智能三点式钢横隔梁的研究与应用

赵颖芳，李赛芳，彭卫兵

(1. 浙江工业大学 土木工程学院 杭州市 310014; 2. 温州市鹿城区交通工程建设中心 温州市 325000)

0 引言

交通行业的飞速发展带动了大量大型桥梁工程的建设，与此同时桥梁病害的问题日益凸显。就横隔梁而言，不少学者根据实际工程指出混凝土横隔梁在使用中存在不少问题。林建茂[1]调查发现混凝土横隔梁与湿浇缝连接处存在斜裂缝的病害；王华生[2]指出混凝土横隔梁在浇筑时存在缝隙未采用水泥砂浆填充的问题；周小年[3]指出混凝土端横隔梁存在缺损、露筋、泛碱的问题；马亚丽等[4]指出在进人孔附近横隔梁存在较多水平向或斜向裂缝，裂缝较宽较深；邓卫钦等[5]指出横隔梁在施工过程中存在由施工误差造成的错位现象。而钢横隔梁在国外有较多的应用，根据杜婕等[6]的研究，钢横隔梁在美国的宾夕法尼亚、纽约、新泽西等州已成功应用，且钢横隔梁在维修替换方面具有混凝土横隔梁不可比拟的优势。

此外，桥梁病害导致的桥梁安全事故也时有发生，在此背景下，桥梁结构的智能监测系统应运而生。林璋璋等[7]以某实际案例为对象，对斜拉索应力、桥塔位移和桥部挠度等实时监测，借助通讯信息和有限元软件探索桥梁的智慧化云管理。贾富贵[8]以天兴洲公铁两用长江大桥为研究对象，借助光纤光栅传感器重点监测了主桥斜拉段结构，通过Visual Studio开发了一套结构健康检测系统软件。

传统混凝土横隔梁存在易开裂，难对齐等问题，同时也无法满足未来智能交通的需求，研发了一种新型智能钢横隔梁，依托104国道鹿城段改建工程对横隔梁进行结构比选，综合考虑结构稳定性、施工便利性和经济效益等方面，三点式钢横隔梁是最优选择，并将三点式钢横隔梁与传感装置结合形成智能构件对桥梁进行实时监测。

1 横隔梁结构选型

1.1 方案设计

依托工程为104国道鹿城段改建工程，全桥共5联，桥跨布置为：2×30m+(40+33.5+40)m+4×30m+4×30m+5×30m，典型断面如图1所示。桥面宽度15.74m，纵向布置5片预制小箱梁，横向采用现浇混凝土连接，现浇段宽度为0.71m。

图1 桥梁典型断面图

横隔梁可以增加小箱梁桥的横向联系，在国内广泛使用且多采用混凝土横隔梁，但在施工阶段，混凝土横隔梁易存在错台现象，增加施工难度；运营阶段，混凝土横隔梁易发生开裂，导致钢筋锈蚀，加剧横隔梁破损。针对这些问题，初步提出以下两种形式的钢横隔梁：三点式钢横隔梁和K型钢横隔梁。

(1)K型钢横隔梁：结构包括两块预埋在相邻腹板底部的下部钢板、两块预埋在梁翼缘与腹板交界处的上部钢板、一根连接下部钢板的横向工字钢以及两根连接上部钢板和横向工字钢的斜撑工字钢，如图2所示。

图2 K型钢横隔梁示意图

(2)三点式钢横隔梁：结构包括两块预埋在相邻腹板底部的下部钢板、一块预埋在相邻梁翼缘之间后浇混凝土中的顶部钢板以及三根分别与下部钢板和顶部钢板配合固定形成三角支撑结构的支撑钢管，如图3所示。

图3 三点式钢横隔梁示意图

1.2 方案比选

为比较K型钢横隔梁、三点式钢横隔梁和传统混凝土横隔梁的优劣，从结构稳定性、结构受力性能、施工便利性和经济效益这四个方面进行分析。

(1)结构稳定性：K型钢横隔梁和三点式钢横隔梁相较于混凝土横隔梁，具有抗拉性、延展性更好的特点。此外，钢结构还具有自重轻，结构抗震性能好的优势。K型钢横隔梁结构存在的最大的缺点是装配时需要连接四个点，无法保证K型钢横隔梁的四根杆件始终处于同一平面内，不利于钢横隔梁的受力。而三点式钢横隔梁装配时仅需要连接三个点，较好地保证了三点式钢横隔梁的三根杆件始终处于同一平面内，使得钢横隔梁的受力更接近于设计值，结构更加稳定。

(2)结构受力性能：横隔梁的主要作用是连接梁桥主梁，提高桥梁的整体性，故可以通过桥面板的受力来分析横隔梁结构功能性的好坏。混凝土横隔梁在抗弯抗剪方面虽然优于钢横隔梁，但对于主梁受力的影响基本没有差别，且钢横隔梁的强度与刚度能够满足桥梁的日常运营需求。此外，通过前期有限元软件的分析[9]，钢横隔梁不论哪种结构形式，在车辆偏载作用下可以更好地传递横向力，有效减小桥面板的最大应力，优化桥面板应力分布。

(3)施工便利性：钢横隔梁的安装更方便、快速，不需要模板，缩短了工期。预埋钢板在小箱梁预制阶段就以模板来定位，将螺栓预制在梁内，后续连接不用对梁体进行再处理。且钢横隔梁是工厂化加工，成品精度高，有利于现场施工精度控制。此外，依托的项目工程为斜交桥，在横隔梁施工时更易存在“对不齐”的问题，而三点式钢横隔梁较K型钢横隔梁在施工时仅需连接三点，更易于对齐，有效地解决了横隔梁施工时存在的错台问题。

(4)经济效益：在钢横隔梁施工阶段，由于钢横隔梁施工速度快，综合考虑生产周期、安装周期、材料费和管理费等，其建造成本低；在运营维护阶段，钢横隔梁可以在不影响交通的情况下进行维修和养护，发生破坏后也更利于更换。

综合比较，三点式钢横隔梁在各方面具有优势，其结构稳定性良好，刚度和强度满足桥梁日常运营需求，装配式施工快速简便且可以带来良好的经济效益和社会效益，最终选择将三点式钢横隔梁运用于104国道鹿城段改建工程。

2 智能三点式钢横隔梁

2.1 智能钢横隔梁的构造

针对工程实例开发的新型智能三点式钢横隔梁，见图4。该智能三点式钢横隔梁下部钢板和顶部钢板上均设有节点板，下部钢板和顶部钢板与对应的节点板均通过三面围焊的方式焊接固定成型。施工现场只需要利用焊接将各个构件连接在一起，与混凝土横隔梁相比大大缩短施工时间，施工过程简单、高效。其中，支撑钢管从两端到中间依次分为连接段和轴心受压段，且在轴心受压段上设有两个夹具，两个夹具之间固定有应变检测装置。且该智能三点式钢横隔梁的应变检测装置具有可更换的特点。

图4 智能三点式钢横隔梁

2.2 数值监测原理

该智能三点式钢横隔梁在下部钢构件上设置可拆卸的应变检测装置，此应变检测装置为带应变片的伸缩杆，如图4所示。图中所示夹具上设有紧固卡扣用以固定应变片。紧固卡扣通过调节夹具间距使带有应变片的伸缩杆产生一定的初始应变，后续横隔梁受力使得支撑钢管的轴心受压段发生轴向变形，引起两夹具间的距离发生变化，测得支撑钢管的轴向变形，从而获得新的应变值，进一步可以获取桥梁承受的荷载等。

2.3 网络监测系统

新型智能三点式钢横隔梁的网络监测系统分为感知层、平台层和应用层三个层面。感知层通过智能构件上带有4G传输能力的传感器获取桥梁的相关数据，再通过智能构件将数据上传至平台层的数据云平台，数据经过处理分类后形成位移、变形等一系列分布式文件，最后到应用层，用户根据监测结果制定养护方案，其运行流程如图5所示。

图5 监测系统运行示意图

3 结语

提出了一种新型智能三点式钢横隔梁，可以较好地替代传统混凝土横隔梁。该结构可广泛应用于小箱梁桥的横向连接，具有以下几点优势：受力性能较好，装配时仅需要连接三点，结构更加稳定；施工便利，通过工厂规模化生产的钢横隔梁，有利于现场施工精度的控制，安装简便，施工快速；监测质量高，智能钢横隔梁通过数据云平台，实现了实时监测桥梁使用状态的功能；建立海量数据的监测网络，满足未来智能交通建设的需求。智能三点式钢横隔梁为小箱梁横向联系提供了新的连接方案，值得在实际工程中推广使用。