智能三點式鋼橫隔梁的研究與應用

趙穎芳，李賽芳，彭衛兵

(1. 浙江工業大學 土木工程學院 杭州市 310014; 2. 溫州市鹿城區交通工程建設中心 溫州市 325000)

0 引言

交通行業的飛速發展帶動了大量大型橋梁工程的建設，與此同時橋梁病害的問題日益凸顯。就橫隔梁而言，不少學者根據實際工程指出混凝土橫隔梁在使用中存在不少問題。林建茂[1]調查發現混凝土橫隔梁與濕澆縫連接處存在斜裂縫的病害；王華生[2]指出混凝土橫隔梁在澆筑時存在縫隙未采用水泥砂漿填充的問題；周小年[3]指出混凝土端橫隔梁存在缺損、露筋、泛堿的問題；馬亞麗等[4]指出在進人孔附近橫隔梁存在較多水平向或斜向裂縫，裂縫較寬較深；鄧衛欽等[5]指出橫隔梁在施工過程中存在由施工誤差造成的錯位現象。而鋼橫隔梁在國外有較多的應用，根據杜婕等[6]的研究，鋼橫隔梁在美國的賓夕法尼亞、紐約、新澤西等州已成功應用，且鋼橫隔梁在維修替換方面具有混凝土橫隔梁不可比擬的優勢。

此外，橋梁病害導致的橋梁安全事故也時有發生，在此背景下，橋梁結構的智能監測系統應運而生。林璋璋等[7]以某實際案例為對象，對斜拉索應力、橋塔位移和橋部撓度等實時監測，借助通訊信息和有限元軟件探索橋梁的智慧化云管理。賈富貴[8]以天興洲公鐵兩用長江大橋為研究對象，借助光纖光柵傳感器重點監測了主橋斜拉段結構，通過Visual Studio開發了一套結構健康檢測系統軟件。

傳統混凝土橫隔梁存在易開裂，難對齊等問題，同時也無法滿足未來智能交通的需求，研發了一種新型智能鋼橫隔梁，依托104國道鹿城段改建工程對橫隔梁進行結構比選，綜合考慮結構穩定性、施工便利性和經濟效益等方面，三點式鋼橫隔梁是最優選擇，并將三點式鋼橫隔梁與傳感裝置結合形成智能構件對橋梁進行實時監測。

1 橫隔梁結構選型

1.1 方案設計

依托工程為104國道鹿城段改建工程，全橋共5聯，橋跨布置為：2×30m+(40+33.5+40)m+4×30m+4×30m+5×30m，典型斷面如圖1所示。橋面寬度15.74m，縱向布置5片預制小箱梁，橫向采用現澆混凝土連接，現澆段寬度為0.71m。

圖1 橋梁典型斷面圖

橫隔梁可以增加小箱梁橋的橫向聯系，在國內廣泛使用且多采用混凝土橫隔梁，但在施工階段，混凝土橫隔梁易存在錯臺現象，增加施工難度；運營階段，混凝土橫隔梁易發生開裂，導致鋼筋銹蝕，加劇橫隔梁破損。針對這些問題，初步提出以下兩種形式的鋼橫隔梁：三點式鋼橫隔梁和K型鋼橫隔梁。

(1)K型鋼橫隔梁：結構包括兩塊預埋在相鄰腹板底部的下部鋼板、兩塊預埋在梁翼緣與腹板交界處的上部鋼板、一根連接下部鋼板的橫向工字鋼以及兩根連接上部鋼板和橫向工字鋼的斜撐工字鋼，如圖2所示。

圖2 K型鋼橫隔梁示意圖

(2)三點式鋼橫隔梁：結構包括兩塊預埋在相鄰腹板底部的下部鋼板、一塊預埋在相鄰梁翼緣之間后澆混凝土中的頂部鋼板以及三根分別與下部鋼板和頂部鋼板配合固定形成三角支撐結構的支撐鋼管，如圖3所示。

圖3 三點式鋼橫隔梁示意圖

1.2 方案比選

為比較K型鋼橫隔梁、三點式鋼橫隔梁和傳統混凝土橫隔梁的優劣，從結構穩定性、結構受力性能、施工便利性和經濟效益這四個方面進行分析。

(1)結構穩定性：K型鋼橫隔梁和三點式鋼橫隔梁相較于混凝土橫隔梁，具有抗拉性、延展性更好的特點。此外，鋼結構還具有自重輕，結構抗震性能好的優勢。K型鋼橫隔梁結構存在的最大的缺點是裝配時需要連接四個點，無法保證K型鋼橫隔梁的四根桿件始終處于同一平面內，不利于鋼橫隔梁的受力。而三點式鋼橫隔梁裝配時僅需要連接三個點，較好地保證了三點式鋼橫隔梁的三根桿件始終處于同一平面內，使得鋼橫隔梁的受力更接近于設計值，結構更加穩定。

(2)結構受力性能：橫隔梁的主要作用是連接梁橋主梁，提高橋梁的整體性，故可以通過橋面板的受力來分析橫隔梁結構功能性的好壞。混凝土橫隔梁在抗彎抗剪方面雖然優于鋼橫隔梁，但對于主梁受力的影響基本沒有差別，且鋼橫隔梁的強度與剛度能夠滿足橋梁的日常運營需求。此外，通過前期有限元軟件的分析[9]，鋼橫隔梁不論哪種結構形式，在車輛偏載作用下可以更好地傳遞橫向力，有效減小橋面板的最大應力，優化橋面板應力分布。

(3)施工便利性：鋼橫隔梁的安裝更方便、快速，不需要模板，縮短了工期。預埋鋼板在小箱梁預制階段就以模板來定位，將螺栓預制在梁內，后續連接不用對梁體進行再處理。且鋼橫隔梁是工廠化加工，成品精度高，有利于現場施工精度控制。此外，依托的項目工程為斜交橋，在橫隔梁施工時更易存在“對不齊”的問題，而三點式鋼橫隔梁較K型鋼橫隔梁在施工時僅需連接三點，更易于對齊，有效地解決了橫隔梁施工時存在的錯臺問題。

(4)經濟效益：在鋼橫隔梁施工階段，由于鋼橫隔梁施工速度快，綜合考慮生產周期、安裝周期、材料費和管理費等，其建造成本低；在運營維護階段，鋼橫隔梁可以在不影響交通的情況下進行維修和養護，發生破壞后也更利于更換。

綜合比較，三點式鋼橫隔梁在各方面具有優勢，其結構穩定性良好，剛度和強度滿足橋梁日常運營需求，裝配式施工快速簡便且可以帶來良好的經濟效益和社會效益，最終選擇將三點式鋼橫隔梁運用于104國道鹿城段改建工程。

2 智能三點式鋼橫隔梁

2.1 智能鋼橫隔梁的構造

針對工程實例開發的新型智能三點式鋼橫隔梁，見圖4。該智能三點式鋼橫隔梁下部鋼板和頂部鋼板上均設有節點板，下部鋼板和頂部鋼板與對應的節點板均通過三面圍焊的方式焊接固定成型。施工現場只需要利用焊接將各個構件連接在一起，與混凝土橫隔梁相比大大縮短施工時間，施工過程簡單、高效。其中，支撐鋼管從兩端到中間依次分為連接段和軸心受壓段，且在軸心受壓段上設有兩個夾具，兩個夾具之間固定有應變檢測裝置。且該智能三點式鋼橫隔梁的應變檢測裝置具有可更換的特點。

圖4 智能三點式鋼橫隔梁

2.2 數值監測原理

該智能三點式鋼橫隔梁在下部鋼構件上設置可拆卸的應變檢測裝置，此應變檢測裝置為帶應變片的伸縮桿，如圖4所示。圖中所示夾具上設有緊固卡扣用以固定應變片。緊固卡扣通過調節夾具間距使帶有應變片的伸縮桿產生一定的初始應變，后續橫隔梁受力使得支撐鋼管的軸心受壓段發生軸向變形，引起兩夾具間的距離發生變化，測得支撐鋼管的軸向變形，從而獲得新的應變值，進一步可以獲取橋梁承受的荷載等。

2.3 網絡監測系統

新型智能三點式鋼橫隔梁的網絡監測系統分為感知層、平臺層和應用層三個層面。感知層通過智能構件上帶有4G傳輸能力的傳感器獲取橋梁的相關數據，再通過智能構件將數據上傳至平臺層的數據云平臺，數據經過處理分類后形成位移、變形等一系列分布式文件，最后到應用層，用戶根據監測結果制定養護方案，其運行流程如圖5所示。

圖5 監測系統運行示意圖

3 結語

提出了一種新型智能三點式鋼橫隔梁，可以較好地替代傳統混凝土橫隔梁。該結構可廣泛應用于小箱梁橋的橫向連接，具有以下幾點優勢：受力性能較好，裝配時僅需要連接三點，結構更加穩定；施工便利，通過工廠規模化生產的鋼橫隔梁，有利于現場施工精度的控制，安裝簡便，施工快速；監測質量高，智能鋼橫隔梁通過數據云平臺，實現了實時監測橋梁使用狀態的功能；建立海量數據的監測網絡，滿足未來智能交通建設的需求。智能三點式鋼橫隔梁為小箱梁橫向聯系提供了新的連接方案，值得在實際工程中推廣使用。