一种三点式钢横隔梁标准化生产及施工误差控制方法研究

白 冰

(浙江工业大学 建筑工程学院 杭州市 310014)

0 引言

横隔梁是钢筋混凝土预制拼装桥梁的重要构件，国内外已有学者对横隔梁作了深入探究。国外方面，Eamon通过研究证明横隔板对降低主梁横向分布系数和提高桥梁承载能力具有一定意义；Green T.借助有限元数值模拟发现，增设适当的横隔板可显著增大间接受荷主梁的挠度和应力水平，但对直接受荷主梁作用效果相反。国内方面，张龙[1]认为设置中横隔板能够提高主梁在最不利布载工况下的可靠度，有利于降低翼缘板、主梁腹板等结构薄弱部位受力，因此宜设置跨中横隔板；吕玉匣等[2]认为设置适当的中横隔板有利于降低主梁内力并抑制其裂缝产生，同时得出不同桥梁跨径下横隔板合理设置方案。可见，适当设置横隔板对提高桥梁整体刚度具有重要意义。

钢筋混凝土横隔梁传统的施工工艺存在着较多的问题，如线形不好，端部横隔梁不能处在同一条直线上，梁体质量差，出现错台及偏位现象，横坡、翼缘及横梁连接达不到设计要求等，从而影响桥梁运营后横隔梁承载能力及变形能力。近年来，随交通运输业的发展，交通设施的需求量增大。在桥梁工业化大规模超载运营的现状下，对横隔梁强度及刚度的要求剧增，所以传统横隔梁于力学特性及施工工艺上的缺陷亟需改善。

钢横隔梁与传统的横隔梁相比是一种整体性更好、施工更方便的结构。构件选用强度高、耐久性强的钢材，配合油漆等防腐工艺，使得构件具有较强的承载能力和耐久性。钢横隔梁主要构件生产并焊接于工厂，构件质量能够保证且施工误差可控；充分利用工业化、标准化批量生产预制，根据小箱梁的梁高、湿接缝宽等参数对钢横隔梁进行标准化生产，使得设计和施工的总工期更短；钢横隔梁的安装允许预制梁板存在一定施工误差，通过支撑板与工厂预制好的三角形钢横隔梁主要构件的焊接可将误差消除。

结合预制拼装小箱梁结构，从钢横隔梁施工标准化、施工复杂程度、经济性、横隔梁承载及变形的角度出发，总结出一种全流程的三点式钢横隔梁标准化生产及施工误差控制方法。

1 三点式钢横隔梁的组成

三点式钢横隔梁主要组成构件有：钢管、顶支撑、脚支撑、连接板、预埋钢板,见图1。

图1 三点式钢横隔梁示意图

1.1 钢管

圆形截面具有截面刚度大的优点，在较大的作用力下不易发生破坏和失稳，同时钢管为较为常见的构件，因此所述三点式横隔梁主要受力构件选用钢管。截面尺寸半径、壁厚通过计算进行选用确定，钢管材料选用桥梁常用的Q345q钢材。钢管端部需进行开槽，以方便与支撑连接构件进行焊接。见图2。

图2 钢管示意图

1.2 顶支撑

顶支撑为钢横隔梁与小箱梁的主要连接构件，连接了钢横隔梁与小箱梁现浇湿接缝，既作为受力主要构件又可作为浇筑湿接缝时的底部支撑。顶支撑主要构件与钢管嵌合后进行焊接，同时在底部和两侧设置肋板加强局部刚度。顶部与钢板焊接，钢板顶部设置剪力钉，以加强与湿接缝的共同作用。见图3。

图3 顶支撑示意图

1.3 连接板

连接板(图4)作为钢管之间以及钢管与脚支撑之间的连接构件，不但将斜向钢管与横向钢管连接成为整体，也通过将整个钢横隔梁与脚支撑之间的焊接将结构连接成为整体。连接板、钢管、顶支撑连接成整体后，构成了三点式钢横隔梁的主要构件。见图5。

图4 连接板示意图

图5 三点式钢横隔梁主要构件示意图

1.4 脚支撑

脚支撑板作为钢横隔梁与小箱梁的主要连接构件，通过与预埋钢板焊接，连接了钢横隔梁与预制小箱梁的腹板。钢横隔梁主要构件定位准确后，将预埋钢板和钢横隔梁主要构件的连接板进行焊接，使得三点式钢横隔梁底部的两点与预制小箱梁顺利连接。见图6。

图6 脚支撑示意图

1.5 预埋钢板

预埋钢板(图7)作为唯一一个预埋于小箱梁腹板外侧的钢板结构，需在小箱梁预制绑扎钢筋时就进行布设。预埋钢板在小箱梁预制时与内表面腹板钢筋进行焊接，外表面与模板贴合，预制完成后钢板外表面与预制箱梁外表面齐平。此预埋方法既能保证钢构件与混凝土构件的连接质量，又可通过利用现有模板节省工程造价。

图7 预埋钢板示意图

2 三点式钢横隔梁的标准化生产

通常路段较长、桥梁较多的公路项目中，桥梁多考虑采用预制拼装结构，以满足经济性要求，同时达到缩短工期的目的。为适应预制拼装结构施工工期，钢横隔梁需要采用高效、高质量的生产方法，因此根据预制小箱梁的跨径、横向间距、角度等要素，提出一种三点式钢横隔梁的标准化生产方法。

2.1 控制参数

为使三点式钢横隔梁能够标准化生产，须确定钢横隔梁几何尺寸的要素，因此提出以下控制参数：

(1)预制梁跨径

预制梁板的跨径不同，导致梁板的高度亦有所不同，而三点式钢横隔梁需根据梁板高度进行生产，故预制梁板的跨径是钢横隔梁标准化生产的控制参数之一。

(2)梁板横向间距

公路历程较长时，常会根据需要确定不同宽度的路基、桥梁断面，根据断面宽度，梁板数量、湿接缝宽度亦会有所不同，进而影响顶支撑、钢管等构件的尺寸，故梁板横向间距是钢横隔梁标准化生产的控制参数之一。

(3)梁板角度

当桥梁上跨斜交道路、河流时，桥梁通常会布置为斜交，梁板需根据桥梁角度进行预制。横隔梁根据不同地方习惯，有正交、斜交两种布置方案。当布置为斜交方案时，梁板角度即亦作为钢横隔梁标准化生产的控制参数之一。

2.2 生产方法

确定好控制参数后，进一步提出标准化生产方法如下：

(1)构件加工

根据确定好控制参数，先进行理论计算，确定好构件尺寸。将各部分构件尺寸确定好后，工厂需根据各构件尺寸进行加工生产。

(2)构件连接

各部分构件均采用焊接连接，为保证焊接质量，三点式钢横隔梁主要构件，即顶支撑、钢管、连接板，需在工厂中焊接成整体，焊接加工完成后方可与脚支撑板配套运输至施工现场等待安装。而预埋钢板需在小箱梁预制时进行预埋。

(3)现场焊接

小箱梁架梁完毕后，需将三点式钢横隔梁主要构件进行吊装定位，待定位完毕后，将脚支撑板与钢横隔梁主要构件与预埋钢板进行焊接，最后待湿接缝浇注完毕后，完成整个钢横隔梁的施工。

3 三点式钢横隔梁生产及施工过程的误差控制方法

混凝土预制拼装桥梁精度要求一般小于钢结构预制拼装桥梁精度要求，一般情况下由于存在现浇钢筋混凝土湿接缝、现浇横梁的施工，预制结构的误差能够得到很好的控制。但钢结构的安装要求较高，一般情况下与混凝土预制结构组合施工时不可避免会产生一些尺寸误差，若误差不加以控制，则易导致构件安装失败，造成经济和工期的损失。

从构件生产过程以及施工过程分析了误差产生的原因，并根据这些误差产生的原因制定了误差控制方法，使钢横隔梁构件得以顺利安装施工。

3.1 误差产生原因

根据以往的施工步骤，在预制小箱梁、钢横隔梁预制、生产及安装的过程中，产生误差的原因主要包括以下几点：

(1)钢横隔梁尺寸加工误差

在钢横隔梁主要构件的生产过程中，钢管、顶支撑板、连接板等构件的制作加工尺寸不可避免地会与理论尺寸有所偏差，加之各部分小构件之间需要焊接连接，也会产生一些加工尺寸偏差。尤其当横隔梁为斜交时，相对与正交横隔梁，其构件尺寸及加工所产生的误差则更大。若不对以上环节加以控制，偏差累计后将造成更大的加工误差，对构件安装非常不利。

(2)混凝土小箱梁预制误差

小箱梁一般由梁板加工厂或施工单位在预制场进行预制，先将钢筋混凝土箱梁浇筑完成，待其达到设计强度后，在箱梁两端对其进行预应力钢筋张拉，达到持荷时间及伸长长度后，对预应力孔道进行注浆，最后进行梁端封锚施工。当预应力施工过程完毕后存梁期内，预应力钢筋产生的应力将使得梁板跨中产生一定程度的上拱。虽然一般施工单位会根据计算结果在梁板预制时设置一定的反拱值，以抵消预应力施工所产生的梁板上拱，一般情况下边梁与中梁根据计算结果，梁板所需要的预应力钢束根数有所不同，故梁板上拱值也有所不同。虽根据理论计算，梁板的上拱可通过设置反拱进行消除，但随着存梁时间的增长，以及梁板架设后二期铺装、护栏等荷载的加载，加之施工时环境温度等因素，很难保证实际控制的精度，从而产生混凝土小箱梁的预制误差，对跨中横隔梁的安装施工影响较大。

对于位于圆曲线设置超高的桥梁，尤其对于处于超高变化段的桥梁，前后桥墩处横坡很可能有所不同，通常这种情况下小箱梁顶板的预制采用的是平均横坡，这就会在横断面方向左右梁板之间产生不可避免尺寸偏差，从而对横隔梁的安装造成麻烦。

(3)混凝土小箱梁安装误差

小箱梁在吊装过程中产生误差因素也较多，如梁板的吊装定位、支座安装高度等。

梁板吊装定位过程中，易产生因精度不够而造成的平面上的位置偏差。尤其对于斜弯桥更是如此，斜弯桥的梁板通常为直线梁，通过挑臂变化达到桥面弯曲的目的，但由于桥墩位于曲线上，使得梁板与前后桥墩的交角均有所不同，加之梁板不同的预制长度，斜弯桥的定位非常困难，因此难免产生定位偏差，从而使得横隔梁定位产生偏差。

虽然现今盖梁垫石顶标高一般都可以得到很好的控制，但支座一般通过市场采购，其尺寸根据市场情况可能与设计有所不同，若现场把控不良或支座质量不过关，则极易造成支座安装高度误差，从而对横隔梁的安装产生一定影响。

3.2 误差控制方法

针对以上钢横隔梁生产加工及施工产生的各类误差，提出以下的误差控制方法：

(1)钢横隔梁主要构件整体建模，并在工厂中加工预制

针对钢横隔梁尺寸加工等误差，可先通过计算机根据标准化横隔梁参数进行整体建模，以模拟并复核钢横隔梁的安装尺寸及安装工况。模拟复核尺寸基本无误后，将钢横隔梁主要构件委托钢结构厂进行生产加工预制，以避免现场施工产生的各类施工误差。预制完毕、尺寸核查无误后，方可将钢横隔梁主体结构及连接构件运至施工现场准备安装。

(2)钢横隔梁主要构件定位完毕后，现场焊接脚支撑钢板

针对小箱梁预制及安装误差，可将钢横隔梁主要构件定位完毕后，通过脚支撑钢板上下移动定位，待定位准确后，将脚支撑钢板与钢横隔梁主要构件与小箱梁腹板侧的预埋钢板进行焊接，以消除小箱梁产生的误差，顺利完成钢横隔梁的主要安装工作。见图8。

图8 脚支撑钢板焊接定位示意

4 工程应用

依托浙江温州某公路工程开展全方位的试点应用研究。钢横隔梁主要构件在预制场完成加工，尺寸精度控制良好，现场小箱梁预制过程中完成预埋钢板的施工，如图9所示。三点式钢横隔梁经荷载实验完成后运输至施工现场，在小箱梁完成吊装后进行安装，见图10。根据现有施工进度及施工单位现场反馈，三点式钢横隔梁安装便捷，节约工期。

图9 预埋钢板施工

(a)构件加工

5 结论

提出的三点式钢横隔梁安装误差的消除方法，使得钢横隔梁与传统预制梁板安装能够得以顺利进行，且通过控制三点式钢横隔梁标准化生产参数及生产方法，结合计算机建模、计算等技术，钢横隔梁可在梁板设计、预制的同时进行验算和生产，现场焊接时间也远小于传统钢筋混凝土横隔梁的施工时间，因此提出的标准化生产必定会节省整个桥梁的施工工期。

三点式钢横隔梁在现阶段生产单价较高，但随着生产规模的扩大，生产过程的日趋成熟，钢横隔梁量产之后势必会降低生产单价，结合其安装的便利性，三点式钢横隔梁在预制拼装桥梁上的应用具有非常大的优势与前景。