公路钢箱梁桥正交异性钢桥面板构造尺寸及设计研究

2021-07-02武文祥

绿色环保建材 2021年6期

武文祥

云南省交通规划设计研究院有限公司

1 正交异性钢桥面板组成与构造

正交异性钢桥面板主要由连续的顶板、顶板下均匀布置的纵向加劲肋、横向加劲肋或横隔板等组成。纵腹板支撑的横向加劲肋或跨间隔板支撑纵向加劲肋及顶板。顶板纵向加劲肋通常布置较密，用于加劲受压顶板防止局部屈曲，为顶板提供足够的支撑提高顶板的局部刚度，改善桥面铺装受力，提高桥面铺装耐久性。横向加劲肋或跨间隔板可以布置较梳，跨间隔板间距应统筹考虑限制钢箱梁的畸变、横向弯曲变形、增加钢箱梁整体刚度，提高正交异性钢桥面板刚度及纵向加劲肋局部稳定性等因素。正交异性钢桥面板顶板一般采用平钢板。纵向加劲肋有开口加劲肋和闭口加劲肋两种形式，闭口加劲肋抗弯刚度、抗扭惯性距大，加劲效果好；开口截面加劲肋抗弯刚度、抗扭刚度小，对钢桥面系顶板地加劲效果不如闭口加劲肋好。顶板加劲肋是支撑桥面的重要构件，直线桥或平曲线半径较大桥钢箱梁桥行车道部分建议采用U型闭口加劲肋；平曲线半径较小时，从施工方便性及与横隔板的连接效果考虑，建议采用平钢板开口截面加劲肋。

为确保正交异性钢桥面板在荷载作用下不发生应力集中和不利的受力，充分发挥钢桥面板的材料强度及刚度，保证其疲劳耐久性及其上桥面铺装的受力和使用寿命，对钢桥面板每一个细部构造都必须合理设计，钢桥面的顶板、纵肋、横肋应具有合理的匹配性。正交异性钢桥面板构造细节及设计应重视强度、刚度两个方面。

2 主要文献、标准及规范对正交异性钢桥面的研究成果

2.1 钢桥面板的顶板厚度

钢桥面板顶板厚度主要由钢主梁应力、桥面板应力、钢桥面铺装的受力及耐久性确定，根据我国以往设计经验，我国有代表性的正交异性钢面顶板厚度均不小于14mm，其使用性能良好。《现代钢桥》[1]在总结国内外成功设计经验的基础上建议顶板厚度最好大于14mm；《桥梁钢结构细节设计》[2]依据桥面铺装厚度建议顶板厚度分别不小于14mm或16mm。

2.2 纵向加劲肋几何尺寸

目前国内对正交异性钢桥面板的受力性能研究任不充分，行车道范围内一般采用U型纵向加劲肋，其几何尺寸需要明确，在没有试验依据时不要轻易更改。我国公路钢桥桥面板U型加劲肋多为顶宽300mm、高280mm～300mm、底宽170mm～180mm、纵肋厚度8mm～10mm，间距一般为600mm。《正交异性钢桥面系统的设计和基本维护指南》[3]（报批稿）推荐的U型闭口加劲肋尺寸为300mm（顶口宽）×280mm（高）×8mm（板厚），斜度1:4.308，即底宽170mm。采用平钢板开口加劲肋时，加劲肋几何尺寸及间距可根据计算确定，通常为16mm（厚）×190mm（高）～25mm（厚）×300mm（高），间距一般不大于300mm。典型的纵向加劲肋断面形式及焊接细节如图1所示。

图1 典型的U型加劲肋及平钢板加劲肋断面（单位：mm）

2.3 横向加劲肋几何尺寸

横向加劲肋或隔板一般采用倒T形截面。采用闭口截面加劲肋时，国内以往设计经验横肋间距一般为2800mm～3000mm，纵肋处开孔以上高度与横肋总高度的比值不大于0.4。采用开口截面加劲肋时，横肋间距不宜大于2000mm。

2.4 我国现行规范对正交异性钢桥面板的规定

我国规范《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64—2015）[4]及《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》（JTG/T 3364—02—2019）[5]均规定行车道部分的钢桥面板顶板厚度t≥14mm。《公路钢结构桥梁设计规范》规定闭口加劲肋的厚度ts≥8mm。

中国规范为避免受压翼缘加劲肋间距过大，在考虑加劲板受压局部稳定性及剪力滞效应等因素对板件有效截面的折减而造成翼缘板抗压承载力降低、浪费材料，规定受压翼缘加劲肋间距不宜大于翼缘板厚度的40倍，公路桥梁荷载较大，此规定显而易见对于闭口加劲肋较为合理，开口加劲肋应慎重采用或按20倍执行较为合理。闭口加劲肋时横隔板或横肋间距≤4m。开口加劲肋时为≤3m。

3 正交异性钢桥面板刚度

3.1 桥面系总体刚度与顶板局部刚度

为改善钢桥面铺装的受力及提高其使用寿命，各国规范均对桥面系总体与钢桥面板顶板刚度提出了相应的要求。我国规范《公路钢结构桥梁设计规范》规定桥面板的局部刚度为在车辆荷载作用下桥面顶板的挠跨比≤1/700，未规定桥面板体系在最不利荷载作用下的曲率半径R（m）。《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》（JTG/T 3364—02—201）规定了在车辆荷载作用下桥面板局部挠度为≤0.4mm，桥面板体系在最不利荷载作用下的曲率半径R≥20m。AASHTO规定车辆荷载作用下相邻两加劲肋之间的最大挠度差≤2.5mm，两加劲肋之间的桥面板的最大挠跨比≤1/300，纵肋和横肋在车辆荷载作用下其挠跨比≤1/1000。《道路桥示方书》要求桥面板整体刚度在车辆荷载最不利位置作用下曲率半径≥20m以上，局部刚度为在车辆荷载作用下相邻两加劲肋之间桥面板的挠度≤0.4mm。

3.2 桥面板顶板刚度其他要求

车辆轨迹带附近布置纵腹板时，应控制腹板与纵向加劲肋之间的间距，控制横向隔板的间距及刚度，以有效减小腹板上方桥面铺装变形及横向应力，防止桥面铺装产生裂缝，提高桥面铺装耐久性。

4 正交异性钢桥面板纵横向加劲肋的刚度

加劲肋根据刚度可分为刚性加劲肋和柔性加劲肋两种形式，《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64－2015）明确要求钢箱梁受压翼缘的纵、横向加劲肋宜按刚性加设计。国外规范也有受压加劲板的纵横向加劲肋按刚性加劲肋设计要求，与中国规范相比只是计算过程略有差别，本文不再详述。正交异性钢桥面板加劲肋的布置均应在考虑前述构造、桥面系刚度的前提下优化几何尺寸、间距等，使之满足规范要求的刚性加劲肋的要求。U型加劲肋采用定型几何尺寸及间距，在合理设计腹板及横隔板间距的情况下，一般均能满足刚性加劲肋的要求。开口加劲肋由于刚度较小，为防止其不满足刚性加劲肋的要求，几何尺寸及其间距的拟定需特别注意。

5 正交异性钢桥面板的弹性稳定有效宽度

5.1 正交异性钢桥面板的弹性稳定有效宽度及面积

根据板的稳定理论，加劲肋的刚度及间距对板的弹性稳定承载力有影响。加劲肋的刚度满足规范中关于刚性加劲肋的要求时，受压正交异性钢桥面板为局部失稳，其有效宽度bpe，i为被加劲肋或腹板分割为np个板段长bi与受压加劲板局部稳定折减系数ρi的乘积，即bpe，i=biρi；有效面积为加劲板有效宽度面积与加劲肋面积的和。加劲肋的刚度不满足规范中关于刚性加劲肋的要求时，加劲肋为柔性加劲肋，正交异性钢桥面板失稳为整体失稳，其有效宽度为被腹板分割为n个板段长b与受压加劲板整体稳定折减系数ρ的乘积，有效面积为加劲板有效宽度面积与有效宽度范围内加劲肋面积的和。

5.2 正交异性钢桥面板的弹性稳定有效宽度及有效面积算例

基于规范公式在只改变加劲肋刚度的条件下，说明加劲肋钢柔性对正交异性钢桥面板有效宽度及有效面积的影响，计算结果见表1。正交异性钢桥面板如图2所示。

表1 正交异性钢桥面板的弹性稳定有效宽度及有效面积计算结果

图2 开口加劲肋正交异性钢桥面板断面（单位：mm）

表中：hstiff为加劲肋高度，tstiff为加劲肋腹板厚度，tD为桥面板厚度，ecrossb为横梁或横隔板间距，b为腹板间距，eLS为加劲肋间距，γ1为加劲肋的刚度比，为临界刚度比，ρ为加劲板的局部稳定折减系数或整体稳定折减系数，bep为考虑受压板加劲板整体稳定或局部稳定后的有效宽度，Aep为考受压板加劲板整体稳定或局部稳定后的有效面积，以上参数计算过程见规范。

从算例可以看出，无论纵向加劲肋为刚性加劲肋还是柔性加劲肋，只要加劲肋刚度相差不大，其加劲板有效宽度与有效面积相差不大，从本质上说明加劲肋刚度大小对加劲板弹性稳定承载力的影响，当时，继续增加加劲肋刚度已不能提高加劲板的弹性稳定承载力，时，增加加劲肋刚度可以提高加劲板的弹性稳定承载力。设计过程中平钢板加劲肋几何尺寸可以按第2～第4节的构造要求及研究成果初步拟定，按第5节的要求计算达到钢性加劲肋即可。