。從計算結果看出，柱體混凝土最大壓應力達到了-26.23Mpa，已經接近C40混凝土抗壓強度極限值。壓應力較大的部位僅在抱箍受力牛腿底部柱身表面位置，且區(qū)域很小，壓應力往墩身其他部位擴散迅速。在距離孔口僅5cm左右，壓應力迅速減小了約10Mpa，10 cm減小了約20Mpa。事實上這還與模型網格劃分尺寸有關，如果網格劃分夠細，應力減小速度會更快，但會降低計算效率。實際施工過程中，為了對樁、柱混凝土或涂層面進行保護，常在樁、柱與抱箍之間設置一層5mm左右的橡膠墊，但有研究表明這樣做會降低抱箍的承載力。

從計算結果可以看出，抱箍拉應力極值為125.70Mpa，壓應力極值為-155.11Mpa，均小于規(guī)范允許值。但是其等效應力（第四強度理論）為201.97Mpa，已經很接近限值，較大應力值主要位于勁板及螺栓錨固板位置。為安全起見，在后面的計算中按等效應力極值考慮1.2倍的安全系數(shù)（Q235 鋼，限值約180Mpa）為標準進行抱箍尺寸選擇。

3.2 規(guī)律分析總結

分別計算柱直徑為1.2 m、1.6m、1.8m、2.0m取用不同高度抱箍時在不同荷載作用下，勁板及抱箍圓弧部分所需厚度。其中抱箍高度分別取45cm、60cm、75cm。由上計算結果可知，抱箍應力較大位置為螺栓錨固板及勁板位置，因此錨固板及勁板厚度應大于等于抱箍體厚度，《鋼結構設計標準》11.5節(jié)“緊固件連接構造要求”規(guī)定錨固墊板厚度構造要求M24以上高強螺栓墊板厚度不小于10mm，用與以上算例同樣的計算方法，選用不同厚度鋼板，得到不同工況下抱箍等效應力極值。

當柱直徑為1.2m時，分別計算出不同尺寸抱箍在不同荷載工況下的等效應力極值見表1。

表1 1.2m直徑柱抱箍等效應力極值（Mpa）

通過調整鋼板厚度將應力值調整至合理結果（接近設定限值），以得到鋼板厚度的合理取值，見表2。

表2 1.2m直徑墩抱箍鋼板厚度取值（mm）

采用同樣的原理，計算出墩柱直徑為1.6m、1.8m、2.0m時抱箍鋼板厚度取值，見表3～表5所示。

表3 1.6m直徑柱抱箍鋼板厚度取值

表4 1.8m直徑柱抱箍鋼板厚度取值

表5 2.0m直徑柱抱箍鋼板厚度取值

由計算結果可知，選用的鋼板厚度基本趨勢為：隨抱箍的高度增加而減小，隨荷載的增加而增大?，F(xiàn)場可根據實際荷載數(shù)值，進行線性內插取值，鋼板厚度應不小于表中數(shù)值。隨著立柱直徑的增加，在厚度不變的情況下，抱箍的剛度會減小，但同時抱箍與墩身的接觸面積增加，綜合起來直徑大小影響規(guī)律不明顯。綜合表2～表5，相同工況下選用不同樁柱直徑下板厚較大值，得表6。

表6 抱箍鋼板厚度（mm）取值

4.結論

通過計算分析得到以下結論：

（1）抱箍螺栓應采用高強度螺栓，其數(shù)量可以根據《路橋施工計算手冊》第12章2.3節(jié)“高強螺栓連接計算”進行計算，但是高強螺栓不能反復使用，有條件時可以采用45號鋼的大直徑螺栓。

（2）抱箍鋼板厚度取值可參考表6進行選取，現(xiàn)場可根據實際荷載數(shù)值，進行線性內插取值。

（3）本計算采用抱箍結構形式見圖1，實際如果采用勁板層數(shù)少于三道則需要重新驗算。

（4）抱箍圓弧部分不宜加設環(huán)向加勁肋，這樣的柔性圓弧箍身在通過擰緊高強螺栓施加預拉力時更容易與樁、柱緊密接觸。

（5）在抱箍承受較大荷載時，不宜盲目加高抱箍，建議設置成多道抱箍,這樣更利于抱箍與樁、柱緊密接觸及方便安裝；在抱箍底部（滑移趨勢方向）設置限位塊，能大幅提高抱箍的承載能力，施工現(xiàn)場可以根據實際情況使用。