正交异性桥面板设计参数和构造

正交异性桥面板设计参数和构造

细节的疲劳研究进展

1 背景

第二次世界大战后，一方面大量被战争毁坏的桥梁急需修复，另一方面建筑材料非常短缺。在此情况下，欧洲的工程师们开始尝试采用一种新型的桥面结构形式——正交异性钢桥面板。它由面板、纵肋和横肋组成，三者互相垂直，通过焊缝连接成一体共同工作。它以自重轻、极限承载力大、施工周期短等优点，成为世界上大、中跨度现代钢桥通常采用的桥面结构形式。从20世纪50年代德国最先使用这种桥面板至今，欧洲已有1000多座各种形式的正交异性钢桥面板桥梁，日本有将近250座正交异性钢桥面板桥梁，北美有100余座正交异性钢桥面板桥梁[1]。

我国正交异性钢桥面板我国正交异性钢桥面板的研究和应用起步较晚，直到20世纪70年代初，才建成第一座钢桥面板桥——潼关黄河铁路桥。改革开放以来，国内正交异性钢桥面板桥呈现出迅猛发展势头。迄今为止，我国已建造的采用正交异性钢桥面板的桥梁有30余座。正在建造的采用正交异性钢桥面板的铁路钢桥有郑州黄河公铁两用桥和京沪高速铁路南京大胜关长江大桥等。

正交异性钢桥面板有其独特的优点，但同时钢桥面板疲劳开裂的事例也在许多国家的钢桥中出现。最早报道的是英国Seven桥，该桥1966年建成通车后，分别于1971年和1977年发现了3种焊接细节的疲劳裂纹。德国的Haseltal和Sinntal桥投入使用后不久，钢桥面板也都出现了疲劳裂纹。此外，法国、日本、美国、荷兰等国也都发现了钢桥面板疲劳开裂事例。钢桥面板在我国使用的时间虽然不长，但是已经在某些桥中发现了钢桥面板疲劳开裂的现象。这些疲劳裂纹严重影响了桥梁的使用寿命，因此，对正交异性桥面板疲劳问题的研究是目前桥梁建设中的关键和热点，各国学者在此领域取得了一系列研究成果。国内在20世纪80年代初，铁道科学研究院等相关单位以西江大桥为研究背景，对公路正交异性钢桥面板参与主桁共同工作时的结构特性进行了较为全面的分析及试验研究[2]。1995年，同济大学童乐为在博士论文中对采用开口肋形式的钢桥面板的疲劳性能进行了较为系统的分析[3]。时至今日，正交异性桥面板的结构形式较当初已经发生很大变化，大量新的研究成果相继涌现。

2 正交异性桥面板设计参数的疲劳研究

2.1 面板

面板的最小厚度一般取决于其在轮载作用下的允许变形，为保证桥面铺装层不产生裂纹，纵肋之间面板的竖向挠曲变形不大于0.4mm。基于上述原

则，面板厚度t d可由Kloeppel公式计算：

式中：a为开口截面纵肋间距或闭口截面纵肋腹板最大间距，mm；p 为轮载面压力，kPa。

同时各国规范根据各自的车辆荷载及桥面铺装层情况，为保证钢桥面板的施

工性和耐久性，对面板厚度作了不同规定。表1列出了Eurocode3、AASHTO和日本道路规范中的相关规定。

在国内，2000年以前建造的正交异性板多采用12mm厚的面板，今天这些桥梁的铺装层几乎都存在一定问题。自从2001年建成的南京二桥采用14mm面板，上面铺装50mm 厚环氧沥青之后，桥面铺装层很少出现问题。在采用50mm 厚的环氧沥青铺装层时，Eurocode3推荐a/t d≤25，Man-Chung Tang推荐a/t d≤24，而国内由于考虑超载问题，近来新建的一些工程多是采用a/t d＝21.4，例如西堠门公路桥等。从目前的使用情况来看，这样的匹配能够满足耐久性要求。

表1 Eurocode3、AASHTO和日本道路规范中关于面板厚度规定

2.2 纵肋

正交异性钢桥面板纵肋的截面形式是由早期的开口截面逐渐演变成如今的闭口截面。开口截面纵肋虽然具有形状简单、与横肋及面板的连接构造简单、工厂制造及现场连接比较容易等优点，但每根纵肋与桥面板的连接需要两条角接焊缝，单位面积所用焊缝长度较长，而且其抗扭和抗弯刚度较小，要求布置有较密的横肋，经济性较差。因此，在20世纪60年代后逐渐在车行道范围内改用闭口截面纵肋。闭口截面纵肋与开口截面纵肋相比，具有焊接工作量小，抗弯抗扭刚度大，压屈强度较高等优点。目前正交异性钢桥面板中应用最多的为梯形截面纵肋（U型肋）。

图1梯形截面纵肋示意

典型的梯形截面纵肋截面尺寸的确定主要考虑生产工艺和刚度（抗扭和抗弯）两方面的因素，如图1所示。在生产工艺方面，对于屈服强度σs≤345Mpa的钢材，U型肋通常采用冷弯成型。为避免冷弯塑性变形对韧性的过大影响，欧洲及美国规范规定U型肋内侧半径R≥4t（t为纵肋厚度），日本规范规定U型肋内侧半径R ≥5t。对于屈服强度σs≥420Mpa的钢材，采用热弯成型，以避免冷弯裂纹。在刚度方面，各国规范一般规定纵肋厚度t≥6mm。Eurocode3规定纵肋截面的惯性矩与横肋的间距相关联，要满足图2所示的关系曲线。

图2 纵肋刚度与横肋间距的关系

AASHTO[4]规定闭口肋截面尺寸与面板厚度应该满足：

式中：t r为纵肋腹板的厚度；t d.eff为桥面板有效厚度，考虑面层的加劲效应；a为肋腹的间距较大者；h′为肋腹倾斜部分的长度。日本规范规定纵肋厚度t≥6mm，A取300～320mm，H取240～260mm。Dong-Ho Choi和Yong-Sick Kim指出，在韩国建成的正交异性板桥中，纵肋厚度t取6～8mm，A取300～340mm，B＝A－2H /4.5。在国内近期建造的公路正交异性桥面板纵肋多采用8mm板厚，铁路正交异性板桥梁纵肋多采用10mm板厚。闭口截面纵肋通常被焊接成密闭截面，所以无需考虑纵肋内表面的腐蚀问题。

2,3 横肋

横肋（梁）的设计包括间距、腹板厚度和高度三个参数。这些参数不是孤立确定的，需要综合考虑纵肋截面尺寸和面板厚度等。Eurocode3规定横肋间距与纵肋刚度应该满足图2所示的关系，一般取2.5～3.5m，横肋腹板厚度不小于

10mm，纵肋高度与横肋高度之比不大于0.4。Xiaohua H Cheng等人通过系统总结日本规范，认为横肋（梁）厚度应该在8～9mm，高至少600～700mm。Paul A.Tsakopoulos和John W.Fisher通过两个独立的足尺正交异性板模型试验研究认为，可以将横隔板的厚度从8mm增加到13mm。有限元分析表明，这样做不仅会降低面内应力，而且不会显著增大因横隔板扭转而产生的面外应力。此外，文献[5]还建议采用一致厚度的横隔板，并且保持横隔板在所有闭口肋下连续，以便在闭口肋之间提供统一的剪力分配，同时改善面内弯曲作用。国内学者Ghunsheng Wang和Yacheng Feng基于有限元分析结果认为，12mm或者更厚的横肋对于提高纵肋横隔板的连接接头的疲劳性能是比较合适的。

2.4 大断面纵肋