淺談正交異性鋼橋面板的發展

王玉嬌 韓阿慧

1甘肅省公路航空旅游投資集團有限公司（730030） 2 西安長安大學工程設計研究院有限公司（710061）

正交異性鋼橋面板是國內外鋼橋尤其是大跨度鋼橋采用最多的一種橋面板結構形式，是鋼橋發展至今的一個顯著成果。 這種橋面結構有著重量輕、承載力高、適應性強、施工方便等優點，適用于中、大跨徑橋梁，但是也存在疲勞開裂等限制其發展的問題。文章對部分國內外學者的研究成果進行了介紹，對正交異性鋼橋面板構造、受力特點及其容易出現的病害進行了闡述。

1 構造

正交異性鋼橋面板是由頂板、橫肋、縱肋焊接成的一種橋面板結構，其中縱肋和橫肋相互垂直（如圖1 所示）。頂板直接承受車輛荷載和二期恒載，其厚度根據不同規范取值不同。根據美國規范[1]，頂板板厚不小于15.8 mm；根據歐洲規范[2]，頂板厚度不小于加勁肋腹板間距的1/25；根據中國規范標準[3]，頂板厚度不小于14 mm。加勁肋可以增強鋼橋面板的剛度，主要起改善局部穩定性的作用。

圖1 正交異性鋼橋面板構造圖

2 受力性能

正交異性鋼橋面板因其優異的力學性能而廣泛應用于大跨徑鋼橋結構中。 國內學者近年來對不同結構構造和形式的正交異性鋼橋面的整體、 局部承載性能等進行了大量的研究。

正交異性鋼橋面板在車輛荷載作用下會產生極大的面外彎矩，林茂盛[4]等通過有限元分析，發現在正交異性鋼橋面板的板和肋連接處，橋面板應力較縱肋應力要大，同時發現在橫截面內加設橫隔板可提升結構受力性能；趙立菊[5]進行了模型試驗和數值分析，研究結果表明:帶閉口U 肋的正交異性鋼橋面板和帶開口L 肋的正交異性鋼橋面板，在肋豎向剛度相同的情況下受力性能相近。 李立峰、邵旭東[6-8]對采用閉口加勁板的正交異性鋼板的承載力進行了試驗研究，提出了一種綜合考慮材料、幾何非線性和初始幾何缺陷、焊接殘余應力等不利影響的計算理論。 狄謹[9]對大跨度斜拉橋正交異性鋼箱梁加勁板的屈曲性能進行了較為系統的理論與試驗研究，提出了一種考慮扭轉應變能和彎曲應變能時各種荷載作用下四邊簡支加勁肋屈曲臨界計算公式。

3 疲勞問題

正交異性鋼橋面板的疲勞問題是限制其發展的重要因素。

正交異性鋼橋面板由于自身構造復雜、焊縫較多、反復承受車輛荷載、應力影響線短，再加上焊接工藝的缺陷以及制造過程中的誤差，在頂板與縱肋連接處、縱肋與橫隔板連接處、橫隔板挖孔處等不連續部位容易出現疲勞裂紋并擴展[10]。 王春生等[11-14]對正交異性鋼橋面進行了足尺疲勞試驗，研究結果表明：縱肋與頂板連接處產生向頂板、腹板方向擴展的裂紋， 縱肋與橫隔板連接處產生向縱肋腹板、橫隔板方向擴展的裂紋，橫隔板挖空細節處產生向著與自由邊垂直方向擴展的裂紋； 裂紋產生后，其前期發展速度較慢、后期擴展速度快速增大。

4 疲勞病害改善措施

對于正交異性鋼橋面板的疲勞病害問題，國內外學者進行了針對性研究， 并提出了一些改善措施。

正交異性鋼橋面板的疲勞問題導致鋼板出現裂紋的萌生及擴展，同時橋面鋪裝出現損壞，大大降低了橋面的使用壽命。有相關研究表明:出現病害的原因是橋面板局部剛度不足。 針對此問題，國內外學者提出了不同的解決方法:①替換傳統縱肋，改用尺寸更大的大斷面縱肋[15-16]，以增大縱肋間距和縱向剛度，減少焊縫數量和初始缺陷；②采用混凝土結構層[17]作為鋪裝層，以提高正交異性鋼橋面板的局部剛度； ③在鋪裝層與正交異性鋼橋面板之間增加覆蓋層，以增強橋面板剛度。 覆蓋層大體分為兩種，一種為Yiming Liu[18]等提出的工程膠凝復合材料，一種為Shiming Chen[19]等提出的超高性能混凝土（UHPC）材料。 通過試驗和數值模擬對復合橋面板的疲勞行為和破壞過程進行研究分析后發現，復合橋面能大幅度降低頂板與橫隔板焊接接頭處、縱肋與橫隔板焊接接頭處的應力，大幅提升正交異性鋼橋面板的抗疲勞特性。

5 思考與展望

隨著我國政策的引導及基礎設施建設的快速發展，鋼結構橋梁必將成為未來橋梁的主流橋型。正交異性鋼橋面板作為鋼橋中使用最為廣泛的面板結構，其疲勞問題的研究正在穩步進行并取得了一些成就。 未來，正交異性鋼橋面板必將有更廣闊的應用前景。