武文祥

云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 正交異性鋼橋面板組成與構(gòu)造

正交異性鋼橋面板主要由連續(xù)的頂板、頂板下均勻布置的縱向加勁肋、橫向加勁肋或橫隔板等組成。縱腹板支撐的橫向加勁肋或跨間隔板支撐縱向加勁肋及頂板。頂板縱向加勁肋通常布置較密，用于加勁受壓頂板防止局部屈曲，為頂板提供足夠的支撐提高頂板的局部剛度，改善橋面鋪裝受力，提高橋面鋪裝耐久性。橫向加勁肋或跨間隔板可以布置較梳，跨間隔板間距應(yīng)統(tǒng)籌考慮限制鋼箱梁的畸變、橫向彎曲變形、增加鋼箱梁整體剛度，提高正交異性鋼橋面板剛度及縱向加勁肋局部穩(wěn)定性等因素。正交異性鋼橋面板頂板一般采用平鋼板。縱向加勁肋有開(kāi)口加勁肋和閉口加勁肋兩種形式，閉口加勁肋抗彎剛度、抗扭慣性距大，加勁效果好；開(kāi)口截面加勁肋抗彎剛度、抗扭剛度小，對(duì)鋼橋面系頂板地加勁效果不如閉口加勁肋好。頂板加勁肋是支撐橋面的重要構(gòu)件，直線橋或平曲線半徑較大橋鋼箱梁橋行車道部分建議采用U型閉口加勁肋；平曲線半徑較小時(shí)，從施工方便性及與橫隔板的連接效果考慮，建議采用平鋼板開(kāi)口截面加勁肋。

為確保正交異性鋼橋面板在荷載作用下不發(fā)生應(yīng)力集中和不利的受力，充分發(fā)揮鋼橋面板的材料強(qiáng)度及剛度，保證其疲勞耐久性及其上橋面鋪裝的受力和使用壽命，對(duì)鋼橋面板每一個(gè)細(xì)部構(gòu)造都必須合理設(shè)計(jì)，鋼橋面的頂板、縱肋、橫肋應(yīng)具有合理的匹配性。正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)及設(shè)計(jì)應(yīng)重視強(qiáng)度、剛度兩個(gè)方面。

2 主要文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范對(duì)正交異性鋼橋面的研究成果

2.1 鋼橋面板的頂板厚度

鋼橋面板頂板厚度主要由鋼主梁應(yīng)力、橋面板應(yīng)力、鋼橋面鋪裝的受力及耐久性確定，根據(jù)我國(guó)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)有代表性的正交異性鋼面頂板厚度均不小于14mm，其使用性能良好?！冬F(xiàn)代鋼橋》[1]在總結(jié)國(guó)內(nèi)外成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建議頂板厚度最好大于14mm；《橋梁鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)》[2]依據(jù)橋面鋪裝厚度建議頂板厚度分別不小于14mm或16mm。

2.2 縱向加勁肋幾何尺寸

目前國(guó)內(nèi)對(duì)正交異性鋼橋面板的受力性能研究任不充分，行車道范圍內(nèi)一般采用U型縱向加勁肋，其幾何尺寸需要明確，在沒(méi)有試驗(yàn)依據(jù)時(shí)不要輕易更改。我國(guó)公路鋼橋橋面板U型加勁肋多為頂寬300mm、高280mm～300mm、底寬170mm～180mm、縱肋厚度8mm～10mm，間距一般為600mm?！墩划愋凿摌蛎嫦到y(tǒng)的設(shè)計(jì)和基本維護(hù)指南》[3]（報(bào)批稿）推薦的U型閉口加勁肋尺寸為300mm（頂口寬）×280mm（高）×8mm（板厚），斜度1:4.308，即底寬170mm。采用平鋼板開(kāi)口加勁肋時(shí)，加勁肋幾何尺寸及間距可根據(jù)計(jì)算確定，通常為16mm（厚）×190mm（高）～25mm（厚）×300mm（高），間距一般不大于300mm。典型的縱向加勁肋斷面形式及焊接細(xì)節(jié)如圖1所示。

圖1 典型的U型加勁肋及平鋼板加勁肋斷面（單位：mm）

2.3 橫向加勁肋幾何尺寸

橫向加勁肋或隔板一般采用倒T形截面。采用閉口截面加勁肋時(shí)，國(guó)內(nèi)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)橫肋間距一般為2800mm～3000mm，縱肋處開(kāi)孔以上高度與橫肋總高度的比值不大于0.4。采用開(kāi)口截面加勁肋時(shí)，橫肋間距不宜大于2000mm。

2.4 我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)正交異性鋼橋面板的規(guī)定

我國(guó)規(guī)范《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD64—2015）[4]及《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3364—02—2019）[5]均規(guī)定行車道部分的鋼橋面板頂板厚度t≥14mm?！豆蜂摻Y(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定閉口加勁肋的厚度ts≥8mm。

中國(guó)規(guī)范為避免受壓翼緣加勁肋間距過(guò)大，在考慮加勁板受壓局部穩(wěn)定性及剪力滯效應(yīng)等因素對(duì)板件有效截面的折減而造成翼緣板抗壓承載力降低、浪費(fèi)材料，規(guī)定受壓翼緣加勁肋間距不宜大于翼緣板厚度的40倍，公路橋梁荷載較大，此規(guī)定顯而易見(jiàn)對(duì)于閉口加勁肋較為合理，開(kāi)口加勁肋應(yīng)慎重采用或按20倍執(zhí)行較為合理。閉口加勁肋時(shí)橫隔板或橫肋間距≤4m。開(kāi)口加勁肋時(shí)為≤3m。

3 正交異性鋼橋面板剛度

3.1 橋面系總體剛度與頂板局部剛度

為改善鋼橋面鋪裝的受力及提高其使用壽命，各國(guó)規(guī)范均對(duì)橋面系總體與鋼橋面板頂板剛度提出了相應(yīng)的要求。我國(guó)規(guī)范《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定橋面板的局部剛度為在車輛荷載作用下橋面頂板的撓跨比≤1/700，未規(guī)定橋面板體系在最不利荷載作用下的曲率半徑R（m）?！豆蜂摌蛎驿佈b設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3364—02—201）規(guī)定了在車輛荷載作用下橋面板局部撓度為≤0.4mm，橋面板體系在最不利荷載作用下的曲率半徑R≥20m。AASHTO規(guī)定車輛荷載作用下相鄰兩加勁肋之間的最大撓度差≤2.5mm，兩加勁肋之間的橋面板的最大撓跨比≤1/300，縱肋和橫肋在車輛荷載作用下其撓跨比≤1/1000?！兜缆窐蚴痉綍?shū)》要求橋面板整體剛度在車輛荷載最不利位置作用下曲率半徑≥20m以上，局部剛度為在車輛荷載作用下相鄰兩加勁肋之間橋面板的撓度≤0.4mm。

3.2 橋面板頂板剛度其他要求

車輛軌跡帶附近布置縱腹板時(shí)，應(yīng)控制腹板與縱向加勁肋之間的間距，控制橫向隔板的間距及剛度，以有效減小腹板上方橋面鋪裝變形及橫向應(yīng)力，防止橋面鋪裝產(chǎn)生裂縫，提高橋面鋪裝耐久性。

4 正交異性鋼橋面板縱橫向加勁肋的剛度

加勁肋根據(jù)剛度可分為剛性加勁肋和柔性加勁肋兩種形式，《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD64－2015）明確要求鋼箱梁受壓翼緣的縱、橫向加勁肋宜按剛性加設(shè)計(jì)。國(guó)外規(guī)范也有受壓加勁板的縱橫向加勁肋按剛性加勁肋設(shè)計(jì)要求，與中國(guó)規(guī)范相比只是計(jì)算過(guò)程略有差別，本文不再詳述。正交異性鋼橋面板加勁肋的布置均應(yīng)在考慮前述構(gòu)造、橋面系剛度的前提下優(yōu)化幾何尺寸、間距等，使之滿足規(guī)范要求的剛性加勁肋的要求。U型加勁肋采用定型幾何尺寸及間距，在合理設(shè)計(jì)腹板及橫隔板間距的情況下，一般均能滿足剛性加勁肋的要求。開(kāi)口加勁肋由于剛度較小，為防止其不滿足剛性加勁肋的要求，幾何尺寸及其間距的擬定需特別注意。

5 正交異性鋼橋面板的彈性穩(wěn)定有效寬度

5.1 正交異性鋼橋面板的彈性穩(wěn)定有效寬度及面積

根據(jù)板的穩(wěn)定理論，加勁肋的剛度及間距對(duì)板的彈性穩(wěn)定承載力有影響。加勁肋的剛度滿足規(guī)范中關(guān)于剛性加勁肋的要求時(shí)，受壓正交異性鋼橋面板為局部失穩(wěn)，其有效寬度bpe，i為被加勁肋或腹板分割為np個(gè)板段長(zhǎng)bi與受壓加勁板局部穩(wěn)定折減系數(shù)ρi的乘積，即bpe，i=biρi；有效面積為加勁板有效寬度面積與加勁肋面積的和。加勁肋的剛度不滿足規(guī)范中關(guān)于剛性加勁肋的要求時(shí)，加勁肋為柔性加勁肋，正交異性鋼橋面板失穩(wěn)為整體失穩(wěn)，其有效寬度為被腹板分割為n個(gè)板段長(zhǎng)b與受壓加勁板整體穩(wěn)定折減系數(shù)ρ的乘積，有效面積為加勁板有效寬度面積與有效寬度范圍內(nèi)加勁肋面積的和。

5.2 正交異性鋼橋面板的彈性穩(wěn)定有效寬度及有效面積算例

基于規(guī)范公式在只改變加勁肋剛度的條件下，說(shuō)明加勁肋鋼柔性對(duì)正交異性鋼橋面板有效寬度及有效面積的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。正交異性鋼橋面板如圖2所示。

表1 正交異性鋼橋面板的彈性穩(wěn)定有效寬度及有效面積計(jì)算結(jié)果

圖2 開(kāi)口加勁肋正交異性鋼橋面板斷面（單位：mm）

表中：hstiff為加勁肋高度，tstiff為加勁肋腹板厚度，tD為橋面板厚度，ecrossb為橫梁或橫隔板間距，b為腹板間距，eLS為加勁肋間距，γ1為加勁肋的剛度比，為臨界剛度比，ρ為加勁板的局部穩(wěn)定折減系數(shù)或整體穩(wěn)定折減系數(shù)，bep為考慮受壓板加勁板整體穩(wěn)定或局部穩(wěn)定后的有效寬度，Aep為考受壓板加勁板整體穩(wěn)定或局部穩(wěn)定后的有效面積，以上參數(shù)計(jì)算過(guò)程見(jiàn)規(guī)范。

從算例可以看出，無(wú)論縱向加勁肋為剛性加勁肋還是柔性加勁肋，只要加勁肋剛度相差不大，其加勁板有效寬度與有效面積相差不大，從本質(zhì)上說(shuō)明加勁肋剛度大小對(duì)加勁板彈性穩(wěn)定承載力的影響，當(dāng)時(shí)，繼續(xù)增加加勁肋剛度已不能提高加勁板的彈性穩(wěn)定承載力，時(shí)，增加加勁肋剛度可以提高加勁板的彈性穩(wěn)定承載力。設(shè)計(jì)過(guò)程中平鋼板加勁肋幾何尺寸可以按第2～第4節(jié)的構(gòu)造要求及研究成果初步擬定，按第5節(jié)的要求計(jì)算達(dá)到鋼性加勁肋即可。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)梳理各主要國(guó)家正交異性鋼橋面板設(shè)計(jì)規(guī)范成果，便于設(shè)計(jì)人員更好地理解與應(yīng)用我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)公路鋼箱梁橋的正交異性鋼橋面板，以保證所設(shè)計(jì)的公路鋼箱梁橋受力合理、節(jié)約鋼材、疲勞性能及耐久良好。