钢桥面板的发展

　　[摘要]介绍了钢桥面板的特点，重点回顾了全球钢桥面板的发展历程，指出了钢桥面板的发展过程中的疲劳问题，提出了钢桥面板的发展趋势。 　　[关键词]钢桥面板；发展历程；疲劳问题 　　1.钢桥面板的特点 　　钢桥面板由盖板和焊接于盖板上的纵、横肋组成。盖板厚度一般为12～18mm，盖板上面设置防水层和沥青混凝土铺装层。纵向加劲肋（简称纵肋）与主梁平行，其可以是开口肋，也可以是闭口肋，工程上一般采用抗扭性能好的闭口肋，纵肋的中心距一般为300～400mm，肋高一般为200～300mm，厚度为6～8mm。横向加劲肋（简称横肋）与主梁垂直，为了增大梁的整体刚度和荷载横向分布，需要增大横肋的尺寸，比如在箱梁里面会隔一定的距离设置横隔板。钢桥面板的构造如图1.1所示。 　　钢桥面板中，根据其纵向和横向单位宽度截面的刚度是否一样可以划分为正交异性板和正交同性板。工程上的钢桥面板主要是正交异性板，所谓正交异性板指相互垂直的两个方向上，其结构性能不同的板，具体是指两个方向上刚度不同。正交异性板又可以分成两类：一类是材料本身具有两垂直方向的不同弹性模量E，另一类是材料相同，但惯性矩I不同。与其他桥面相比，钢桥面板既能承受车辆轮载的直接作用，同时又参加主梁的共同工作，具有轻质、高强、极限承载能力大、施工速度快、适用范围广泛、经济性等优点，它的出现使钢桥结构的重量进一步减轻，有力的推动了钢桥结构向大跨度结构方向发展。 　　2.国内外钢桥面板的发展历程 　　2.1国外钢桥面板的发展 　　20世纪30年代，随着钢材的日益使用和焊接技术的运用，钢桥面板应运而生。美国钢结构协会（AISC）最初提出了使用钢板作为桥面板，将横梁作用于主梁上，纵梁搭放于横梁上，并将纵梁上翼缘边缘与钢面板之间用角焊缝相连。这样，桥面板就可以与纵梁一同受力，这就是“Battledeck”，钢桥面板的最初形式。上世纪30年代，德国率先开始研究用钢桥面板代替混凝土桥面板，以充分发挥钢桥面板的轻质、高强、经济、耐久性好的优点。1934年建成了世界上第一座钢桥面板连续板——Feldcoeg桥。Feldcoeg钢桥面板较Battledeck钢桥面板具有更多的优点。因为该钢桥面板作为纵梁和横梁的共同上翼缘，参与纵横方向的受力。而Battledeck钢桥面板只作为钢纵梁的上翼缘，仅参与纵梁受力。Feldcoeg钢桥面板与纵梁和横梁通过焊缝连接，横梁和纵梁相互嵌入，因而结构的高度较Battledeck低，自重也相应的降低很多，因而其可以看作现代钢桥的真正起源。1950年，西德修复了采用正交异性钢板作为桥面板的第一座实腹钢梁桥Kurpfalz桥。相比其老桥，修复后的新桥自重已大大减轻，且承载能力有所提高，经济效益明显得到改善。1951德国修复了世界上第一座采用钢桥面板结构的悬索桥cologne　Muelheim桥。1954年，德国修建了世界上第一个采用闭口加劲肋钢桥面板结构的桥梁Porta桥。1957年，西德建成了世界上第一座采用钢桥面板结构的斜拉桥Duesseldorf　North桥。1964年，加拿大温哥华建成了世界上第一座采用钢桥面板结构的中承式系杆拱桥Port　Mann桥。1966年，英国修建了世界上第一座采用正交异性钢桥面板扁平钢箱加劲梁的索支撑桥梁。1999年，日本建成主跨度1991m，世界上跨度最大的梁桥明石海峡大桥等。以上这些桥例充分的表明了钢桥结构向大跨度结构方向发展的内在潜力以及钢桥面板所表现的前所未有的竞争力。 　　2.2国内钢桥面板的发展 　　国内自20世纪70年代引入采用钢桥面板建桥的技术以来，钢桥面板的发展十分的迅猛，1996年国内自主设计了第一座全焊接钢箱梁悬索桥西陵长江大桥、1997年修建了采用钢箱加劲梁的悬索广东虎门大桥。1999年的悬索江阴长江大桥、2000年的三跨斜拉芜湖长江大桥、2001年的双塔双索面钢箱梁斜拉桥南京长江二桥、2009年的三跨连续中承式钢桁系杆拱桥的朝天门长江大桥、2009年的世界上跨度最大的公路铁路两用的斜拉桥天兴洲长江大桥、2009年的六跨连续钢桁拱桥的南京大胜关长江大桥等等都充分展示了钢桥面板的竞争力，钢桥面板能广泛运用到钢板梁桥、钢箱梁桥、桁梁桥、拱桥、悬索桥和斜拉桥等各种桥梁结构形式以及其表现出来的生命力。 　　3.钢桥面板发展过程中的问题 　　近年来，国内外修建了大量的采用钢桥面板作为桥面系的桥梁。在多年甚至几年的使用后，这些桥梁显露出耐久性差、锈蚀、开裂、疲劳等问题，其中疲劳问题是钢桥面板发展过程中的主要问题。正交异性板构造极其复杂，焊缝数量多，制造工艺难度高，现场组装精度要求高，焊接产生的残余应力高，结构本身存在初始缺陷，再加上桥面板直接承受荷载的反复作用等等，在这些因素的影响下，正交异性板容易产生疲劳破坏。自从广泛应用钢桥以来，国内外许多国家都发生了钢桥裂缝事故，带给国家和人们深重的灾难，也让桥梁建设者们开始深思钢桥面板的疲劳问题。 　　在车轮荷载的反复作用下，钢桥面板发生变形，纵肋、横肋是直接焊接在桥面板上的，它们和焊缝也都要随着桥面板的变形而变形，由于焊接产生的残余应力大，经过一段反复荷载作用后，焊缝周围区域开始出现裂纹，接着裂纹缓慢扩展，最后迅速断裂而破坏。疲劳破坏是突然发生的破坏，也属于反复荷载作用下的胞性破坏。由于它破坏前没有什么症状，所以一旦破坏，将带来严重的灾难。疲劳问题已成为正交异性钢桥面板桥梁中的严重的问题，是亟待解决的问题，也是当今桥梁专家们研究如何将正交异性板更好改进和发挥的热点问题。 　　4.钢桥面板的发展趋势 　　针对发生的疲劳问题，桥梁专家们提出了各种建设性意见。主要在钢桥面板构造方面进行改进。对正交异性面板的各部分构造尺寸进行合理设计、现场焊接组装进行严格控制、制造加工进行试验总结以减少疲劳裂纹的产生，提高钢桥面板的耐久性，延长钢桥的使用年限。 　　钢桥面板较其他桥面板具有结构轻、承载能力强、施工方便，适用广泛等优点。它的发展前景必定是充满希望。未来桥梁的发展方向是朝更大跨度发展。比如跨越大江河流、高山峡谷、甚至是海洋，相比之下，正交异性钢桥面板更能充分发挥其承载能力强，跨越能力大的优点。同时，正交异性钢桥面板较其他钢桥面板能大大减轻重量，具有经济性的优点。未来桥梁结构形式将多姿多彩，正交异性板能广泛运用到刚架桥、拱桥、系杆拱桥、简支梁桥、连续梁桥、T构桥、斜拉桥、悬索桥等各种桥型中。总之钢桥面板具有其他面板没有的优越性，未来的桥梁建设的发展就是充分发挥钢桥面板的内在潜能，使中国桥梁向跨度更大，承载能力更高，耐久性更好，外在形式更美观的方向发展。在未来，正交异性板将显示出其独特的生命力。 　　作者简介： 　　马宇平（1988-），女，学生，西南交通大学，四川，成都。