智能三點(diǎn)式鋼橫隔梁的研究與應(yīng)用

趙穎芳，李賽芳，彭衛(wèi)兵

(1. 浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 杭州市 310014; 2. 溫州市鹿城區(qū)交通工程建設(shè)中心 溫州市 325000)

0 引言

交通行業(yè)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了大量大型橋梁工程的建設(shè)，與此同時(shí)橋梁病害的問(wèn)題日益凸顯。就橫隔梁而言，不少學(xué)者根據(jù)實(shí)際工程指出混凝土橫隔梁在使用中存在不少問(wèn)題。林建茂[1]調(diào)查發(fā)現(xiàn)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(shí)存在縫隙未采用水泥砂漿填充的問(wèn)題；周小年[3]指出混凝土端橫隔梁存在缺損、露筋、泛堿的問(wèn)題；馬亞麗等[4]指出在進(jìn)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(wèi)欽等[5]指出橫隔梁在施工過(guò)程中存在由施工誤差造成的錯(cuò)位現(xiàn)象。而鋼橫隔梁在國(guó)外有較多的應(yīng)用，根據(jù)杜婕等[6]的研究，鋼橫隔梁在美國(guó)的賓夕法尼亞、紐約、新澤西等州已成功應(yīng)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(yōu)勢(shì)。

此外，橋梁病害導(dǎo)致的橋梁安全事故也時(shí)有發(fā)生，在此背景下，橋梁結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。林璋璋等[7]以某實(shí)際案例為對(duì)象，對(duì)斜拉索應(yīng)力、橋塔位移和橋部撓度等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(zhǎng)江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，借助光纖光柵傳感器重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了主橋斜拉段結(jié)構(gòu)，通過(guò)Visual Studio開(kāi)發(fā)了一套結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)軟件。

傳統(tǒng)混凝土橫隔梁存在易開(kāi)裂，難對(duì)齊等問(wèn)題，同時(shí)也無(wú)法滿足未來(lái)智能交通的需求，研發(fā)了一種新型智能鋼橫隔梁，依托104國(guó)道鹿城段改建工程對(duì)橫隔梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)比選，綜合考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、施工便利性和經(jīng)濟(jì)效益等方面，三點(diǎn)式鋼橫隔梁是最優(yōu)選擇，并將三點(diǎn)式鋼橫隔梁與傳感裝置結(jié)合形成智能構(gòu)件對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 橫隔梁結(jié)構(gòu)選型

1.1 方案設(shè)計(jì)

依托工程為104國(guó)道鹿城段改建工程，全橋共5聯(lián)，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(yù)制小箱梁，橫向采用現(xiàn)澆混凝土連接，現(xiàn)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(lián)系，在國(guó)內(nèi)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(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，增加施工難度；運(yùn)營(yíng)階段，混凝土橫隔梁易發(fā)生開(kāi)裂，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，加劇橫隔梁破損。針對(duì)這些問(wèn)題，初步提出以下兩種形式的鋼橫隔梁：三點(diǎn)式鋼橫隔梁和K型鋼橫隔梁。

(1)K型鋼橫隔梁：結(jié)構(gòu)包括兩塊預(yù)埋在相鄰腹板底部的下部鋼板、兩塊預(yù)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(diǎn)式鋼橫隔梁：結(jié)構(gòu)包括兩塊預(yù)埋在相鄰腹板底部的下部鋼板、一塊預(yù)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(jié)構(gòu)的支撐鋼管，如圖3所示。

圖3 三點(diǎn)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(diǎn)式鋼橫隔梁和傳統(tǒng)混凝土橫隔梁的優(yōu)劣，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)受力性能、施工便利性和經(jīng)濟(jì)效益這四個(gè)方面進(jìn)行分析。

(1)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：K型鋼橫隔梁和三點(diǎn)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(diǎn)。此外，鋼結(jié)構(gòu)還具有自重輕，結(jié)構(gòu)抗震性能好的優(yōu)勢(shì)。K型鋼橫隔梁結(jié)構(gòu)存在的最大的缺點(diǎn)是裝配時(shí)需要連接四個(gè)點(diǎn)，無(wú)法保證K型鋼橫隔梁的四根桿件始終處于同一平面內(nèi)，不利于鋼橫隔梁的受力。而三點(diǎn)式鋼橫隔梁裝配時(shí)僅需要連接三個(gè)點(diǎn)，較好地保證了三點(diǎn)式鋼橫隔梁的三根桿件始終處于同一平面內(nèi)，使得鋼橫隔梁的受力更接近于設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

(2)結(jié)構(gòu)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(guò)橋面板的受力來(lái)分析橫隔梁結(jié)構(gòu)功能性的好壞。混凝土橫隔梁在抗彎抗剪方面雖然優(yōu)于鋼橫隔梁，但對(duì)于主梁受力的影響基本沒(méi)有差別，且鋼橫隔梁的強(qiáng)度與剛度能夠滿足橋梁的日常運(yùn)營(yíng)需求。此外，通過(guò)前期有限元軟件的分析[9]，鋼橫隔梁不論哪種結(jié)構(gòu)形式，在車(chē)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(yīng)力，優(yōu)化橋面板應(yīng)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(yù)埋鋼板在小箱梁預(yù)制階段就以模板來(lái)定位，將螺栓預(yù)制在梁內(nèi)，后續(xù)連接不用對(duì)梁體進(jìn)行再處理。且鋼橫隔梁是工廠化加工，成品精度高，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工精度控制。此外，依托的項(xiàng)目工程為斜交橋，在橫隔梁施工時(shí)更易存在“對(duì)不齊”的問(wèn)題，而三點(diǎn)式鋼橫隔梁較K型鋼橫隔梁在施工時(shí)僅需連接三點(diǎn)，更易于對(duì)齊，有效地解決了橫隔梁施工時(shí)存在的錯(cuò)臺(tái)問(wèn)題。

(4)經(jīng)濟(jì)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(chǎn)周期、安裝周期、材料費(fèi)和管理費(fèi)等，其建造成本低；在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，鋼橫隔梁可以在不影響交通的情況下進(jìn)行維修和養(yǎng)護(hù)，發(fā)生破壞后也更利于更換。

綜合比較，三點(diǎn)式鋼橫隔梁在各方面具有優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，剛度和強(qiáng)度滿足橋梁日常運(yùn)營(yíng)需求，裝配式施工快速簡(jiǎn)便且可以帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，最終選擇將三點(diǎn)式鋼橫隔梁運(yùn)用于104國(guó)道鹿城段改建工程。

2 智能三點(diǎn)式鋼橫隔梁

2.1 智能鋼橫隔梁的構(gòu)造

針對(duì)工程實(shí)例開(kāi)發(fā)的新型智能三點(diǎn)式鋼橫隔梁，見(jiàn)圖4。該智能三點(diǎn)式鋼橫隔梁下部鋼板和頂部鋼板上均設(shè)有節(jié)點(diǎn)板，下部鋼板和頂部鋼板與對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)板均通過(guò)三面圍焊的方式焊接固定成型。施工現(xiàn)場(chǎng)只需要利用焊接將各個(gè)構(gòu)件連接在一起，與混凝土橫隔梁相比大大縮短施工時(shí)間，施工過(guò)程簡(jiǎn)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(shè)有兩個(gè)夾具，兩個(gè)夾具之間固定有應(yīng)變檢測(cè)裝置。且該智能三點(diǎn)式鋼橫隔梁的應(yīng)變檢測(cè)裝置具有可更換的特點(diǎn)。

圖4 智能三點(diǎn)式鋼橫隔梁

2.2 數(shù)值監(jiān)測(cè)原理

該智能三點(diǎn)式鋼橫隔梁在下部鋼構(gòu)件上設(shè)置可拆卸的應(yīng)變檢測(cè)裝置，此應(yīng)變檢測(cè)裝置為帶應(yīng)變片的伸縮桿，如圖4所示。圖中所示夾具上設(shè)有緊固卡扣用以固定應(yīng)變片。緊固卡扣通過(guò)調(diào)節(jié)夾具間距使帶有應(yīng)變片的伸縮桿產(chǎn)生一定的初始應(yīng)變，后續(xù)橫隔梁受力使得支撐鋼管的軸心受壓段發(fā)生軸向變形，引起兩夾具間的距離發(fā)生變化，測(cè)得支撐鋼管的軸向變形，從而獲得新的應(yīng)變值，進(jìn)一步可以獲取橋梁承受的荷載等。

2.3 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

新型智能三點(diǎn)式鋼橫隔梁的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為感知層、平臺(tái)層和應(yīng)用層三個(gè)層面。感知層通過(guò)智能構(gòu)件上帶有4G傳輸能力的傳感器獲取橋梁的相關(guān)數(shù)據(jù)，再通過(guò)智能構(gòu)件將數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)層的數(shù)據(jù)云平臺(tái)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理分類(lèi)后形成位移、變形等一系列分布式文件，最后到應(yīng)用層，用戶根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果制定養(yǎng)護(hù)方案，其運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

提出了一種新型智能三點(diǎn)式鋼橫隔梁，可以較好地替代傳統(tǒng)混凝土橫隔梁。該結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于小箱梁橋的橫向連接，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：受力性能較好，裝配時(shí)僅需要連接三點(diǎn)，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；施工便利，通過(guò)工廠規(guī)模化生產(chǎn)的鋼橫隔梁，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工精度的控制，安裝簡(jiǎn)便，施工快速；監(jiān)測(cè)質(zhì)量高，智能鋼橫隔梁通過(guò)數(shù)據(jù)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁使用狀態(tài)的功能；建立海量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，滿足未來(lái)智能交通建設(shè)的需求。智能三點(diǎn)式鋼橫隔梁為小箱梁橫向聯(lián)系提供了新的連接方案，值得在實(shí)際工程中推廣使用。