正交异性钢桥面设计、施工和维护手册

翻译：郭斌强、何小军、邬宁、王昌将

3典型桥梁截面

本章为建造一座经济耐用的正交异性钢面板桥提供了截面的基本标准，此标准包括总截面（整体）和板截面（局部）构造细节。文中对板的几何细节标准，如纵肋和横肋尺寸、间距和跨距等，进行了探讨。本章提供的标准适用于初步设计的截面布置。

正交异性钢板应视为一个结构组件模块，它们可以拼装成设计师所能构想出的任意几何形状的桥梁截面。事实上，正交异性钢板桥的建造为设计师构思一些其他结构所无法实现的截面提供了可能，例如宽单室箱梁截面。图3-1显示了由钢板模块组成此类截面的例子。截面类型非常宽泛这取决于设计师的创造才能。不管怎样，以下推荐的钢板模块构造细节有些来自于世界范围内的实践经验，这些经验已经在实验室和实际应用中得到成功验证。

图3-1模块结构的正交异性板箱梁桥截面示例，注意截面上重复布置的板块

3.1总体布置

在确定桥梁和面板的截面布置时最重要的考虑因素是可建造性、使用性和可检查性。钢板的接头和拼接缝设置必须成比例以利于制造、装卸、装配、船运和安装，面板的拼接接头应位于主轮迹带以外。由于正交异性板的制造在装配、焊接和扭转控制方面特别具有独特的挑战性，所以需要进行仔细的规划，关于这些方面在第六和第七章中有详尽的描述。有关钢桥建造的普遍规则也同样适用于正交异性板桥，不过，经常有一些因素推动我们尽量采用工厂预制而减少工地焊接。由于钢桥面板比同样截面的混凝土面板来得轻，所以采用较大截面的钢面板会是一种比较经济的选择。如果设计师想采用超出传统钢桥制造极限的截面布置，那么他们应和有意向的制造商就投入方面进行协商。

正交异性板为施工迅速的模块式多梁桥的发展提供了可能，这类桥梁包括小型闭合箱梁桥或开放式T梁桥（见第11章的设计实例1）。这些模块式梁在安装过程中非常稳定，并且桥面是预成型的，从而最大程度地缩短了施工时间。由于这些桥梁截面中没有了传统的横撑架，所以钢铁工人几乎不需做什么架高的安装工作。并且，一旦梁安装完成，会形成一个安全的工作平台，方便工人进入和材料的搬运。此外，施工这种桥梁比传统的现浇混凝土面板桥梁要更快，从而减少了施工期的交通拥堵。由于混凝土的养护要求，传统的现浇混凝土桥面板施工被认为是最费时的一道工序，现在将被简单的桥面铺装层所替代。

由于正交异性板桥的钢表面积较大，存在腐蚀的风险，因此在开发桥梁截面时必须考虑其使用性能。出于这个原因，最好采用能最大程度减少外露面积的封闭式截面。这样既可以最大程度地减少涂层系统的起始费用，还能减少未来的维护费用。世界上很多现代大跨径桥梁都采用单室箱梁截面，内部配备除湿系统（Sorensen,）。如果相对湿度维持在60%以下，那么有可能将不会发生内部腐蚀，按照这种设计思路，只需在内表面铺一层简单的涂层，这样涂过表面的相对湿度可以减少80%以上，从而具备足够的抗腐蚀性(Gimsing,)。

在选择总截面时，可检查性也是需要重点考虑的一个因素。由于大量的焊接构造细节，正交异性板较易发生疲劳损坏，因此必须通过日常检查来确定任何可能发生的裂缝，尤其在使用早期，关于这一问题在第八章有详细的论述。任何封闭箱梁的构造细节都应仔细设计，以便于检查人员进入。单室箱梁截面是便于这种检查的一个最佳选择，尽管箱梁的内部被认为是一个“有限空间”，检查人员需要经过特殊培训，但是对这种类型的桥梁可以在不中断交通的条件下方便地进行日常检查，更重要的是，如果有必要，可以近距离地对所有焊接构造细节进行检查。

3.2正交异性板构造细节

正交异性板通常分为开口肋或闭口肋体系（图3-2）。在任一体系中，纵肋沿桥梁的纵向布置，把轮载传递给横肋，并且增加主梁的抗弯刚度。如果纵肋沿横向布置，那么由于通过的车辆轮载产生的“搓板效应”，面层的耐久性会变差(Sadlacek,)。纵肋可以不连续地装配在横肋间，不过，现行的做法是通过横肋腹板处挖空使纵肋变连续（现行的美国焊接标准不允许有这种断续的连接）。承受直接轮载的正交异性板通常由闭口肋加劲，而其他结构组件如箱梁翼缘等既可以由闭口肋也可以由开口肋加劲。

图3-2正交异性板常用肋类型（闭口肋和开口肋）

横肋通常由焊接在一起的钢板做成，或呈倒T型的轧制截面，上翼缘由桥面板构成。横肋间距通常在3.05m至6.1m之间（10至20英尺），取决于所采用的纵肋体系。显然，增加横肋的间距可以节省因纵肋与横肋交叉而产生的昂贵费用。在少量的一些实例中采用了较长跨距的纵肋(Wolchuk,)，但是当交通量较大时，此种设计结构的性能尚未得到良好的验证。对于较长跨距的纵肋，纵横肋交叉处的疲劳应力很难控制。确定横肋间距时需要考虑的另一个因素是主梁的横向间距（即横梁的跨径），也就是说，若横梁跨径越大，横肋跨距也越大。

3.2.1开口肋体系

开口肋有平钢板（最常用）、球头钢板、焊接倒T截面，或角钢几种形式（见图3-2）。开口肋沿桥截面尺寸通常为9mmxm至25mmxmm(3/8英寸x8英寸至1英寸x12英寸)，中心间距大约mm至mm(12英寸至16英寸)。开口肋体系的跨距一般在1.52m至3.05m(5至10英尺)之间。

以往经验显示，开口肋比较容易制造，肋的尺寸也可以根据不同部位而定。开口肋的工地拼接也较为简单，并且开口肋面板底部比较容易进入，便于检查和维护。

开口肋体系主要有两个缺点，首先，它的抗扭刚度较闭口肋差。这意味着它在肋与相邻肋之间传递横向荷载如轮载的效率不是很高，这将导致所需纵肋的数量增多，横肋间距变小，从而每平方英尺较闭口肋需要更多的钢材。其次，开口肋体系所需的焊接总量也大约是闭口肋的二倍（即一对垂直的开口肋与面板需要4条焊缝，而与之相对应的闭口肋只需2条焊缝）。

尽管在现代的正交异性板桥设计中，对于受直接交通荷载的桥面板常常不使用开口肋（见3.2.2），开口肋仍然用于加劲箱梁腹板和下翼缘。由于易于弯曲，开口肋也用于曲线桥中。有时，开口肋也用在其他结构组件如护栏附近，为构件之间的连接提供空间。因此，在一些考虑经济性的设计中，常常综合使用开口肋和闭口肋。

3.2.2闭口肋体系

最常见的闭口肋类型有梯形肋、U形肋和V形肋（图3-2）。最常用的截面是梯形截面，这种截面最实用已经被工程师和钢铁业人士证实。

闭口肋与开口肋相比在几个方面具有优势。首先，闭口肋具有较高的抗扰和抗扭刚度，较高的抗扭刚度使得闭口肋能更好地传递集中横向荷载，从而减少桥面板上的应力。此外，闭口肋还具有焊缝少、扭转小、用钢少等优点。

闭口肋体系的建造中较为复杂的环节是纵肋的单面部分与面板熔透焊接，这种焊接容易产生疲劳，因此需要制造商在制造时始终如一的保持高质量。并且，由于其几何形状和固有的抗扭强度，闭口肋桥面板容易产生局部二次变形和应力，导致在纵肋与横肋交叉部位容易产生疲劳。此外，纵肋的工地拼接也比较复杂，因此在制造和现场安装中需要控制好公差以确保拼接完好。

尽管目前闭口肋体系趋于采用较大的跨距，但还必须考虑由此导致在横肋腹板处较大的挖空，从而对横肋的抗剪性能产生不良影响。另外，挠曲伴随较大的局部横向曲率将会使铺装层产生过早损坏。

3.2.3纵肋参数

通常我们在初步设计阶段（在进行任何分析或试验前）就必须选择好纵肋的间距、跨距、刚度和面板厚度。欧洲规范（ECS）中对这些参数的范围给出了通用的规则。一般地，纵肋的中对中间距不应超过mm（30英寸），纵肋壁间距mm(15英寸）,从而在横向为面板提供间距mm(15英寸）的均匀支撑，这样可以限制由轮载导致的面板局部弯曲和纵肋间差异位移，从而提高铺装层的寿命并减少纵肋与面板焊接处的应力。对于不承受交通荷载的钢板，纵肋可以布置得更开些。

如前所述，纵肋的跨距应尽量长些，同时又要控制它与横肋交叉处的应力在一个安全的水平。欧洲规范（ECS，）对于满足纵肋跨度的最小刚度，为我们提供了一些有用的准则(图3-3)，注意里面有两种限值，一种是针对于与梁腹板相邻的纵肋，另一种是远离梁的纵肋。与梁腹板相邻纵肋的刚度有必要加强，以防止梁处的铺装层产生裂缝。

图3-3欧洲规范中关于满足纵肋跨度功能最小刚度的规定

附录A提供了梯形闭口肋的截面尺寸，以便为初步设计时的尺寸确定和应力计算提供参考。可见，纵肋深度在mm至mm（8英寸至14英寸）之间，肋壁厚在6mm至11mm（1/4英寸至7/16英寸）之间,肋上口宽在mm至mm（/2英寸至/4英寸）之间，下翼缘宽度固定为mm（61/2英寸）。为了进一步地对合理的正交异性板纵肋参数的选择提供指导，图3-4给出了近几年世界范围内使用梯形纵肋的几个项目的纵肋详细参数，注意参数之间变化不大，因为这些应用实例已经得到验证，具有良好的经济性和使用性能。最终的详细尺寸，包括横肋尺寸和挖空的几何形状（如果有的话）必须经过试验和/或分析后才能确定，具体细节将在手册后面的章节中阐述。

图3-4近年来世界上使用正交异性板项目中的纵肋与横肋等尺寸示意图