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
桥梁的运营情况看，相当数量的桥梁在通车后不到十年就不得不进行桥面铺装的大修或者更换，因而桥面铺装病害也与疲劳开裂一样，成为正交异性钢桥面板的两大主要病害之一。

图2 桥面铺装的损坏（引自筑龙网）
3强度问题还是刚度问题？
发生上述的两大病害的最主要原因是什么呢？直观地看，两种破损都是由于材料的强度不够而导致，钢结构疲劳开裂是因为焊缝的疲劳强度不足所致，桥面铺装的破坏是由于铺装层的强度不足所致。

这没有错，材料强度不足是导致其最终破坏的直接原因。

但我们所要解决的问题是结构的安全与耐久性问题，因此我们还应该从结构的角度来审视问题的整体，而不仅限于材料破坏的局部。

首先，让我们分析一下正交异性钢桥面板的受力特征。

如图3所示，在车轮荷载作用下，桥面板会产生纵横向挠曲。

从局部区域看，由于桥面板几何构造的特点，其刚度分布是非均匀且有突变的，因而其中的横向挠曲（图3a）和U肋的
畸变（图3b的所谓歪曲）使U肋与顶板的焊缝局部产生很大的应力集中，再加上在焊趾和焊根处可能存在的焊接缺陷，比较高的应力幅便会出现在这些区域，这是引发顶板与U肋焊缝疲劳开裂的最重要的因素。

而在U肋穿过横隔板的地方（图3c），由于U肋的纵向弯曲，使横隔板发生其面外的变形，从而也加大了此处焊缝的应力幅。

如果这种由荷载引起
的局部变形过大，其引起的应力幅也会大大增加。

而这种过大的局部变形也使桥面铺装层产生很大的弯曲力矩，导致其开裂、剥离及滑移。

图3 正交异性钢桥面板受力变形（引自桥梁杂志公众号）
这样的局部变形过大显然是由于桥面板局部刚度的不足和
不均匀所导致。

刚度不均匀是钢结构的固有特点，没有有效解决办法，因此从工程的角度看，局部刚度不足是引起较大疲劳应力幅的主要原因。

综上所述，导致正交异性钢桥面板两大病害的主要原因有两个：一是刚度问题，即局部刚度不足；二是强度问题，即焊缝和铺装层疲劳强度不足。

相比之下，前者影响更大，所以可以说主要是刚度问题，因为如果解决了刚度问题，这里的强度问题就不重要了。

4破解之道，重在刚度
如上所述，引起正交异性钢桥面板疲劳开裂和桥面铺装破坏的原因是局部刚度不足和材料的疲劳强度不足，因此目前解决该问题的方法也可以分为两类，即刚度方法和强度方法。

前者包括：加厚顶板，采用UHPC（超高性能混凝土）做铺装层（刚度和强度双重作用），采用HPC（高性能混凝土）或UHPC形成组合结构，加密设置隔板，在U肋内部设置小横隔板以减小畸变变形，采用新型加劲肋等等。

后者包括：采用新材料（新型铺装材料，包括UHPC），采用新型焊接技术（U肋双面焊接，单面焊接双面成型），采用镦边U肋
（也有双重作用）等等。

图4 采用UHPC技术加强桥面板（引自筑龙网）个人认为，在这些方法中，以采用UHPC（图4）和双面焊接的方法效果比较好，目前发展的势头也较好。

总体来说，还是应该以提高局部刚度的方法为主，因为即使是双面焊接也只能解决顶板与U肋焊缝的焊根疲劳开裂问题，对于焊趾以及U肋与横隔板焊缝开裂仍然不能有效解决。

刚度方法以改善结构或构造的刚度为主，除了UHPC技术以外，在钢结构构造上的改进也是值得深入研究的一条路径。

刚度是最主要的影响因素，解决了这个问题，即可达到一石二鸟的效果，这也是本文主要想说明的问题。

一己之见，可能存在谬误，欢迎批评指正。

作者简介：李乔，西南交通大学教授，博士生导师，茅以升桥梁研究所所长，在中国公路学会桥梁分会等学术组织任常务理事或理事，在土木工程学报等重要学术期刊任编委会委员。