正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史（三）
发布时间：2008-04-25 作者：钱冬生
摘要：介绍了正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史。
4 、英国的塞文桥——它在1966 年的胜利建成，与在1991 年的整修完竣
塞文桥在1966 年的建成，是当时桥梁界的一大盛事。它总长约3km ；包括： Wye 斜拉桥（主跨234.7m ）、引桥（跨度61.7~ 64.0m 连续钢箱紧）和正桥（主跨988m 的悬索桥）。它的悬索桥第一次使用流线形的扁钢箱加劲梁，这是由风洞试验认识到它的实用价值的（阻力系数小、对风致振动的反应较优），其加劲梁钢面板厚11.50mm ，纵肋为闭口的梯形，肋厚6.4mm ，肋的高度228mm ，纵肋的中心距为610mm ，纵肋跨度（横肋中距）用到4.57m 。横肋板厚 6.4mm ，高度为3m （从桥面板到箱底板，它实际上就是横隔板）。这加劲梁又第一次使用全焊钢结构，因耽心它在振动时的阻尼系数要比铆接结构为小（注：对桥面辅装的阻尼作用当时还缺乏认识），不利于抑制振动，乃将其吊索从竖置改为呈V 字形的斜置，因为，斜置吊索当桥振动时所受的拉力有脉动，这一脉动将使其钢绞线时松时紧，由此而对振动产生阻尼。对于塔柱，它又第一次采用了矩形单箱式；而且对于柱的工地水平接头，不是用拼接板及高强栓作连接，而是靠承压传力，并用20 根φ 50mm 高强栓在竖向将上下拉紧（用以抵抗施工荷载）；这使每塔用钢量仅是1200t 。对于塔顶主鞍，又第一次采用了全焊式。[8] ：127~139 在施工方面，也是非常俭省。加劲梁的制造，是分为88 个节段，每个节段再分为若干板件；将板件在工厂预制完成后，运到一造船厂的滑道附近，在滑道上进行节段的拼装；在滑道长度方面只需其能保留三个节段，每当向上再拼装一个新节段时，就先将最下一个节段
滑到水中。为了节段能够浮运，在其开口端加一5mm 厚的封头钢板，将封头钢板上缘与纵肋相焊。浮在水上的节段就用拖船拖到工地附近，在水面储存着，这就省去了储存场地。待到架梁时，就将各节段拖到桥位。这时，节段因浸水太久，表面已积有污垢。在用缆上起重装置将它吊出水面后，必须射水冲洗。典型节段重量是130t 。从1964 年10 月到1966 年3 月，由于潮位不合适或天气不好而颇有延误，但总算将88 个节段架设完成。在那时，英国因二次世界大战遭受破坏，还处于财力拮据状态，在当时的技术水平下，能够取得这样的成果，确是不容易。
所存在的问题，一是疲劳，二是设计荷载取值过低，三是对箱形梁承受局部力之处不够重视。
关于正交异性板的疲劳，以往虽曾进行过一些疲劳试验，但其成果远远不够制订设计规则之用。塞文桥加劲梁节段由于需要它能浮在水上而加了封头板，并让封头板与纵肋相焊，这就在纵肋在焊有封头板处造成应力集中，在这桥开通5 年、即1971 年，发现其处疲劳开裂。几经研究，最后决定对其裂缝过大处，在纵肋上开一洞，再在其处肋身内外加拼接板，用高强栓将拼接板同肋相连，形成接头，借使这种开裂得以补板。这桥的纵肋端头与横肋的焊接，是用6mm 角焊缝；1977 年，发现在这种焊缝处开裂。经过试验研究，决定在纵肋端头之下，用8mm × 40mm 薄钢片在加热后绕着纵肋，并让其一边贴着横肋，再用焊接将薄钢片两边分别连于横肋与纵肋，凭薄钢片加固这一接头。这桥纵肋与桥面板的连接，原是用6mm 角焊缝，从1977 年起也发现其有裂纹。经过试验研究，认为：用角焊缝是行的，但需让焊脚从6mm 放大到9mm 。当经进行工艺研究，决定将需要修补之处，铣去焊缝，并让铣出的纵肋竖向面尺寸达9mm ，随后再用手工焊三趟，使角焊缝焊脚达到9mm 。经过18 个月的日夜奋战，这项修补工作终于完成。
TRRL （ Transport and Road Research Laboratory ，运输和道路试验研究所）在1990 年发表其259 号研究报告，标题是Fatigue classification of welded joints in orthotropic steel bridge decks ( 钢正交异性板焊接连接处的疲劳等级) ，作者为Cuninghame TR 。标题内的疲劳等级，是指BS5400 所用的区分疲劳强度的等级。按照计算，若等级不低于D ，则按BS5400 所讲的基本原理推算的疲劳寿命不会少于120 年。这样，疲劳验算就不会控制。因此，进行疲劳试验的目的，可以归结为确定其疲劳等级。这个研究报告将正交异性板需要进行疲劳验算的接头选定为6 种；并将纵肋与横肋的焊接分为两种进行试验：一种是（塞文桥使用的）老式样，纵肋端头与横肋相焊，让焊缝传递其处的全部内力；另一种是让纵肋在横肋开孔内连续穿过，让角焊缝仅传递纵肋的竖向反力（剪力）。试验结果是：塞文桥所用的老式样达不到D 级，而新式样且让横肋在纵肋上缘处不开圆孔者则可达到D 级。其横肋之开圆孔者虽然按疲劳试件（没有铺装层者）试验结果达不到 D 级，但在实桥（有铺装层者）的运营之中，却不曾遇到疲劳开裂。经对一座实桥测读该处活载的应力变化幅度，发觉：当温度为7.6 ℃时，实测应力值只是按钢结构（没有铺装层者）计算值的一半。对于其他5 种接头，一般均不低于D 级。虽然这一研究报告没有能将有铺装层的正交异性钢桥面板包括在内，但它已弥补了BS5400 第10 篇疲劳设计的不足，是很有价值的。
塞文悬索桥的吊索钢绞线，在1977 年就发现其在长度较短者的锚头处有钢丝开裂。这一则是由于当初对设计活荷载取值过小，再则由于对锚头构造细节未曾精心设计。在整修中，将钢绞线直径一律从53mm 增至65mm 。在锚头的钢绞线钢丝散开处，一律用氯丁二烯制造的缓冲构造控制其处钢丝的曲率变化。还在锚头中心设一注油管，让润滑油通到钢丝散开处。对于较长的吊索，为抑制其振动波的幅度，还装置了减振器。
大致从1970 年开始，货运汽车重量就不断发展，而且，它们往往结队运行。因此，设计活荷载应重新制订。塞文桥的活荷载，原是照BS153 取值。1978 年，BS5400 第二篇荷载规范颁行，其值提高不少。1988 年，英国运输部发布部标准，即公路桥荷载规范BD37/88 ，其规定乃更加符合实际。由于塞文桥的全面整修开始于1985 年，所取用的检算汽车荷载就只能在BS5400 的基础上进行调研制定。双向四线，在加载长度很大时的均布活载值，竟达原设计所取值的2.8 倍。这使大缆、塔、锚碇，加劲梁四者都应检算。大缆和锚碇，都难于加固，只好降低其安全系数。加劲梁的强度检算不控制。单箱矩形截面的塔柱是由有纵肋加劲的4 块板件组成，这些板件承受了巨大的恒载应力。若用补强材料增大其截面，则补强材料很难承担恒载应力。于是，只好在箱内四角，各添一φ 406mm 钢管，钢管分成6m 长的节段，在箱内接成全高；每6m 给钢管设一支撑（以柱壁为根），以缩小其自由长度；用千斤顶使钢管接受压力。钢管上端顶紧主鞍座（在鞍座内部用钢结构将鞍槽所受的压力传到4 根钢管）、下端顶紧混凝土桥墩。在施工过程中，用应变计检测各部件所受应力，以确保整修质量。为这些塔柱加固所增添的钢材，达原塔柱用钢量的32% 。
塞文悬索桥是三跨两铰式，主跨及边跨加劲梁都是两端简支。为制止邻跨间的碰撞，原应在各跨两端设置水平的纵向止撞柱，借能凭借止撞柱顶紧使桥面伸缩缝及箱梁端部得到保护。但原设计将止撞柱省去了。在整修之中，便在各跨梁端，在箱梁之内，各加一段纵向腹板，再沿腹板设置止撞柱，还在梁端外侧设置能传递冲撞力的设施。另外，对梁的某些段落讲，让横肋（横隔板）间距为4.57m 也嫌过大，乃在整修时在其间距之中增添一横肋。对于桥上有车时的风力，现在因为车重增加了，为检算荷载组合的效应，也应对各种风力的
频率认真调研。随后，为整修后的塞文悬索桥制订了下列行车管理规则：当风速为20 m/s 时，开始让4 线通行转变为2 线通行；当风速为28 m/s 时，开始让二线通行转变为停止通行。[9]:64
关于这桥整修的经过，见Proc. Inst.CE.Structures and Buildings,Feb.1992
PP1~60 。
5 、大贝耳特海峡东桥在1998 年的建成，以及其箱梁用于钢桥的当代水平
丹麦的大贝耳特海峡东桥，开工于1991 年冬季，竣工于1998 年6 月。在它的引桥中，有跨度193mm 的连续钢箱梁19 孔。在它的悬索桥中，有连续长度达2694m 的加劲梁。
这桥是位于公路线上；因为它并不靠近大城市，桥上的活荷载相对较轻，这就需要先进行一次调研。这桥是按双向四线布置；车道宽度为2 × 11.5m 。在调研后作出决定：对于引桥，因其跨度小于500m ，其活荷载是在一幅车道的靠外3m 宽度为5kN/m 2 、其余8.5m 宽度为 2.5kN/m 2 ，另幅车道11.5m 宽度内为 2.5 kN/m 2 。对于悬索桥加劲梁，由于跨度大于500m ，其活荷载是在一幅车道内按引桥所用的重载施加（即：外侧3m 为 5 kN/m 2 ，其余8.5m 宽度内为2.5 kN/m 2 ），另幅车道11.5m 为1.0kN/m 2 。
引桥的横截面在全长范围内的几何尺寸相等，如图5-1 ，呈梯形。桥面钢板厚
12~18mm ，箱底板厚10~30mm ，腹板厚10~20mm 。桥面纵肋为闭口的梯形，肋厚6~9mm ，高300mm ，纵肋中心距600mm ；其跨度（即横肋中心距）为4.0m 。箱梁高度为7.1m ，横联取桁架式，其上弦就用作横肋。在箱梁的中轴线设一中央腹板，
这一方面是用于改善面板及底板的剪力滞，另一方面是在这些梁当遇到船舶甲板舱意外撞击而局部破损时，梁仍有足够的抗扭及抗剪能力，不会垮台。
对于有沥青铺装的桥面板，经制成试件，并在不同温度、用不同速度加载进行了疲劳试验。试验证明：当温度为20 ℃时，活荷载所生的疲劳可以保守地按将铺装换算为6mm 厚的钢板来验算（注：当钢面板厚12mm 时，可以用厚18mm 钢面板来计算纵肋应力，并用之于疲劳验算）。
由于高跨比偏小（7.1/193=1/27.2 ），梁的柔性较大，导致涡激振动过大。经用调谐调质阻尼器进行抑制。
钢箱梁的表面积，大约有75% 是在箱梁之内。对于箱梁之内的防锈，塞文桥仍是用老办法。这桥就完全使用了除湿防锈法。事实证明，当相对湿度保持在60% 以下时，锈蚀就不可能进行。
每一跨度193m 的钢箱梁重量为2380t 。用两艘起吊船将它起吊到位。为了控制自重所生弯矩，应将新到位梁段的前端抬高3.9m ，并将其后端与早已在位的梁段前端相焊接。在焊好之后，再让新到位梁段前端落下。这样，恒载应力的调整就实现了。
加劲梁的横载面，如图5-2 。呈流线形，这使其风致振动性能较优。箱高4.0m ，这可以使其对扭转的抗力符合振动稳定要求。因为引桥钢梁和加劲梁的制造商是同一个，其正交异性板尺寸就应与引桥所用者尽量相同。钢面板厚12mm ，纵肋为闭口梯形，厚
6mm ，高300mm 。纵肋中心距600mm ，其跨度（横肋中心距）为4.0m （仅在主塔附近，为抵抗梁所承受的横向压力，将横肋中心距改为3.0m ）。横联取桁架式，将其上弦用作横肋。箱底板厚度为9~20mm 。在塔处，在锚锭处，在跨中设置缆的中央扣
处，为提高加劲梁局部的抗力，在梁内设置短段的竖直腹板。对于箱梁内表面，也采用除湿防锈。
这悬索桥的加劲梁是三跨连续。同加劲梁为三跨两铰式者相比，它并不节省钢材，但是，桥面连续长度大，行车顺畅，而且，免去了相邻两跨之间的碰撞，维修费减轻。从提高桥的运营质量讲，这是可取的。但三跨连续加劲梁的沿梁弯矩变化相当大，经用变更吊索间距（一般为24m ，但在塔处增至56m ）、变更梁的截面（让箱底板厚度在9~20mm 间变化）、在施工中进行应力调整（主要是在塔处让梁内预置正弯矩）等方法，使部件截面设计较为合理。在塔处，梁没有竖向支承，只在梁的两侧设置水平支座，以传递水平反力（风力所生）；因为梁是连续的，这里就不需要止撞设施。在梁的两端（在锚碇处），在竖向有活动支座，在纵向（桥轴方向）则设置液压缓冲装置（用以代替止撞措施）。
整个加劲梁（全长2694m ）分成57 个节段预制完成。在用船运到桥位后，每一节段用 2 台缆载起吊设施（每台的起吊能力是600 t ）起吊到位。节段之间的工地接头一共是56 个，全用焊接完成。
就其将箱梁用于钢桥的水平讲，大贝耳特东桥是相当高的。箱梁的抗扭性能强，其引桥利用这一点而让截面取梯形，底的宽度较窄，可以使墩的尺寸较小，较为经济；加劲梁则因抗扭刚度大而使其抵抗风振的性能提高。同杆件系统相比，箱梁的板较宽较薄，较宜于焊接，而使用焊接就能比使用铆钉或高强栓更为省工省料。东桥，现是将箱梁分成节段预制（用工厂焊接），再将这些节段吊装到位，在工地用焊接完成。轻松地实现了全焊，完全不用钉、栓，这就是一项成就。箱梁外表面光滑平整，容易油漆，而内表面则适合于用除湿防锈，在
这方面，东桥也完全实现了。在防止疲劳方面，在考虑某些局部应予加强方面，这桥都较以往大有改进。
6 、两点体会
一则是桥梁的局部性质。在交通线路之中，它是一个局部。在地区环境之中，它是一个局部。在科技整体之中，它也是一个局部。局部，在客观上必然要受总体的限制，并服从于总体。但对于局部的特殊性，总体基于全局考虑也是会给予考虑的。每一座桥梁的建成，都是个体事件；它所遇的设计条件（水文、地质、气象、荷载、跨度、净空等）不会一样，所可利用的造桥条件（材料、制造工艺、施工机具等）也不相同。在一座特大桥完成之后，不知要在若干年之后，其设计人和施工者才会遇到性质相同的任务。而对于每一特大桥讲，经费和工期都有限制；新材料、新工艺、新技术往往难于考虑，而在竣工之后，时常又没有时间从容记述其经过、总结其经验，供后来人参考。所以，像正交异性板和钢箱梁这样的新事物，从其开始出现到臻于成熟，需要六十年（1935-1995 ），这并不奇怪。
再则是对桥梁信息搜集、整理、传播、直至在对各种技术的适用范围和前进方向上取得共识，是极端重要的。信息包含国内及国外。国外信息，例如[10] ，原始资料的购到曾历时 5 年，翻译又历时3 年，今年方能问世，这是够慢的了。国内的桥梁工程总结，或则阙如，或则编写不认真，使国内大好经验随风而逝，极为可惜。整理工作，例如[9] ，现时只能按个人所能获得的、主要是已出版的资料进行，且其传播范围也极为有限。因此，共识极难形成，决策自是难免偏颇。所以国内的桥梁建设虽然风起云涌，而其真正有价值、能开一代风气者则十分难得。
参考文献
1.AISC ，Design Mannal for orthotropic steel plate deck bridges,New
york ,1963
2.Development s i n bridge design and construction, London , 1971
3.Steel box girder bridges, London ,1973
4.Rockey KC,Evans HR.The design of steel bridges , London : Granada ,1981
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7. 钱冬生，钱冬生桥梁与教育文选，北京：中国铁道出版社，1998
8. 钱冬生，大跨悬索桥的设计与施工（修订版）成都：西南交大出版社，1999
9. 钱冬生，科学地对待桥渡和桥梁，北京：中国铁道出版社，2003
10. 西南交大桥梁工程系，中铁大桥局武汉桥研院合译。大贝耳特海峡：东桥，成都：西南交大出版社，2007
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12.Strasse Brucke Tunell,V25,n4,1973.4,pp.90 ~ 94
13.Tiefbau,1973.1 pp.12 ~ 18
14.Schwe i β en und Schneiden: 1968.9 PP413 ~ 417; 1971.9,PP339 ~ 343
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正交异性桥面板设计参数和构造 细节的疲劳研究进展 1 背景 第二次世界大战后，一方面大量被战争毁坏的桥梁急需修复，另一方面建筑材料非常短缺。在此情况下，欧洲的工程师们开始尝试采用一种新型的桥面结构形式——正交异性钢桥面板。它由面板、纵肋和横肋组成，三者互相垂直，通过焊缝连接成一体共同工作。它以自重轻、极限承载力大、施工周期短等优点，成为世界上大、中跨度现代钢桥通常采用的桥面结构形式。从20世纪50年代德国最先使用这种桥面板至今，欧洲已有1000多座各种形式的正交异性钢桥面板桥梁，日本有将近250座正交异性钢桥面板桥梁，北美有100余座正交异性钢桥面板桥梁[1]。 我国正交异性钢桥面板我国正交异性钢桥面板的研究和应用起步较晚，直到20世纪70年代初，才建成第一座钢桥面板桥——潼关黄河铁路桥。改革开放以来，国内正交异性钢桥面板桥呈现出迅猛发展势头。迄今为止，我国已建造的采用正交异性钢桥面板的桥梁有30余座。正在建造的采用正交异性钢桥面板的铁路钢桥有郑州黄河公铁两用桥和京沪高速铁路南京大胜关长江大桥等。 正交异性钢桥面板有其独特的优点，但同时钢桥面板疲劳开裂的事例也在许多国家的钢桥中出现。最早报道的是英国Seven桥，该桥1966年建成通车后，分别于1971年和1977年发现了3种焊接细节的疲劳裂纹。德国的Haseltal和Sinntal桥投入使用后不久，钢桥面板也都出现了疲劳裂纹。此外，法国、日本、美国、荷兰等国也都发现了钢桥面板疲劳开裂事例。钢桥面板在我国使用的时间虽然不长，但是已经在某些桥中发现了钢桥面板疲劳开裂的现象。这些疲劳裂纹严重影响了桥梁的使用寿命，因此，对正交异性桥面板疲劳问题的研究是目前桥梁建设中的关键和热点，各国学者在此领域取得了一系列研究成果。国内在20世纪80年代初，铁道科学研究院等相关单位以西江大桥为研究背景，对公路正交异性钢桥面板参与主桁共同工作时的结构特性进行了较为全面的分析及试验研究[2]。1995年，同济大学童乐为在博士论文中对采用开口肋形式的钢桥面板的疲劳性能进行了较为系统的分析[3]。时至今日，正交异性桥面板的结构形式较当初已经发生很大变化，大量新的研究成果相继涌现。 2 正交异性桥面板设计参数的疲劳研究 2.1 面板 面板的最小厚度一般取决于其在轮载作用下的允许变形，为保证桥面铺装层不产生裂纹，纵肋之间面板的竖向挠曲变形不大于0.4mm。基于上述原 则，面板厚度t d可由Kloeppel公式计算： 式中：a为开口截面纵肋间距或闭口截面纵肋腹板最大间距，mm；p 为轮载面压力，kPa。 同时各国规范根据各自的车辆荷载及桥面铺装层情况，为保证钢桥面板的施
现代钢桥设计与计算理论参考材料 正交异性板简支梁桥空间模型计算孙秀贵孟续东陈艳秋唐毅周刚郑凯锋 西南交通大学
第一篇正交异性板简支钢梁桥ALGOR建模计算一、打开aglor软件和设定基本操作说明 将桌面上或相应目录中的algor的图标双击打开程序。 选择新建>FEM模型，分析类型选择>线性材料模型的静应力，点击新建，如下图。 弹出“另存为”对话框，确定文件名以及文件的保存路径，最后点击保存。
二、设置单位体系 在主菜单中选择工具>单位 在“unit system”对话框中选择“Metric mks(SI)”； 进行同样操作，更改“unit system”对话框，选择“Custom”； 在“length”对话框中选择“mm”，其他对话框保持不变； 点击“ok”按钮。 三、建立材料库 主菜单>工具>管理材料库 选择“Create New Library”,输入自定义材料库文件的保存路径和名称，单击保存按钮。 再点击确定按钮。
根据本模型需要，建立两种材料：1、钢材；2、混凝土。 右击自定义的材料库，选择“Add New Material” “Material name”对话框中输入材料名称“steel”； “Material model”对话框中选择标准； 在单位体系对话框中选择米制，米千克秒（SI）； 更改单位体系，为自定义，长度对话框中选择“毫米（mm）”，单击“ok”按钮。
进行上述相同操作，增加材料“concrete”自定义材料。建立两种材料后，如下图所示： 分别对新建的两种材料输入材料特性： concrete（采用C40混凝土）: 质量密度(N/mm^3/g)：2.548e-9 弹性模量(N/mm^2)：3.25e+4 泊松比：0.2； 剪切弹性模量(N/mm^2)：1..3e+4 线膨胀系数：1.0e-5 Steel： 质量密度(N/mm^3/g)：7.85e-9
课程设计（论文）任务书 院系（教研室）年月日 学生姓名: 学号: 专业: 1 设计（论文）题目及专题：一块简支正交各向异性板的振动模态分析 2 学生设计（论文）时间：自月日开始至月日止 3 设计（论文）所用资源和参考资料： 1、弹性力学下册 2、ANSYS软件 3、有限元法 4 设计（论文）完成的主要内容： 1）利用有限元法，用ANSYS编程计算一块简支正交各向异性板的振动模态 2）应用板壳理论知识得到板的解析解，并对两种方法所得结果进行比较 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求： 提交课程设计论文一本 6 发题时间：年月日 指导教师：（签名） 学生：（签名）
用ansys解法如下： 模态分析步骤 第1步：指定分析标题并设置分析范畴 选取菜单途径Main Menu>Preference ,单击Structure,单击OK 第2步：定义单元类型 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete,出现Element Types对话框, 单击Add出现Library of Element Types 对话框,选择Structural shell再右滚动栏选择Elastic 4node 63,然后单击OK，单击Element Types对话框中的Close按钮就完成这项设置了。第3步：指定材料性能 选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material
Models。出现Define Material Model Behavior对话框,在右侧Structural>Linear>Elastic>orthotropic,指定材料的弹性模量和泊松系数，Structural>Density指定材料的密度，完成后退出即可。 第4步：划分网格 选取菜单途径Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool,出现MeshTool对话框，一般采用只能划分网格，点击SmartSize,下面可选择网格的相对大小（太小的计算比较复杂，不一定能产生好的效果，一般做两三组进行比较），保留其他选项，单击Mesh出现Mesh V olumes对话框，其他保持不变单击Pick All，完成网格划分。 第5步：进入求解器并指定分析类型和选项 选取菜单途径Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，将出现New Analysis对话框,选择Modal单击OK。 选取Main Menu>Solution> Analysis Type>Analysis Options，将出现Modal Analysis 对话框，选中Blocklanczos模态提取法，在Number of modes to extract处输入相应的值（一般为5或10，如果想要看更多的可以选择相应的数字），单击OK，出现Subspace Model Analysis 对话框，选择频率的起始值，其他保持不变，单击OK。 第6步：施加边界条件. 选取Main Menu>Solution>Define loads>Apply>Structural>Displacement,出现ApplyU,ROT on KPS对话框，选择在点、线或面上施加位移约束,单击OK会打开约束种类对话框，选择（All DOF,UX,UY,UZ）相应的约束,单击apply或OK即可。
大型钢箱梁正交异性板止裂孔尺寸对止裂效果的影响研究 发表时间：2019-08-27T11:32:37.813Z 来源：《基层建设》2019年第16期作者：李增光林小兵徐文德[导读] 摘要：文章考虑在裂缝尖端布置多种尺寸止裂孔，采用ANSYS软件对开裂模型进行线弹性有限元分析，通过对比不同止裂孔尺寸下模型裂缝尖端区域最大应力值，研究不同止裂孔尺寸对正交异形板裂缝发展控制的效果，结果表明：随着止裂孔尺寸的增大，裂缝位置附近最大应力值逐渐减小，但裂缝尾部位移也逐变大，对钢板界面强度的削弱作用也越严重，同时结合工程实际，验证了结论的合理性。 中交公路规划设计院有限公司北京 100010 摘要：文章考虑在裂缝尖端布置多种尺寸止裂孔，采用ANSYS软件对开裂模型进行线弹性有限元分析，通过对比不同止裂孔尺寸下模型裂缝尖端区域最大应力值，研究不同止裂孔尺寸对正交异形板裂缝发展控制的效果，结果表明：随着止裂孔尺寸的增大，裂缝位置附近最大应力值逐渐减小，但裂缝尾部位移也逐变大，对钢板界面强度的削弱作用也越严重，同时结合工程实际，验证了结论的合理性。关键词：钢箱梁；止裂孔尺寸；有限元法 0 引言 钢箱梁桥相比混凝土桥梁具有施工方便、自重较轻、强度高、空气动力性能好等特点，目前已成为大跨度桥梁的主流形式[1]，我国于20世纪80年代开始建造钢箱梁桥，1984年简支钢箱梁桥马房北江大桥建成通车[2]，随着大量大跨钢箱梁桥的投入使用，以及超载、车流量超出设计限值及焊接缺陷等问题在大型钢箱梁桥中频繁出现，钢箱梁疲劳病害问题已日益凸显严重。钢箱梁桥正交异性板是疲劳损伤多发的部位之一[3]，在桥梁日常养护或检查中，若发现疲劳裂缝需及时进行修复，止裂孔是目前普遍采取的一种临时止裂修补措施，对裂缝的发展具有良好的抑制作用，可以通过对裂缝的跟踪观察，确定合适的时机进行统一修复[4]。止裂孔法的基本原理是消除裂缝尖端的应力集中区域，目前常用的方法是在裂纹尖端施打止裂孔，何云树[5]等人研究了止裂孔尺寸对航空器结构裂纹的止裂效果，但主要是针对铝合金包铝板材料；刘天筎[4]等人研究了止裂孔多孔布置方法对止裂效果的影响，针对裂纹尖端止裂孔尺寸对大型钢箱梁正交异性板止裂效果的影响研究较少，因此本文考虑不同止裂孔尺寸，通过有限元分析并结合工程实际，找出合理的止裂孔尺寸。 1 有限元分析模型 本文采用ANSYS 19.0软件，对止裂孔钢板进行线弹性有限元分析，计算止裂孔处的最大应力值，研究对象为40cm×20cm的钢板，裂缝长度3cm，材料弹性模量E=206GPa，泊松比ν=0.3。在线弹性分析中裂缝尖端具有奇异性，因此在裂缝尖端区域选用奇异单元，并采用8节点平面四边形单元PLANE183进行单元网格划分，在垂直于裂缝发展方向的边缘施加1MPa线荷载，平行于裂缝发展方向的一个板边缘施加X和Y方向约束，另一个板边缘施加Y方向约束[4]。考虑4种不同的止裂孔尺寸，止裂孔直径D分别为6mm、8mm、10mm、12mm，图1为1/2有限元网格图。 图1 1/2有限元网格图 2 计算结果分析 在裂缝尖端施打不同孔径的止裂孔，计算得到最大应力值和裂缝尾部位移，结果见表1，将结果云图关于Z-X平面对称，得到整体模型结果云图，如图2所示。 图2 孔径为6mm的模型应力云图 表1 不同止裂孔下模型裂缝尖端区域最大应力值和裂缝尾部位移值
李乔说桥-13：正交异性钢桥面板 1让人爱、让人恨的桥面板形式对正交异性钢桥面板，大家都很熟悉，这是钢桥尤其是大跨度钢桥结构中采用最多的一种桥面板结构形式，也是现代钢桥结构重要的标志性成果之一。但这种桥面结构同时也是钢桥领域里最令人头痛的结构之一，可以说是既“让人爱”又“让人恨”的一种桥面结构形式。让人爱，是因为这种结构具有众多的优点，如重量轻、承载力高、适用性强等，是目前为止仍然不能用其他形式桥面板取代的主要结构形式。而让人恨，则是因为它服役几十年以来，不断地出现令人头痛的疲劳开裂和桥面铺装破坏问题，而且成为了一个出现概率很高的普遍性病害、至今也没有公认的既经济又有效的解决措施的病害。 一般的正交异性钢桥面板指在桥面的面板下面采用纵横加 劲肋加强的构造形式，而目前应用最为广泛的正交异性钢桥面板是采用U形纵向加劲肋的构造形式。如图1所示，它由面板（顶板）、U形纵向加劲肋以及横向加劲肋或横隔板组成。目前世界各国已建成的采用正交异性钢桥面板的各类桥梁已超过1500座，我国正在运营和在建中的该类型桥梁数量已达200余座。(a)大跨度钢箱梁斜拉桥(b) 采用正交异性钢桥面板的钢箱梁横断面(c) 正交异性钢桥面板构造示意图及疲劳开裂统计图1 大跨度钢桥及正交异性钢桥面板
2 两大病害最早在大跨度钢桥上发现正交异性钢桥面板疲 劳开裂的是英国Severn桥，该桥开通运营仅5年即发现其 正交异性钢桥面板出现疲劳裂纹。此后，正交异性钢桥面板结构在包括欧洲、美国、日本及我国等世界范围内相继出现了大量的疲劳开裂案例。例如国内某大桥通车数年后即发现大量疲劳裂缝，经过维修加固，再经过几年的运营，又出现了更多的疲劳开裂。这种现象在很多类似结构的桥面板中出现，给桥梁的安全和耐久性带来巨大影响。由于桥面铺装的存在，这种发生在桥面板上的裂缝在开裂初期不容易被发现，一旦发现就已经贯穿顶板了。而且这种裂缝较难修复加固，多数情况下必须中断交通并拆除桥面铺装才能进行。 根据日本对东京2条代表性高速公路中约7000个闭口纵肋正交异性钢桥面板的疲劳病害进行的统计分析结果，主要疲劳裂纹类型及其构成如图1(c)所示。图中带圆圈的编号表示疲劳开裂的部位及类型，圆饼图表示各类型开裂所占的比例。由图可见，占比例最大的为②、③、④类，分别为纵向U肋与横隔板、竖向加劲肋与纵腹板以及纵向U肋与顶板的焊缝开裂。其中的第③类开裂对应的构造现在基本不再采用，所以目前出现最多的是②、④两类。 除了钢桥面板开裂以外，这种结构带来的另一个通病是桥面铺装过早损坏（图2），并成为每座同类桥面板结构的大桥设计时让人颇为纠结的问题。从我国90年代修建的此类结构
关于正交异性钢桥面板的疲劳 ——对英国在加固其塞文桥渡时所作研究的评介 钱冬生3 提 要 对英国塞文桥渡正交异性板构造的疲劳裂纹产生的原因、所作试验及对其疲劳寿命计算作了介绍,并进行了探讨。 关键词 英国 塞文桥渡 钢正交异性板 疲劳 3教授,610031,西南交通大学 1 塞文桥渡的原结构 塞文桥渡包含:中跨988m 的塞文悬索桥,中跨 234.7m 的瓦埃斜拉桥,跨度61.7～64.0m 的连续梁(引桥)。其钢梁为全部采用正交异性钢桥面板的单室单箱截面梁。 钢正交异性板桥面是在第二次世界大战之后于50年代初期出现的。开始时纵肋用开口截面,在60年代逐渐改为闭口截面。由于制造工艺使闭口纵肋长度受到限制,其设计长度以相邻两横梁之间的距离来决定。在塞文桥渡,此长度为4.572m (悬索桥范围内)和4.267m (其余部分)。纵梁两端抵住横梁,用角焊缝作连接(横梁实质上由横肋及横隔板组成,将箱梁的部分顶板和底板 当作横梁的翼缘使用;横梁高度与箱梁高度相同。)。按照悬索桥的设计说明,强度和刚度都不控制加劲 梁。因此,钢材厚度主要按制造和安装要求决定。面板厚度为11.5mm ,纵肋厚度为6.4mm ,角焊缝焊脚为6mm 。图1为英国TRRL (T ran spo rt and Road R esearch L abo rato ry ,运输和道路研究试验所)所用试件的截面,其中(a )完全按塞文桥渡各钢梁的尺寸办理,(b )表示改进方案,将纵肋截面从梯形改为V 形; 在纵 图1 TRRL 试件截面 肋同横梁相遇处,在横梁开孔,让纵肋穿过。 还需指出:塞文悬索桥在压低造价方面有些过火。它省去储梁场地,省去运梁驳船;只是需要在梁段端头敞口处,用一厚5mm 的横隔板充当“封头板”,使梁段变成浮体;既可在水上储存,又可用拖船直接将它推顶到桥位。这样一来,封头板上端便同梯形纵肋下缘相焊,而这一焊接构造就使纵肋在运营中开裂。2 英国桥规BS 5400第10篇 英国B S 5400第10篇是1980年公布的。其译本见文献[1],对其主要部分、特别是其从文献[3]制订焊接构造分级的经过,见文献[2]。 此规范的优点,在于讲明基本原理,那就是凭借荷载频值谱来推算验算点的应力频值谱,再用M iner 的线性积伤规则,将应力频值谱换算成常幅加载的应力,借以同验算点的疲劳抗力相比,若前者不大于后者,则验算就是通过。文献[1]p 182的插页内的表11,或文献[2]p 84的插页内的图3-11,都是该规范的典型营业车荷载。而文献[1]p 181的图10-17则是迹线分布频数图,这就是说,当某验算点的应力在横桥方向的影响线很短而纵标变化剧烈时,需要将横向影响线按100mm 宽度划分成10多份,按这图所给分布频数推算各份之内的车数,再按影响线纵标推算相应的应力,从而推出应力频值谱。文献[4]p 1所介绍的疲劳检算方法,就指出了要使用文献[1]的表11和图10-17。 关于验算点的疲劳抗力,文献[1]在第10篇附录H 用表17a 、b 、c 的图和文字说明了各种构造按疲劳抗力所进行的分级,包含A 、B 、C 、D 、E 、F 、F 2和G 以及W ,而附录A 则用S 2N 关系(致伤应力脉—加载次数)表达不同分级构造对疲劳的抗力。由文献[2]所介绍的制订这项构造分级的经过可知:所用作依据的疲劳试验的试件,一般是承受轴向力的小试件。因此,在这一规范正文第5.4条(见文献[1]p 115)明确指出:表17中的各分级不适用于公路桥正交异性钢桥面板的焊接构造。 8 桥梁建设 1996年第2期
正交各向异性单层板 对于复合材料，由于复合材料是由基体和增强纤维组成的多相非均质材料，因此 复合材料具有明显的各向异性性质。一般来说，确定复合材料力学性能有两种方法： 物理机理的力学分析方法和唯象理论方法。物理机理的力学分析方法是通过细观或微 观力学理论建立描述复合材料物理力学性能的各参数之间关系表达的方法，唯象理论 方法是将非均质多相复合材料作为均ABC电子质连续介质(以非均质多相复合材料与均质连续介质单相材料建立宏观上物理力学性能的等效模型)，在实验的基础上建立复合材料以总体宏观强度性能为特征的破坏准则(强度条件)。两种方法的主要区别在于； 物理机理的力学分析方法通过分折复合材料破坏过程的物理机理，从而给出复合材料 物理力学性能的各参数之间关系表达式；唯象理论方法则是通过实验，以实验为基础，从而给出复合材料以总体宏观强度性能为特征的破坏准则(强度条件)。 显然，唯象理论方法虽然能够在各种载荷条件下给出复合材料的破坏准则强度条件，但其所给出的复合材料的破坏准则(强度条件)不能解释复合材料破坏过程的物理 机理。尽管唯象理论方法不能解释复合材料何时从何处开始破坏，以及从局部开始破 坏到最终整体破坏的复杂过程，但唯象理论方法能够提供各种载荷(各种复杂应力状态)下的强度破坏指标，且该指标正是工程设计个保证所设计构件(或罗部件)安全的基本 指标。因此，基于唯象理论方法的破坏准则研究仍然是复合材料强度理论研究的一个 重要方向。本章关于复合材料强度理论的分析属于唯象理论方法范畴。正夹各庙异性 单层扳强魔理论的路本IC现货商概念各向同性线弹性体的一个显著特点是：各向同性线弹性体内同一点各个方向强度等同，且强度与方向无关。 如所示各向同性(均质)线弹性体，在各向同性(均质)线弹性体内两个不同方向取和舶试件进行试验。实验结果表明和两试件所呈现的力学性能在宏观统计学意义上完全 相同，即各向同性(均质)线弹性体内任意点、任意方向上具有完全相同的力学性能(包 括完全相同的强度)。对于复合材料，如图所示。由于纤维增强复合材料的各向异性，在纤维增强复合材料内冕个不同方向取和比试件进行试验。显然，由于沿增强纤维方向，因此具有较其他方向更高的强度；由于沿与增强纤维正交方向因此具有较其他方 向更低的强度；而介于和两方向艾博希电子之间，其强度也介于两者之间。由此可知，复合材料的强度与方向有关复合材料内同一点不同方向的极限应力不相同，即复合材 料的强度是方向的函数。在采用唯象理论方法分析复合材料单层板的强度时，增强纤 维复合材料单层板可看做是(均质)正交各向异性线弹性体。增强纤维复合材料单层板 只承受中面内裁荷时，增强纤维复合材料单层板可视为平面应力状态下的正交各向异 性单层板。cjmc%ddz
正交异性板钢桥面结构应用技术工艺的探讨 The structural characteristics and manufacturing craft of steel box girder with an orthotropic steel bridge deck 叶翔叶觉明 （ Ye Xiang Ye Jue-ming ） 中铁大桥局武汉桥梁科学研究院武汉 430034 （ Bridge Science Research Institute, Major Bridge Engineering Bureau of China Railways, Wuhan 430034） 摘要： 正交异性钢桥面板是钢结构桥梁的重要结构件，正交异性钢桥面板由钢板、U肋和横隔板组成。以钢箱梁正交异性钢桥面板为例，介绍正交异性钢桥面板结构特点和组拼、 焊接和工地连接工艺特点，探讨在目前焊接和组装工艺条件下，延长正交异性钢桥面板 使用寿命的加工技术和工艺。 abstract: The orthotropic steel bridge deck is important structural of the steel structure bridge, the orthotropic steel bridge deck made is composed by the steel plate、 the U-shaped stiffener and the cross spacer . Taking the steel box girder deck plate as research object, the orthotropic steel bridge deck unique feature and craft characteristic for assembling、welding and site connection of the plate elements was deal with。 under the condition of the current welding and assembling workmanship， technology and technique to prolong the service life of orthotropic steel bridge deck was researched and discussed. 关键词： 正交异性钢桥面板板单元横隔板 U肋焊接工艺焊接残余应力 Key word: orthotropic steel bridge deck plate element cross spacer U-shaped stiffener welding technology Weld residual stress 对于大跨度悬索桥和斜拉桥，钢箱梁是非常有利的结构形式。钢箱梁以面板、底板、腹板、纵横隔板及加劲结构件为主要构成。其中面板钢板一般刚度较小，在轮载作用下易发生较大的变形，因此需要一定的钢板厚度，同时在面板上安装纵肋和垂直于纵肋的横隔板加劲，这是一种典型的正交异性桥面板。钢桥面板结构在桥梁上是不可能更换的，如果产生缺陷或裂纹扩展后修补又比较困难，需要从结构和实用焊接加工技术工艺等方面予以重视，延长桥面板的安全使用寿命。 1.正交异性桥面板结构和制造加工特点
正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史（三） 发布时间：2008-04-25 作者：钱冬生 摘要：介绍了正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史。 4 、英国的塞文桥——它在1966 年的胜利建成，与在1991 年的整修完竣 塞文桥在1966 年的建成，是当时桥梁界的一大盛事。它总长约3km ；包括： Wye 斜拉桥（主跨234.7m ）、引桥（跨度61.7~ 64.0m 连续钢箱紧）和正桥（主跨988m 的悬索桥）。它的悬索桥第一次使用流线形的扁钢箱加劲梁，这是由风洞试验认识到它的实用价值的（阻力系数小、对风致振动的反应较优），其加劲梁钢面板厚11.50mm ，纵肋为闭口的梯形，肋厚6.4mm ，肋的高度228mm ，纵肋的中心距为610mm ，纵肋跨度（横肋中距）用到4.57m 。横肋板厚 6.4mm ，高度为3m （从桥面板到箱底板，它实际上就是横隔板）。这加劲梁又第一次使用全焊钢结构，因耽心它在振动时的阻尼系数要比铆接结构为小（注：对桥面辅装的阻尼作用当时还缺乏认识），不利于抑制振动，乃将其吊索从竖置改为呈V 字形的斜置，因为，斜置吊索当桥振动时所受的拉力有脉动，这一脉动将使其钢绞线时松时紧，由此而对振动产生阻尼。对于塔柱，它又第一次采用了矩形单箱式；而且对于柱的工地水平接头，不是用拼接板及高强栓作连接，而是靠承压传力，并用20 根φ 50mm 高强栓在竖向将上下拉紧（用以抵抗施工荷载）；这使每塔用钢量仅是1200t 。对于塔顶主鞍，又第一次采用了全焊式。[8] ：127~139 在施工方面，也是非常俭省。加劲梁的制造，是分为88 个节段，每个节段再分为若干板件；将板件在工厂预制完成后，运到一造船厂的滑道附近，在滑道上进行节段的拼装；在滑道长度方面只需其能保留三个节段，每当向上再拼装一个新节段时，就先将最下一个节段
正交异性板 正交异性版即正交异性钢桥面板，是用纵横向互相垂直的加劲肋(纵肋和横肋)连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构。这种结构由于其刚度在互相垂直的二个方向上有所不同，造成构造上的各向异性。 细部构造 对于大跨度悬索桥和斜拉桥，钢箱梁自重约为PC箱梁自重的1/5,1/6.5。正交异性钢板结构桥面板的自重约为钢筋混凝土桥面板或预制预应力混凝土桥面板自重的1/2,1/3。所以，受自重影响很大的大跨度桥梁，正交异性板铜箱梁是非常有利的结构形式。 通常在钢桥面板上铺装沥青混凝土铺装层，其主要作用是保护钢桥面板和有利于车辆的行走性。近代正交异性钢桥面板的构造细节如图回所示，由钢面板纵助和横肋组成，且互相垂直。钢面板厚度一般为12mm，纵肋通常为U形肋或球扁钢肋 或板式助，U形肋板厚一般为6mm或8mm，横梁间距一般为3.4,4.5m，两横梁之间设一横肋。 制造时，全桥分成若干节段在工厂组拼，吊装后在桥上进行节段间的工地连接。通常所有纵向角焊缝(纵向肋和纵隔板等)贯通，横隔板与纵向焊缝、纵肋下翼缘相交处切割成弧形缺口与其避开。 分析方法 正交异性板除作为桥面外，还是主梁截面的组成部份，它既是纵横梁的上翼缘，又是主梁的上翼缘。传统的分析方法是把它分成三个结构体系加以研究，即: (1)主梁体系:由盖板和纵肋组成主梁的上翼缘，是主梁的一部份。 (2)桥面体系:由纵肋、横梁和盖板组成，盖板成为纵肋和横梁的共同上翼缘。 (3)盖板体系:仅指盖板，它被视为支承在纵肋和横梁上的各向同性连续板。
计算方法 解析法是将正交异性钢桥面板结构作为弹性支承连续正交异性板分析的较为成熟的经典计算方法。根据所取的计算模型不同，解析法计算又可分为以下几种: (1)把板从肋的中间分开，并归并到纵横肋上去，构成格子梁体系。它的缺点是未能考虑板的剪切刚度。 (2)把纵横梁分摊到板上，也就是将板化成一种理想的正交异性板。当荷载作用在横肋上时，这种方法是较好的，但当荷载作用在两横肋中间时，此法的精度就差了。 (3)对法2的改进，即将作用有荷载的那个节间单独处理，令节间的横向抗弯刚度等于盖板的抗弯刚度，其余节间解同法2 (4)Pelikan-Esslinger法。此法是将纵肋均分摊到盖板上，而将横肋作为刚性支承，求解后再将横肋的弹性支承计入。 随着计算机技术的发展，正交异性板的求解又有了很多新的数值法。目前较有成效的是有限差分法、有限条法和有限单元法。疲劳问题 钢桥面板作为主梁的上翼缘，同时又直接承受车辆的轮载作用。如上所述，钢桥面板是由面板、纵肋和横助三种薄板件焊接而成，在焊缝交叉处设弧形缺口，其构造细节很复杂。当车辆通过时，轮载在各部件上产生的应力，以及在各部件交叉处产生的局部应力和变形也非常复杂，所以钢桥面板的疲劳问题是设计考虑的重点之一。自1966年英国Severn桥(悬索桥)采用扁平钢箱梁以来，钢桥面板陆续出现许多疲劳裂纹，主要产生的部位有纵助与面板之间的肋角焊缝、纵横肋交叉的弧形缺口处，U形肋钢衬垫板对接焊缝处等，其中梁段之间钢桥面板工地接头是抗疲劳最薄弱的部位。 由于钢桥面板不可能更换，产生裂纹后修补又比较困难，50年来(通过一系列的试验研究和有限元分析，以及实
钢桁梁正交异性板桥面施工工艺 7.6.1 工艺概述 本施工工艺适用于钢桁梁正交异性板桥面施工。 7.6.2 作业内容 钢桁梁正交异性板桥面施工主要包括桥面板焊接和桥面板安装。 7.6.3 质量标准及检验方法 《铁路钢桥制造规范》(TB10212-2009) 《铁路桥涵工程施工质量验收标准》(TB10415—2003) 《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB10752-2010） 《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》（TZ203-2008） 《铁路钢桥保护涂装》（TB/T1527-2004） 7.6.4 工艺流程图 桥面板架设采用桥面系同步安装方案施工。 7.6.5 工艺步骤及质量控制 一、板桁组合桥面板焊接 板桁组合桥面板焊接采用单面焊双面成型工艺保证焊缝熔透。桥面板焊缝下部采用CO2气体保护电弧焊打底，上部采用埋弧焊。桥面板横向焊缝应顺桥向打磨匀顺，纵向焊缝应横桥向打磨匀顺。焊接工艺需符合设计要求，坡口熔透焊应按规范的要求进行无损检查。
二、桥面板安装 桥面板安装应在本节间主桁杆件安装完毕后进行，安装时应在连接接头上打入40%的冲钉，穿60%的高强度螺栓并初拧，逐步用高强度螺栓换下所有的冲钉并初拧，待焊缝施焊完毕后，再将所有的高强度螺栓终拧。桥面板安装后纵向焊缝在下一个节间钢梁安装时焊完，横向焊缝可适当滞后1～2 个节间施焊。有运输道的桥面板纵横缝的焊接，在下一个节间钢梁安装时必须焊完。最前端桥面板应先连接纵梁（肋）、横梁（肋）的螺栓，之后再进行焊接。 三、桥面板安装注意事项： ⑴焊接工作环境湿度应小于80%，焊接低合金钢的环境温度不应低于5℃。焊接过程中，注意焊接部位需要挡风。 ⑵安装桥面板时，不得碰撞钢梁杆件。 ⑶桥面板施焊期间，尽量减少作用其上的动荷载。 ⑷桥面剪力钉和道砟槽的施工，应分别从各墩顶开始，向跨中方向施工。双幅桥面施工应同步进行。 ⑸道砟槽施工原则上应该在钢梁合龙后主结构（含平联杆件）全部安装完毕，吊索完全放松，结构处于一期恒载作用下施工。 四、桥面板焊接一般要求 ⑴进行正交异性板块焊接的焊工应持有焊工资格证书，具备钢桥焊接资格，且经监理认可并只能从事证书中认定范围内的工作。 ⑵焊工焊接前应检查所用焊接设备及仪表运行情况，确认准确无误后方可开工作业。 ⑶焊工必须熟悉本工艺规程和施工图，未经焊接主管工程师同意，不得更改本工艺规程、施工图对焊接的有关规定，并对所焊焊缝质量负责。
现浇混凝土空心板的正交各向异性和 等效各向同性板计算方法 ＊ 尚仁杰 吴转琴 李佩勋 (中冶集团建筑研究总院,北京 100088) 摘 要:通过分析得到了现浇混凝土空心板正交各向异性主刚度存在着D 3=D 1D 2的关系;从正交各 向异性板挠曲面的偏微分方程出发,保持一个主方向尺寸不变x 1=x ,将另一主方向的尺寸做线性缩放y 1= k -1 4y ,并保持弹性模量与第一主方向相同E =E 1,泊松比μ= μ1μ2,将原来的正交各向异性板等效为一块 各向同性板,通过分析得到:各向同性板任意点的挠度就是原正交各向异性板对应点的挠度,各对应点内力存在简单的对应关系:M x =M x 1、M y =k 1 2 M y 1、M xy =k 1 4M x 1y 1。最后,通过算例验证了该方法的正确性。 关键词:空心板;正交各向异性板;各向同性板;等效 ORTHOTROPIC CHA RACTERS OF A CAST -IN -SITU C ONCRETE HOLLOW PLATE AND THE CA LCULATION METHOD OF AN EQUIVALENT ISOTROPIC PLATE Shang Renjie Wu Zhuanq in Li Peixun (Central Research Institute of Building and Construction of MCC Group ,Beijing 100088,China ) Abstract :The orthotropic character of D 3=D 1D 2of a cast -in -situ concrete hollow slab is deduced .Based on the differential equation of the deformed surface of the orthotropic plate ,one principal direction size is kept invariably ,then another principal direction size is transformed linearly ,maintains elasticity coefficient is kept the same as that of the first principal direction E =E 1,Poisson ratio μ= μ1μ2,thus the original orthogonal plate can be equivalent to an isotropic plate .Results are obtained through analysis :the deflection of the equivalent isotropic plate is the same as that of the original orthotropic plate at the corresponding point ,whose internal forces have the simple relations M x =M x 1,M y =k 1 2M y 1and M xy =k 1 4M x 1y 1. Keywords :hollow slab ;orthotropic plate ;isotropic plate ;equivalent ＊北京市科技计划项目(H020*********)资助。 第一作者:尚仁杰,男,1966年10月出生,博士,教授级高级工程师。 E -mail :shangrj2000@yahoo .com .cn 收稿日期:2008-01-18 现浇混凝土空心板是目前广泛应用的一种楼板 形式,由于其跨度大,可以通过空心减轻结构自重20%～40%而基本不影响板的强度和刚度,因此应用于大跨度楼板中体现了很强的技术优势,同时在桥面板中也开始得到应用。圆孔空心板大多是单向布置内模,使得板表现出正交各向异性的力学特性。如何确定现浇空心板的正交各向异性以及如何用简单实用的计算方法确定正交各向异性板的变形和内力,成了现浇混凝土空心板设计的关键问题。 现浇混凝土空心板正交各向异性的研究已经很多[1—3] ,但是,还没有一种适合于工程设计的、体现现浇混凝土空心板正交异性的实用内力和变形计算方法。目前,对钢筋混凝土实心板的弹性分析是基于板开裂之前的状态,混凝土处于弹性受力阶段,此时钢筋应力很小,可以忽略钢筋对刚度的影响。这 样,通过经典弹性力学理论,建立板的平衡微分方 程,或通过有限元的方法,可以得到实心板在正常使用状态下的弯矩及挠度分布规律。由于弹性理论弯矩是混凝土板极限承载力的一个有效的下限解,因此,GB 50010-2002《混凝土结构设计规范》以及国外混凝土规范中关于双向板的设计方法均包含以板的弹性弯矩作为截面配筋依据的方法,挠度计算也采用了弹性板的公式,只是修改了刚度。目前用于混凝土板设计的计算手册、计算软件都包含着板的弹性内力和挠度值。对板的弹塑性阶段的受力性能 72 Industrial Construction Vol . 39,No .2,2009工业建筑 2009年第39卷第2期