公路鋼箱梁橋正交異性鋼橋面板構造尺寸及設計研究

武文祥

云南省交通規劃設計研究院有限公司

1 正交異性鋼橋面板組成與構造

正交異性鋼橋面板主要由連續的頂板、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，跨間隔板間距應統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；開口截面加勁肋抗彎剛度、抗扭剛度小，對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，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生應力集中和不利的受力，充分發揮鋼橋面板的材料強度及剛度，保證其疲勞耐久性及其上橋面鋪裝的受力和使用壽命，對鋼橋面板每一個細部構造都必須合理設計，鋼橋面的頂板、縱肋、橫肋應具有合理的匹配性。正交異性鋼橋面板構造細節及設計應重視強度、剛度兩個方面。

2 主要文獻、標準及規范對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力、橋面板應力、鋼橋面鋪裝的受力及耐久性確定，根據我國以往設計經驗，我國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。《現代鋼橋》[1]在總結國內外成功設計經驗的基礎上建議頂板厚度最好大于14mm；《橋梁鋼結構細節設計》[2]依據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

目前國內對正交異性鋼橋面板的受力性能研究任不充分，行車道范圍內一般采用U型縱向加勁肋，其幾何尺寸需要明確，在沒有試驗依據時不要輕易更改。我國公路鋼橋橋面板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。《正交異性鋼橋面系統的設計和基本維護指南》[3]（報批稿）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。采用平鋼板開口加勁肋時，加勁肋幾何尺寸及間距可根據計算確定，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節如圖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，國內以往設計經驗橫肋間距一般為2800mm～3000mm，縱肋處開孔以上高度與橫肋總高度的比值不大于0.4。采用開口截面加勁肋時，橫肋間距不宜大于2000mm。

2.4 我國現行規范對正交異性鋼橋面板的規定

我國規范《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTGD64—2015）[4]及《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》（JTG/T 3364—02—2019）[5]均規定行車道部分的鋼橋面板頂板厚度t≥14mm。《公路鋼結構橋梁設計規范》規定閉口加勁肋的厚度ts≥8mm。

中國規范為避免受壓翼緣加勁肋間距過大，在考慮加勁板受壓局部穩定性及剪力滯效應等因素對板件有效截面的折減而造成翼緣板抗壓承載力降低、浪費材料，規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，此規定顯而易見對于閉口加勁肋較為合理，開口加勁肋應慎重采用或按20倍執行較為合理。閉口加勁肋時橫隔板或橫肋間距≤4m。開口加勁肋時為≤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，各國規范均對橋面系總體與鋼橋面板頂板剛度提出了相應的要求。我國規范《公路鋼結構橋梁設計規范》規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，未規定橋面板體系在最不利荷載作用下的曲率半徑R（m）。《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》（JTG/T 3364—02—201）規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。《道路橋示方書》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，應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力，防止橋面鋪裝產生裂縫，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

加勁肋根據剛度可分為剛性加勁肋和柔性加勁肋兩種形式，《公路鋼結構橋梁設計規范》（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計。國外規范也有受壓加勁板的縱橫向加勁肋按剛性加勁肋設計要求，與中國規范相比只是計算過程略有差別，本文不再詳述。正交異性鋼橋面板加勁肋的布置均應在考慮前述構造、橋面系剛度的前提下優化幾何尺寸、間距等，使之滿足規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，在合理設計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定有效寬度

5.1 正交異性鋼橋面板的彈性穩定有效寬度及面積

根據板的穩定理論，加勁肋的剛度及間距對板的彈性穩定承載力有影響。加勁肋的剛度滿足規范中關于剛性加勁肋的要求時，受壓正交異性鋼橋面板為局部失穩，其有效寬度bpe，i為被加勁肋或腹板分割為np個板段長bi與受壓加勁板局部穩定折減系數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范中關于剛性加勁肋的要求時，加勁肋為柔性加勁肋，正交異性鋼橋面板失穩為整體失穩，其有效寬度為被腹板分割為n個板段長b與受壓加勁板整體穩定折減系數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加勁肋面積的和。

5.2 正交異性鋼橋面板的彈性穩定有效寬度及有效面積算例

基于規范公式在只改變加勁肋剛度的條件下，說明加勁肋鋼柔性對正交異性鋼橋面板有效寬度及有效面積的影響，計算結果見表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定有效寬度及有效面積計算結果

圖2 開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為加勁板的局部穩定折減系數或整體穩定折減系數，bep為考慮受壓板加勁板整體穩定或局部穩定后的有效寬度，Aep為考受壓板加勁板整體穩定或局部穩定后的有效面積，以上參數計算過程見規范。

從算例可以看出，無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，從本質上說明加勁肋剛度大小對加勁板彈性穩定承載力的影響，當時，繼續增加加勁肋剛度已不能提高加勁板的彈性穩定承載力，時，增加加勁肋剛度可以提高加勁板的彈性穩定承載力。設計過程中平鋼板加勁肋幾何尺寸可以按第2～第4節的構造要求及研究成果初步擬定，按第5節的要求計算達到鋼性加勁肋即可。

6 結束語

本文通過梳理各主要國家正交異性鋼橋面板設計規范成果，便于設計人員更好地理解與應用我國規范設計公路鋼箱梁橋的正交異性鋼橋面板，以保證所設計的公路鋼箱梁橋受力合理、節約鋼材、疲勞性能及耐久良好。