浅谈正交异性钢桥面板的发展

王玉娇 韩阿慧

1甘肃省公路航空旅游投资集团有限公司（730030） 2 西安长安大学工程设计研究院有限公司（710061）

正交异性钢桥面板是国内外钢桥尤其是大跨度钢桥采用最多的一种桥面板结构形式，是钢桥发展至今的一个显著成果。 这种桥面结构有着重量轻、承载力高、适应性强、施工方便等优点，适用于中、大跨径桥梁，但是也存在疲劳开裂等限制其发展的问题。文章对部分国内外学者的研究成果进行了介绍，对正交异性钢桥面板构造、受力特点及其容易出现的病害进行了阐述。

1 构造

正交异性钢桥面板是由顶板、横肋、纵肋焊接成的一种桥面板结构，其中纵肋和横肋相互垂直（如图1 所示）。顶板直接承受车辆荷载和二期恒载，其厚度根据不同规范取值不同。根据美国规范[1]，顶板板厚不小于15.8 mm；根据欧洲规范[2]，顶板厚度不小于加劲肋腹板间距的1/25；根据中国规范标准[3]，顶板厚度不小于14 mm。加劲肋可以增强钢桥面板的刚度，主要起改善局部稳定性的作用。

图1 正交异性钢桥面板构造图

2 受力性能

正交异性钢桥面板因其优异的力学性能而广泛应用于大跨径钢桥结构中。 国内学者近年来对不同结构构造和形式的正交异性钢桥面的整体、 局部承载性能等进行了大量的研究。

正交异性钢桥面板在车辆荷载作用下会产生极大的面外弯矩，林茂盛[4]等通过有限元分析，发现在正交异性钢桥面板的板和肋连接处，桥面板应力较纵肋应力要大，同时发现在横截面内加设横隔板可提升结构受力性能；赵立菊[5]进行了模型试验和数值分析，研究结果表明:带闭口U 肋的正交异性钢桥面板和带开口L 肋的正交异性钢桥面板，在肋竖向刚度相同的情况下受力性能相近。 李立峰、邵旭东[6-8]对采用闭口加劲板的正交异性钢板的承载力进行了试验研究，提出了一种综合考虑材料、几何非线性和初始几何缺陷、焊接残余应力等不利影响的计算理论。 狄谨[9]对大跨度斜拉桥正交异性钢箱梁加劲板的屈曲性能进行了较为系统的理论与试验研究，提出了一种考虑扭转应变能和弯曲应变能时各种荷载作用下四边简支加劲肋屈曲临界计算公式。

3 疲劳问题

正交异性钢桥面板的疲劳问题是限制其发展的重要因素。

正交异性钢桥面板由于自身构造复杂、焊缝较多、反复承受车辆荷载、应力影响线短，再加上焊接工艺的缺陷以及制造过程中的误差，在顶板与纵肋连接处、纵肋与横隔板连接处、横隔板挖孔处等不连续部位容易出现疲劳裂纹并扩展[10]。 王春生等[11-14]对正交异性钢桥面进行了足尺疲劳试验，研究结果表明：纵肋与顶板连接处产生向顶板、腹板方向扩展的裂纹， 纵肋与横隔板连接处产生向纵肋腹板、横隔板方向扩展的裂纹，横隔板挖空细节处产生向着与自由边垂直方向扩展的裂纹； 裂纹产生后，其前期发展速度较慢、后期扩展速度快速增大。

4 疲劳病害改善措施

对于正交异性钢桥面板的疲劳病害问题，国内外学者进行了针对性研究， 并提出了一些改善措施。

正交异性钢桥面板的疲劳问题导致钢板出现裂纹的萌生及扩展，同时桥面铺装出现损坏，大大降低了桥面的使用寿命。有相关研究表明:出现病害的原因是桥面板局部刚度不足。 针对此问题，国内外学者提出了不同的解决方法:①替换传统纵肋，改用尺寸更大的大断面纵肋[15-16]，以增大纵肋间距和纵向刚度，减少焊缝数量和初始缺陷；②采用混凝土结构层[17]作为铺装层，以提高正交异性钢桥面板的局部刚度； ③在铺装层与正交异性钢桥面板之间增加覆盖层，以增强桥面板刚度。 覆盖层大体分为两种，一种为Yiming Liu[18]等提出的工程胶凝复合材料，一种为Shiming Chen[19]等提出的超高性能混凝土（UHPC）材料。 通过试验和数值模拟对复合桥面板的疲劳行为和破坏过程进行研究分析后发现，复合桥面能大幅度降低顶板与横隔板焊接接头处、纵肋与横隔板焊接接头处的应力，大幅提升正交异性钢桥面板的抗疲劳特性。

5 思考与展望

随着我国政策的引导及基础设施建设的快速发展，钢结构桥梁必将成为未来桥梁的主流桥型。正交异性钢桥面板作为钢桥中使用最为广泛的面板结构，其疲劳问题的研究正在稳步进行并取得了一些成就。 未来，正交异性钢桥面板必将有更广阔的应用前景。