一種三點式鋼橫隔梁標準化生產及施工誤差控制方法研究

白 冰

(浙江工業大學 建筑工程學院 杭州市 310014)

0 引言

橫隔梁是鋼筋混凝土預制拼裝橋梁的重要構件，國內外已有學者對橫隔梁作了深入探究。國外方面，Eamon通過研究證明橫隔板對降低主梁橫向分布系數和提高橋梁承載能力具有一定意義；Green T.借助有限元數值模擬發現，增設適當的橫隔板可顯著增大間接受荷主梁的撓度和應力水平，但對直接受荷主梁作用效果相反。國內方面，張龍[1]認為設置中橫隔板能夠提高主梁在最不利布載工況下的可靠度，有利于降低翼緣板、主梁腹板等結構薄弱部位受力，因此宜設置跨中橫隔板；呂玉匣等[2]認為設置適當的中橫隔板有利于降低主梁內力并抑制其裂縫產生，同時得出不同橋梁跨徑下橫隔板合理設置方案。可見，適當設置橫隔板對提高橋梁整體剛度具有重要意義。

鋼筋混凝土橫隔梁傳統的施工工藝存在著較多的問題，如線形不好，端部橫隔梁不能處在同一條直線上，梁體質量差，出現錯臺及偏位現象，橫坡、翼緣及橫梁連接達不到設計要求等，從而影響橋梁運營后橫隔梁承載能力及變形能力。近年來，隨交通運輸業的發展，交通設施的需求量增大。在橋梁工業化大規模超載運營的現狀下，對橫隔梁強度及剛度的要求劇增，所以傳統橫隔梁于力學特性及施工工藝上的缺陷亟需改善。

鋼橫隔梁與傳統的橫隔梁相比是一種整體性更好、施工更方便的結構。構件選用強度高、耐久性強的鋼材，配合油漆等防腐工藝，使得構件具有較強的承載能力和耐久性。鋼橫隔梁主要構件生產并焊接于工廠，構件質量能夠保證且施工誤差可控；充分利用工業化、標準化批量生產預制，根據小箱梁的梁高、濕接縫寬等參數對鋼橫隔梁進行標準化生產，使得設計和施工的總工期更短；鋼橫隔梁的安裝允許預制梁板存在一定施工誤差，通過支撐板與工廠預制好的三角形鋼橫隔梁主要構件的焊接可將誤差消除。

結合預制拼裝小箱梁結構，從鋼橫隔梁施工標準化、施工復雜程度、經濟性、橫隔梁承載及變形的角度出發，總結出一種全流程的三點式鋼橫隔梁標準化生產及施工誤差控制方法。

1 三點式鋼橫隔梁的組成

三點式鋼橫隔梁主要組成構件有：鋼管、頂支撐、腳支撐、連接板、預埋鋼板,見圖1。

圖1 三點式鋼橫隔梁示意圖

1.1 鋼管

圓形截面具有截面剛度大的優點，在較大的作用力下不易發生破壞和失穩，同時鋼管為較為常見的構件，因此所述三點式橫隔梁主要受力構件選用鋼管。截面尺寸半徑、壁厚通過計算進行選用確定，鋼管材料選用橋梁常用的Q345q鋼材。鋼管端部需進行開槽，以方便與支撐連接構件進行焊接。見圖2。

圖2 鋼管示意圖

1.2 頂支撐

頂支撐為鋼橫隔梁與小箱梁的主要連接構件，連接了鋼橫隔梁與小箱梁現澆濕接縫，既作為受力主要構件又可作為澆筑濕接縫時的底部支撐。頂支撐主要構件與鋼管嵌合后進行焊接，同時在底部和兩側設置肋板加強局部剛度。頂部與鋼板焊接，鋼板頂部設置剪力釘，以加強與濕接縫的共同作用。見圖3。

圖3 頂支撐示意圖

1.3 連接板

連接板(圖4)作為鋼管之間以及鋼管與腳支撐之間的連接構件，不但將斜向鋼管與橫向鋼管連接成為整體，也通過將整個鋼橫隔梁與腳支撐之間的焊接將結構連接成為整體。連接板、鋼管、頂支撐連接成整體后，構成了三點式鋼橫隔梁的主要構件。見圖5。

圖4 連接板示意圖

圖5 三點式鋼橫隔梁主要構件示意圖

1.4 腳支撐

腳支撐板作為鋼橫隔梁與小箱梁的主要連接構件，通過與預埋鋼板焊接，連接了鋼橫隔梁與預制小箱梁的腹板。鋼橫隔梁主要構件定位準確后，將預埋鋼板和鋼橫隔梁主要構件的連接板進行焊接，使得三點式鋼橫隔梁底部的兩點與預制小箱梁順利連接。見圖6。

圖6 腳支撐示意圖

1.5 預埋鋼板

預埋鋼板(圖7)作為唯一一個預埋于小箱梁腹板外側的鋼板結構，需在小箱梁預制綁扎鋼筋時就進行布設。預埋鋼板在小箱梁預制時與內表面腹板鋼筋進行焊接，外表面與模板貼合，預制完成后鋼板外表面與預制箱梁外表面齊平。此預埋方法既能保證鋼構件與混凝土構件的連接質量，又可通過利用現有模板節省工程造價。

圖7 預埋鋼板示意圖

2 三點式鋼橫隔梁的標準化生產

通常路段較長、橋梁較多的公路項目中，橋梁多考慮采用預制拼裝結構，以滿足經濟性要求，同時達到縮短工期的目的。為適應預制拼裝結構施工工期，鋼橫隔梁需要采用高效、高質量的生產方法，因此根據預制小箱梁的跨徑、橫向間距、角度等要素，提出一種三點式鋼橫隔梁的標準化生產方法。

2.1 控制參數

為使三點式鋼橫隔梁能夠標準化生產，須確定鋼橫隔梁幾何尺寸的要素，因此提出以下控制參數：

(1)預制梁跨徑

預制梁板的跨徑不同，導致梁板的高度亦有所不同，而三點式鋼橫隔梁需根據梁板高度進行生產，故預制梁板的跨徑是鋼橫隔梁標準化生產的控制參數之一。

(2)梁板橫向間距

公路歷程較長時，常會根據需要確定不同寬度的路基、橋梁斷面，根據斷面寬度，梁板數量、濕接縫寬度亦會有所不同，進而影響頂支撐、鋼管等構件的尺寸，故梁板橫向間距是鋼橫隔梁標準化生產的控制參數之一。

(3)梁板角度

當橋梁上跨斜交道路、河流時，橋梁通常會布置為斜交，梁板需根據橋梁角度進行預制。橫隔梁根據不同地方習慣，有正交、斜交兩種布置方案。當布置為斜交方案時，梁板角度即亦作為鋼橫隔梁標準化生產的控制參數之一。

2.2 生產方法

確定好控制參數后，進一步提出標準化生產方法如下：

(1)構件加工

根據確定好控制參數，先進行理論計算，確定好構件尺寸。將各部分構件尺寸確定好后，工廠需根據各構件尺寸進行加工生產。

(2)構件連接

各部分構件均采用焊接連接，為保證焊接質量，三點式鋼橫隔梁主要構件，即頂支撐、鋼管、連接板，需在工廠中焊接成整體，焊接加工完成后方可與腳支撐板配套運輸至施工現場等待安裝。而預埋鋼板需在小箱梁預制時進行預埋。

(3)現場焊接

小箱梁架梁完畢后，需將三點式鋼橫隔梁主要構件進行吊裝定位，待定位完畢后，將腳支撐板與鋼橫隔梁主要構件與預埋鋼板進行焊接，最后待濕接縫澆注完畢后，完成整個鋼橫隔梁的施工。

3 三點式鋼橫隔梁生產及施工過程的誤差控制方法

混凝土預制拼裝橋梁精度要求一般小于鋼結構預制拼裝橋梁精度要求，一般情況下由于存在現澆鋼筋混凝土濕接縫、現澆橫梁的施工，預制結構的誤差能夠得到很好的控制。但鋼結構的安裝要求較高，一般情況下與混凝土預制結構組合施工時不可避免會產生一些尺寸誤差，若誤差不加以控制，則易導致構件安裝失敗，造成經濟和工期的損失。

從構件生產過程以及施工過程分析了誤差產生的原因，并根據這些誤差產生的原因制定了誤差控制方法，使鋼橫隔梁構件得以順利安裝施工。

3.1 誤差產生原因

根據以往的施工步驟，在預制小箱梁、鋼橫隔梁預制、生產及安裝的過程中，產生誤差的原因主要包括以下幾點：

(1)鋼橫隔梁尺寸加工誤差

在鋼橫隔梁主要構件的生產過程中，鋼管、頂支撐板、連接板等構件的制作加工尺寸不可避免地會與理論尺寸有所偏差，加之各部分小構件之間需要焊接連接，也會產生一些加工尺寸偏差。尤其當橫隔梁為斜交時，相對與正交橫隔梁，其構件尺寸及加工所產生的誤差則更大。若不對以上環節加以控制，偏差累計后將造成更大的加工誤差，對構件安裝非常不利。

(2)混凝土小箱梁預制誤差

小箱梁一般由梁板加工廠或施工單位在預制場進行預制，先將鋼筋混凝土箱梁澆筑完成，待其達到設計強度后，在箱梁兩端對其進行預應力鋼筋張拉，達到持荷時間及伸長長度后，對預應力孔道進行注漿，最后進行梁端封錨施工。當預應力施工過程完畢后存梁期內，預應力鋼筋產生的應力將使得梁板跨中產生一定程度的上拱。雖然一般施工單位會根據計算結果在梁板預制時設置一定的反拱值，以抵消預應力施工所產生的梁板上拱，一般情況下邊梁與中梁根據計算結果，梁板所需要的預應力鋼束根數有所不同，故梁板上拱值也有所不同。雖根據理論計算，梁板的上拱可通過設置反拱進行消除，但隨著存梁時間的增長，以及梁板架設后二期鋪裝、護欄等荷載的加載，加之施工時環境溫度等因素，很難保證實際控制的精度，從而產生混凝土小箱梁的預制誤差，對跨中橫隔梁的安裝施工影響較大。

對于位于圓曲線設置超高的橋梁，尤其對于處于超高變化段的橋梁，前后橋墩處橫坡很可能有所不同，通常這種情況下小箱梁頂板的預制采用的是平均橫坡，這就會在橫斷面方向左右梁板之間產生不可避免尺寸偏差，從而對橫隔梁的安裝造成麻煩。

(3)混凝土小箱梁安裝誤差

小箱梁在吊裝過程中產生誤差因素也較多，如梁板的吊裝定位、支座安裝高度等。

梁板吊裝定位過程中，易產生因精度不夠而造成的平面上的位置偏差。尤其對于斜彎橋更是如此，斜彎橋的梁板通常為直線梁，通過挑臂變化達到橋面彎曲的目的，但由于橋墩位于曲線上，使得梁板與前后橋墩的交角均有所不同，加之梁板不同的預制長度，斜彎橋的定位非常困難，因此難免產生定位偏差，從而使得橫隔梁定位產生偏差。

雖然現今蓋梁墊石頂標高一般都可以得到很好的控制，但支座一般通過市場采購，其尺寸根據市場情況可能與設計有所不同，若現場把控不良或支座質量不過關，則極易造成支座安裝高度誤差，從而對橫隔梁的安裝產生一定影響。

3.2 誤差控制方法

針對以上鋼橫隔梁生產加工及施工產生的各類誤差，提出以下的誤差控制方法：

(1)鋼橫隔梁主要構件整體建模，并在工廠中加工預制

針對鋼橫隔梁尺寸加工等誤差，可先通過計算機根據標準化橫隔梁參數進行整體建模，以模擬并復核鋼橫隔梁的安裝尺寸及安裝工況。模擬復核尺寸基本無誤后，將鋼橫隔梁主要構件委托鋼結構廠進行生產加工預制，以避免現場施工產生的各類施工誤差。預制完畢、尺寸核查無誤后，方可將鋼橫隔梁主體結構及連接構件運至施工現場準備安裝。

(2)鋼橫隔梁主要構件定位完畢后，現場焊接腳支撐鋼板

針對小箱梁預制及安裝誤差，可將鋼橫隔梁主要構件定位完畢后，通過腳支撐鋼板上下移動定位，待定位準確后，將腳支撐鋼板與鋼橫隔梁主要構件與小箱梁腹板側的預埋鋼板進行焊接，以消除小箱梁產生的誤差，順利完成鋼橫隔梁的主要安裝工作。見圖8。

圖8 腳支撐鋼板焊接定位示意

4 工程應用

依托浙江溫州某公路工程開展全方位的試點應用研究。鋼橫隔梁主要構件在預制場完成加工，尺寸精度控制良好，現場小箱梁預制過程中完成預埋鋼板的施工，如圖9所示。三點式鋼橫隔梁經荷載實驗完成后運輸至施工現場，在小箱梁完成吊裝后進行安裝，見圖10。根據現有施工進度及施工單位現場反饋，三點式鋼橫隔梁安裝便捷，節約工期。

圖9 預埋鋼板施工

(a)構件加工

5 結論

提出的三點式鋼橫隔梁安裝誤差的消除方法，使得鋼橫隔梁與傳統預制梁板安裝能夠得以順利進行，且通過控制三點式鋼橫隔梁標準化生產參數及生產方法，結合計算機建模、計算等技術，鋼橫隔梁可在梁板設計、預制的同時進行驗算和生產，現場焊接時間也遠小于傳統鋼筋混凝土橫隔梁的施工時間，因此提出的標準化生產必定會節省整個橋梁的施工工期。

三點式鋼橫隔梁在現階段生產單價較高，但隨著生產規模的擴大，生產過程的日趨成熟，鋼橫隔梁量產之后勢必會降低生產單價，結合其安裝的便利性，三點式鋼橫隔梁在預制拼裝橋梁上的應用具有非常大的優勢與前景。