一種三點(diǎn)式鋼橫隔梁標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)及施工誤差控制方法研究

白 冰

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州市 310014)

0 引言

橫隔梁是鋼筋混凝土預(yù)制拼裝橋梁的重要構(gòu)件，國內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)橫隔梁作了深入探究。國外方面，Eamon通過研究證明橫隔板對(duì)降低主梁橫向分布系數(shù)和提高橋梁承載能力具有一定意義；Green T.借助有限元數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，增設(shè)適當(dāng)?shù)臋M隔板可顯著增大間接受荷主梁的撓度和應(yīng)力水平，但對(duì)直接受荷主梁作用效果相反。國內(nèi)方面，張龍[1]認(rèn)為設(shè)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(jié)構(gòu)薄弱部位受力，因此宜設(shè)置跨中橫隔板；呂玉匣等[2]認(rèn)為設(shè)置適當(dāng)?shù)闹袡M隔板有利于降低主梁內(nèi)力并抑制其裂縫產(chǎn)生，同時(shí)得出不同橋梁跨徑下橫隔板合理設(shè)置方案?？梢姡m當(dāng)設(shè)置橫隔板對(duì)提高橋梁整體剛度具有重要意義。

鋼筋混凝土橫隔梁傳統(tǒng)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(zhì)量差，出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)及偏位現(xiàn)象，橫坡、翼緣及橫梁連接達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等，從而影響橋梁運(yùn)營后橫隔梁承載能力及變形能力。近年來，隨交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，交通設(shè)施的需求量增大。在橋梁工業(yè)化大規(guī)模超載運(yùn)營的現(xiàn)狀下，對(duì)橫隔梁強(qiáng)度及剛度的要求劇增，所以傳統(tǒng)橫隔梁于力學(xué)特性及施工工藝上的缺陷亟需改善。

鋼橫隔梁與傳統(tǒng)的橫隔梁相比是一種整體性更好、施工更方便的結(jié)構(gòu)。構(gòu)件選用強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)的鋼材，配合油漆等防腐工藝，使得構(gòu)件具有較強(qiáng)的承載能力和耐久性。鋼橫隔梁主要構(gòu)件生產(chǎn)并焊接于工廠，構(gòu)件質(zhì)量能夠保證且施工誤差可控；充分利用工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)預(yù)制，根據(jù)小箱梁的梁高、濕接縫寬等參數(shù)對(duì)鋼橫隔梁進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，使得設(shè)計(jì)和施工的總工期更短；鋼橫隔梁的安裝允許預(yù)制梁板存在一定施工誤差，通過支撐板與工廠預(yù)制好的三角形鋼橫隔梁主要構(gòu)件的焊接可將誤差消除。

結(jié)合預(yù)制拼裝小箱梁結(jié)構(gòu)，從鋼橫隔梁施工標(biāo)準(zhǔn)化、施工復(fù)雜程度、經(jīng)濟(jì)性、橫隔梁承載及變形的角度出發(fā)，總結(jié)出一種全流程的三點(diǎn)式鋼橫隔梁標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)及施工誤差控制方法。

1 三點(diǎn)式鋼橫隔梁的組成

三點(diǎn)式鋼橫隔梁主要組成構(gòu)件有：鋼管、頂支撐、腳支撐、連接板、預(yù)埋鋼板,見圖1。

圖1 三點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)，在較大的作用力下不易發(fā)生破壞和失穩(wěn)，同時(shí)鋼管為較為常見的構(gòu)件，因此所述三點(diǎn)式橫隔梁主要受力構(gòu)件選用鋼管。截面尺寸半徑、壁厚通過計(jì)算進(jìn)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(jìn)行開槽，以方便與支撐連接構(gòu)件進(jìn)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(gòu)件，連接了鋼橫隔梁與小箱梁現(xiàn)澆濕接縫，既作為受力主要構(gòu)件又可作為澆筑濕接縫時(shí)的底部支撐。頂支撐主要構(gòu)件與鋼管嵌合后進(jìn)行焊接，同時(shí)在底部和兩側(cè)設(shè)置肋板加強(qiáng)局部剛度。頂部與鋼板焊接，鋼板頂部設(shè)置剪力釘，以加強(qiáng)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(gòu)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(gè)鋼橫隔梁與腳支撐之間的焊接將結(jié)構(gòu)連接成為整體。連接板、鋼管、頂支撐連接成整體后，構(gòu)成了三點(diǎn)式鋼橫隔梁的主要構(gòu)件。見圖5。

圖4 連接板示意圖

圖5 三點(diǎn)式鋼橫隔梁主要構(gòu)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(gòu)件，通過與預(yù)埋鋼板焊接，連接了鋼橫隔梁與預(yù)制小箱梁的腹板。鋼橫隔梁主要構(gòu)件定位準(zhǔn)確后，將預(yù)埋鋼板和鋼橫隔梁主要構(gòu)件的連接板進(jìn)行焊接，使得三點(diǎn)式鋼橫隔梁底部的兩點(diǎn)與預(yù)制小箱梁順利連接。見圖6。

圖6 腳支撐示意圖

1.5 預(yù)埋鋼板

預(yù)埋鋼板(圖7)作為唯一一個(gè)預(yù)埋于小箱梁腹板外側(cè)的鋼板結(jié)構(gòu)，需在小箱梁預(yù)制綁扎鋼筋時(shí)就進(jìn)行布設(shè)。預(yù)埋鋼板在小箱梁預(yù)制時(shí)與內(nèi)表面腹板鋼筋進(jìn)行焊接，外表面與模板貼合，預(yù)制完成后鋼板外表面與預(yù)制箱梁外表面齊平。此預(yù)埋方法既能保證鋼構(gòu)件與混凝土構(gòu)件的連接質(zhì)量，又可通過利用現(xiàn)有模板節(jié)省工程造價(jià)。

圖7 預(yù)埋鋼板示意圖

2 三點(diǎn)式鋼橫隔梁的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)

通常路段較長、橋梁較多的公路項(xiàng)目中，橋梁多考慮采用預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，以滿足經(jīng)濟(jì)性要求，同時(shí)達(dá)到縮短工期的目的。為適應(yīng)預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)施工工期，鋼橫隔梁需要采用高效、高質(zhì)量的生產(chǎn)方法，因此根據(jù)預(yù)制小箱梁的跨徑、橫向間距、角度等要素，提出一種三點(diǎn)式鋼橫隔梁的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)方法。

2.1 控制參數(shù)

為使三點(diǎn)式鋼橫隔梁能夠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，須確定鋼橫隔梁幾何尺寸的要素，因此提出以下控制參數(shù)：

(1)預(yù)制梁跨徑

預(yù)制梁板的跨徑不同，導(dǎo)致梁板的高度亦有所不同，而三點(diǎn)式鋼橫隔梁需根據(jù)梁板高度進(jìn)行生產(chǎn)，故預(yù)制梁板的跨徑是鋼橫隔梁標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的控制參數(shù)之一。

(2)梁板橫向間距

公路歷程較長時(shí)，常會(huì)根據(jù)需要確定不同寬度的路基、橋梁斷面，根據(jù)斷面寬度，梁板數(shù)量、濕接縫寬度亦會(huì)有所不同，進(jìn)而影響頂支撐、鋼管等構(gòu)件的尺寸，故梁板橫向間距是鋼橫隔梁標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的控制參數(shù)之一。

(3)梁板角度

當(dāng)橋梁上跨斜交道路、河流時(shí)，橋梁通常會(huì)布置為斜交，梁板需根據(jù)橋梁角度進(jìn)行預(yù)制。橫隔梁根據(jù)不同地方習(xí)慣，有正交、斜交兩種布置方案。當(dāng)布置為斜交方案時(shí)，梁板角度即亦作為鋼橫隔梁標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的控制參數(shù)之一。

2.2 生產(chǎn)方法

確定好控制參數(shù)后，進(jìn)一步提出標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)方法如下：

(1)構(gòu)件加工

根據(jù)確定好控制參數(shù)，先進(jìn)行理論計(jì)算，確定好構(gòu)件尺寸。將各部分構(gòu)件尺寸確定好后，工廠需根據(jù)各構(gòu)件尺寸進(jìn)行加工生產(chǎn)。

(2)構(gòu)件連接

各部分構(gòu)件均采用焊接連接，為保證焊接質(zhì)量，三點(diǎn)式鋼橫隔梁主要構(gòu)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(yùn)輸至施工現(xiàn)場等待安裝。而預(yù)埋鋼板需在小箱梁預(yù)制時(shí)進(jìn)行預(yù)埋。

(3)現(xiàn)場焊接

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

3 三點(diǎn)式鋼橫隔梁生產(chǎn)及施工過程的誤差控制方法

混凝土預(yù)制拼裝橋梁精度要求一般小于鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝橋梁精度要求，一般情況下由于存在現(xiàn)澆鋼筋混凝土濕接縫、現(xiàn)澆橫梁的施工，預(yù)制結(jié)構(gòu)的誤差能夠得到很好的控制。但鋼結(jié)構(gòu)的安裝要求較高，一般情況下與混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)組合施工時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生一些尺寸誤差，若誤差不加以控制，則易導(dǎo)致構(gòu)件安裝失敗，造成經(jīng)濟(jì)和工期的損失。

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

3.1 誤差產(chǎn)生原因

根據(jù)以往的施工步驟，在預(yù)制小箱梁、鋼橫隔梁預(yù)制、生產(chǎn)及安裝的過程中，產(chǎn)生誤差的原因主要包括以下幾點(diǎn)：

(1)鋼橫隔梁尺寸加工誤差

在鋼橫隔梁主要構(gòu)件的生產(chǎn)過程中，鋼管、頂支撐板、連接板等構(gòu)件的制作加工尺寸不可避免地會(huì)與理論尺寸有所偏差，加之各部分小構(gòu)件之間需要焊接連接，也會(huì)產(chǎn)生一些加工尺寸偏差。尤其當(dāng)橫隔梁為斜交時(shí)，相對(duì)與正交橫隔梁，其構(gòu)件尺寸及加工所產(chǎn)生的誤差則更大。若不對(duì)以上環(huán)節(jié)加以控制，偏差累計(jì)后將造成更大的加工誤差，對(duì)構(gòu)件安裝非常不利。

(2)混凝土小箱梁預(yù)制誤差

小箱梁一般由梁板加工廠或施工單位在預(yù)制場進(jìn)行預(yù)制，先將鋼筋混凝土箱梁澆筑完成，待其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在箱梁兩端對(duì)其進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉，達(dá)到持荷時(shí)間及伸長長度后，對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道進(jìn)行注漿，最后進(jìn)行梁端封錨施工。當(dāng)預(yù)應(yīng)力施工過程完畢后存梁期內(nèi)，預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)力將使得梁板跨中產(chǎn)生一定程度的上拱。雖然一般施工單位會(huì)根據(jù)計(jì)算結(jié)果在梁板預(yù)制時(shí)設(shè)置一定的反拱值，以抵消預(yù)應(yīng)力施工所產(chǎn)生的梁板上拱，一般情況下邊梁與中梁根據(jù)計(jì)算結(jié)果，梁板所需要的預(yù)應(yīng)力鋼束根數(shù)有所不同，故梁板上拱值也有所不同。雖根據(jù)理論計(jì)算，梁板的上拱可通過設(shè)置反拱進(jìn)行消除，但隨著存梁時(shí)間的增長，以及梁板架設(shè)后二期鋪裝、護(hù)欄等荷載的加載，加之施工時(shí)環(huán)境溫度等因素，很難保證實(shí)際控制的精度，從而產(chǎn)生混凝土小箱梁的預(yù)制誤差，對(duì)跨中橫隔梁的安裝施工影響較大。

對(duì)于位于圓曲線設(shè)置超高的橋梁，尤其對(duì)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(yù)制采用的是平均橫坡，這就會(huì)在橫斷面方向左右梁板之間產(chǎn)生不可避免尺寸偏差，從而對(duì)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(chǎn)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(chǎn)生因精度不夠而造成的平面上的位置偏差。尤其對(duì)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(dá)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(yù)制長度，斜彎橋的定位非常困難，因此難免產(chǎn)生定位偏差，從而使得橫隔梁定位產(chǎn)生偏差。

雖然現(xiàn)今蓋梁墊石頂標(biāo)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(jù)市場情況可能與設(shè)計(jì)有所不同，若現(xiàn)場把控不良或支座質(zhì)量不過關(guān)，則極易造成支座安裝高度誤差，從而對(duì)橫隔梁的安裝產(chǎn)生一定影響。

3.2 誤差控制方法

針對(duì)以上鋼橫隔梁生產(chǎn)加工及施工產(chǎn)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(gòu)件整體建模，并在工廠中加工預(yù)制

針對(duì)鋼橫隔梁尺寸加工等誤差，可先通過計(jì)算機(jī)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化橫隔梁參數(shù)進(jìn)行整體建模，以模擬并復(fù)核鋼橫隔梁的安裝尺寸及安裝工況。模擬復(fù)核尺寸基本無誤后，將鋼橫隔梁主要構(gòu)件委托鋼結(jié)構(gòu)廠進(jìn)行生產(chǎn)加工預(yù)制，以避免現(xiàn)場施工產(chǎn)生的各類施工誤差。預(yù)制完畢、尺寸核查無誤后，方可將鋼橫隔梁主體結(jié)構(gòu)及連接構(gòu)件運(yùn)至施工現(xiàn)場準(zhǔn)備安裝。

(2)鋼橫隔梁主要構(gòu)件定位完畢后，現(xiàn)場焊接腳支撐鋼板

針對(duì)小箱梁預(yù)制及安裝誤差，可將鋼橫隔梁主要構(gòu)件定位完畢后，通過腳支撐鋼板上下移動(dòng)定位，待定位準(zhǔn)確后，將腳支撐鋼板與鋼橫隔梁主要構(gòu)件與小箱梁腹板側(cè)的預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接，以消除小箱梁產(chǎn)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(yīng)用

依托浙江溫州某公路工程開展全方位的試點(diǎn)應(yīng)用研究。鋼橫隔梁主要構(gòu)件在預(yù)制場完成加工，尺寸精度控制良好，現(xiàn)場小箱梁預(yù)制過程中完成預(yù)埋鋼板的施工，如圖9所示。三點(diǎn)式鋼橫隔梁經(jīng)荷載實(shí)驗(yàn)完成后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，在小箱梁完成吊裝后進(jìn)行安裝，見圖10。根據(jù)現(xiàn)有施工進(jìn)度及施工單位現(xiàn)場反饋，三點(diǎn)式鋼橫隔梁安裝便捷，節(jié)約工期。

圖9 預(yù)埋鋼板施工

(a)構(gòu)件加工

5 結(jié)論

提出的三點(diǎn)式鋼橫隔梁安裝誤差的消除方法，使得鋼橫隔梁與傳統(tǒng)預(yù)制梁板安裝能夠得以順利進(jìn)行，且通過控制三點(diǎn)式鋼橫隔梁標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)參數(shù)及生產(chǎn)方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)建模、計(jì)算等技術(shù)，鋼橫隔梁可在梁板設(shè)計(jì)、預(yù)制的同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)算和生產(chǎn)，現(xiàn)場焊接時(shí)間也遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鋼筋混凝土橫隔梁的施工時(shí)間，因此提出的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)必定會(huì)節(jié)省整個(gè)橋梁的施工工期。

三點(diǎn)式鋼橫隔梁在現(xiàn)階段生產(chǎn)單價(jià)較高，但隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，生產(chǎn)過程的日趨成熟，鋼橫隔梁量產(chǎn)之后勢(shì)必會(huì)降低生產(chǎn)單價(jià)，結(jié)合其安裝的便利性，三點(diǎn)式鋼橫隔梁在預(yù)制拼裝橋梁上的應(yīng)用具有非常大的優(yōu)勢(shì)與前景。