CN103614964B - 钢箱梁正交异性桥面板 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种钢箱梁正交异性桥面板，包括从上至下依次连接设置的上顶板、波形钢板和下顶板，波形钢板的波形方向与横桥向一致。波形钢板由沿横桥向交错排列的波峰面、波谷面、连接波峰面和波谷面的斜面组成，斜面与波峰面的夹角，以及斜面波谷面的夹角均非90°，波形钢板的波形断面为多个连续排列的梯形。本发明的利用波形钢板作为钢箱梁桥面顶板的纵向加劲肋，由上、下顶板和中层波形钢板构成的正交异性板在横桥向类似于具有斜腹杆的平行弦桁架，增加了桥面板的抗压稳定性和横向抗弯刚度，有效避免集中轮载作用下的过大局部变形。本发明的摒弃传统的焊接的方式而全部采用栓接，这可以彻底解决焊接裂缝的疲劳开裂问题。

Description

钢箱梁正交异性桥面板

技术领域

本发明属于桥梁结构技术领域，涉及一种适用于钢箱梁桥的正交异性桥面板结构。

背景技术

目前公路大跨度悬索桥和斜拉桥基本上都会采用流线型钢箱梁做加劲梁。然而，由于钢箱梁的结构柔度较大，钢桥面板一般是采用正交异性板结构，即在钢桥面板下面通过纵向U型肋，横肋以及横隔板来加劲以提高其刚度。但是即使这样，钢桥面铺装的易开裂问题依然没能很好的解决。当前钢桥面的铺装主要存在以下三方面的问题。

首先是纵桥向桥面铺装的开裂。该种典型开裂是由于正交异性钢桥面是一种开口截面，桥面板的横向结构刚度分布不均匀的特点决定的。在U型加劲肋的与桥面板焊接的地方，加劲肋给予桥面钢板较大的支撑刚度，而没有U型加劲肋的地方，由于结构是开口截面，平面钢板仅依靠自身的抗弯刚度抵抗外加荷载变形。由于这个结构特点，在车辆局部荷载作用下在加劲肋处平面钢板将产生较大的负弯矩，其他部位有变化的竖向变形，将使桥面铺装层横向产生波浪状的变形，在铺装层顶面产生较大的拉应力。这种疲劳作用很容易引起U型加劲肋处的铺装层纵向开裂。桥面铺装层的开裂将引起铺装层漏水，进而严重影响桥面钢板的耐久性。

其次是钢桥面板与铺装层的粘结问题。在水平力的作用下，比如突然刹车，钢桥面板和沥青混凝土铺装层之间将会产生比较大的剪力。要想保证两种材料共同受力，就要保证两者的紧密粘结。当前解决该问题的主要方法是在铺装层和钢桥面板之间增添一层粘结层。粘结层主要采用树脂类和环氧沥青类粘结剂。但该种材料的温度敏感性太强。比如环氧沥青类粘结剂在温度为-10℃时能与钢板的粘结强度能达到16.8Mpa，但当温度升高到10℃时，其粘结强度仅为1.3Mpa左右。而钢桥面板的温度一般是很高的，最高的时候能达到50～70℃。在这种状况下粘结层的抗剪强度将会严重不足，从而产生钢桥面板与铺装层的脱层问题。

再次是焊缝的疲劳开裂。虽然桥面板上作用有沥青铺装层，但由于铺装层的刚度与钢板相比很小，所以铺装层对车辆荷载的扩散作用很小。轮载基本上没有扩散的作用在钢桥面板上。由于当前桥面板和纵横加劲肋主要是通过焊接的形式连接的，在局部轮载作用下，焊缝处将会产生较大的应力。由于焊缝本身的疲劳强度不高，再加上焊接残余应力和焊接技术的初始缺陷较多，从而在焊缝处产生较大的应力集中现象。这都将导致焊缝处的疲劳开裂严重。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种可以显著提高桥面板的横向抗弯刚度，从而降低铺装层纵向开裂的可能性，同时还可以提高铺装层和桥面板连接界面的抗剪能力，并从根本上解决焊接疲劳裂缝问题的钢箱梁正交异性钢桥面板。

技术方案：本发明的钢箱梁正交异性桥面板，包括从上至下依次连接设置的上顶板、波形钢板和下顶板，波形钢板的波形方向与横桥向一致。

本发明的钢箱梁正交异性桥面板中，波形钢板的由沿横桥向交错排列的波峰面、波谷面、连接波峰面和波谷面的斜面组成，斜面与波峰面的夹角，以及斜面波谷面的夹角均非90°，波形钢板的波形断面为多个连续排列的梯形。

本发明的一种优选方案中，上顶板与波形钢板之间，以及波形钢板与下顶板之间都通过沿桥面纵向排列的高强螺栓固定连接。

本发明的上述优选方案中，高强螺栓的一端超出上顶板上侧面，作为桥面板与桥面铺装层之间的剪力键，从而增强桥面铺装层和桥面钢板连接处的抗剪强度。

本发明的突出特点是利用波形钢板作为钢箱梁桥面顶板的纵向加劲肋，同时由上、下顶板和中层波形钢板构成的正交异性板在横桥向构成类似于具有斜腹杆的平行弦桁架，增加了桥面板的纵桥向抗压稳定性和横向抗弯刚度，有效避免集中轮载作用下桥面钢板的过大局部变形。

本发明桥面结构不但可以用于钢箱梁桥，也可以用于钢板梁桥。

有益效果：本发明与现有技术相对比，具有以下优点：

1.钢箱梁顶板在波形钢板的加劲作用下纵向整体抗压稳定性大大增强。传统的正交异性钢桥面板在整体结构上大部分区域是一层无上下方向制约的受压结构，为防止整体失稳需要焊接若干单板加劲肋，但是这种结构仍是开口结构，对整体稳定性仍是一种威胁。而改进后的正交异性板通过上、下钢板与波形钢板加劲肋通过螺栓连接在一起，这将会形成了一个个连续的小的箱型结构（如题1中A处）。这将会使整个小箱型结构承压，从而使整个桥面板的纵向整体稳定性大大增加。

2.钢箱梁顶板在波形钢板的加劲作用下纵向局部抗压稳定性同时也大大增强。传统的正交异性钢桥面板，为防止发生局部失稳需要在桥面钢板横桥向上焊接一定间距排列的纵向U形加劲肋，把桥面钢板分割成若干小的钢板区域，通过限制每一块区域内钢板的宽厚比来保证局部稳定，但是这些分割后的钢板自由区域在横桥向是连续排列的，如图2中B区和C区所示，这种现象仍会影响钢板的纵向局部抗压稳定性。而改进后的结构，如图1所示的A处可知，无论是上顶板还是下顶板，钢板在上下方向每隔一定距离总是受到波形钢板的波峰面或是波谷面的制约，无制约的自由区域是间隔排列的而非连续排列的，这样一来每个无制约的自由区域的变形会受到相邻区域钢板的制约，因而其局部稳定会得到很大加强。

3.在车轮轮载作用下，桥面板的横桥向挠曲变形大大降低。传统的正交异性板在无加劲肋处（如图2中B处）的单一钢板的抗弯刚度很小，从而在局部轮载作用下，该处的挠曲变形很大。但改进后的桥面板将会形成一个个连续的小箱型结构（如图1中A处），桥面板承受车轮荷载后，不但沿纵桥向传递荷载，而且沿横桥向也能够传递荷载，完全改变了传统桥面板只能沿纵桥向传递荷载的受力模式。结构受力模式的改变，完全得益于桥面板横向抗弯刚度的提高，从而也使桥面板横桥向的挠曲变形大大降低。

4.加劲肋处顶部的钢板横向应力趋于均匀，同时桥面钢板局部挠曲变形也大大降低。传统的正交异性桥面板在无加劲肋处（如图2中B处）的抗弯刚度很小，将产生较明显的竖向挠曲变形，同时在局部轮载作用下将会在加劲肋处顶部的钢板中产生很大的负弯矩，进而在上顶板局部位置产生很大的横向集中拉应力，这种局部拉应力可能引起该位置的桥面铺装产生纵桥向裂缝，这已经得到许多工程实例的证明。但改进后的桥面板形成连续的小箱型结构（如图1中A处），局部钢板由于两层钢板的组合效应，将会有效提高原单层钢板的抗弯刚度，明显降低局部区域的挠曲变形；同时其余仍然是单层钢板的局部区域，由于该区域两侧的高强螺栓将桥面上顶板拉紧，从而上顶板在承受竖向荷载时会形成显著的横向薄膜效应。上述诸多原因将能够使上顶板的横向应力趋于均匀，不会造成局部位置的拉应力集中，同时这也会使上顶板的局部竖向变形显著降低。

5.钢桥面和铺装层界面的抗剪承载力大大提高。传统的钢桥面和铺装层之间仅靠粘结层来抵抗界面的剪力。而粘结层的抗剪承载力受温度影响很大，在高温环境下，粘结层的抗剪承载力会显著下降，从而产生脱层现象。而改良后的桥面板将由露出上顶板的螺栓杆同粘结层一起抵抗界面的剪切力，从而使桥面板和铺装层共同工作。这对铺装层的脱粘现象将会起到显著的抑制作用。

6.由于采用栓接技术，避免了传统桥面板的焊接技术，从而消除了桥面钢板和加劲肋处的焊接疲劳裂缝,有利于延长桥面板的使用寿命。

附图说明

图1是本发明正交异性钢桥面板的横向剖面结构图；

图2是传统正交异性钢桥面板的横向剖面图；

图3是本发明正交异性钢桥面板结构离散示意图；

图4是本发明正交异性钢桥面板三维立体图；

图5是本发明正交异性钢桥面板组装图。

图中有：1.上顶板，2.波形钢板，3.下顶板，4.高强螺栓，5.桥面铺装，6.钢箱梁腹板，7.钢箱梁底板，11.传统正交异性桥面的U肋，21.波峰面，22.波谷面，23.斜面，A.本发明所形成的小箱型结构，B.传统的钢桥面的无加劲肋处，C.传统的钢桥面的有加劲肋处。

具体实施方式

参见图1，该正交异性钢桥面板包括上顶板1、波形钢板2和下顶板3，波形钢板2的波形方向与横桥向一致，波形钢板2由沿横桥向交错排列的波峰面21和波谷面22、连接波峰面21和波谷面22的斜面23组成。斜面23与波峰面(21)的夹角，以及斜面23波谷面22的夹角均非90°，波形钢板2的波形断面为多个连续排列的梯形。上顶板1、下顶板3和波形钢板2之间采用高强螺栓4连接。高强螺栓4在上顶板1上侧面露出约3-5厘米，作为桥面板与桥面铺装层之间的剪力键。

本发明钢箱梁正交异性桥面板需根据设计要求进行纵向分段，然后按具体各分段桥面板进行制作，各分段桥面板的制作工艺如下：

1.按设计要求将原材料钢板进行分段下料切割，形成符合设计尺寸的上顶板1、下顶板3，并按设计要求在相应位置处钻孔，便于后续连接。

2.制作波形钢板2的平钢板首先根据设计要求下料，之后根据设计要求在相应的位置处钻孔，钻孔时要求形成与螺栓4的螺杆外螺纹相对应的内螺纹，要求保证内螺纹的制作精度，确保螺栓4的螺杆外螺纹与波形钢板2的钻孔内螺纹相吻合，以便于下一步螺栓4可以提前穿孔进行固定。

3.上述平钢板下料、钻孔完成后，钢板通过模压机进行模压冷加工处理以形成波形钢板2。

4.如图5所示，将所有用于固定上、下顶板的螺栓4通过波形钢板各孔处的内螺纹分别固定在波形钢板2上。

5.把用于固定下顶板3的波谷面10朝上，把下顶板3按相应的钻孔位置与中层波形钢板靠在一起，然后用扳手拧紧螺栓4的固定螺母，即完成下顶板的安装。

6.将连接好的波形钢板和下顶板翻转180°，使波峰面9朝上以固定上顶板1。将上顶板1所有螺孔对准波形钢板2上已经固定的各螺栓杆，然后用扳手拧紧固定螺母，上顶板就固定在波形刚板2上。所制作的高强螺栓4的螺杆按设计要求在上顶板1上将会出露一定的长度，其大小一般设计为3-5cm。在拧紧螺母时要保证上顶板1、下顶板3分别和波形钢板2之间要有一定的预紧力。

本发明钢箱梁正交异性桥面板的现场安装步骤如下：

1.本发明钢箱梁正交异性桥面板需根据桥梁上部结构的整体设计要求进行纵向分段，然后按具体各分段桥面板进行制作；

2.把分段桥面板与腹板6和底板7用常规焊接的方式连接起来，完成分段钢箱梁的制作；

3.各分段钢箱梁运到施工现场，然后进行分段吊装拼接，形成完整的钢箱梁桥上部结构；

4.在完成的钢箱梁桥面板的上顶板1上后续可以施工桥面铺装材料5。

Claims (3)

1.一种钢箱梁正交异性桥面板，其特征在于，该桥面板包括从上至下依次连接设置的上顶板（1）、波形钢板（2）和下顶板（3），所述波形钢板（2）的波形方向与横桥向一致，所述上顶板（1）与波形钢板（2）之间，以及波形钢板（2）与下顶板（3）之间都通过沿桥面纵向排列的高强螺栓固定连接。

2.根据权利要求1所述的钢箱梁正交异性桥面板，其特征在于，所述波形钢板（2）由沿横桥向交错排列的波峰面（21）和波谷面（22）、连接所述波峰面（21）和波谷面（22）的斜面（23）组成，所述斜面（23）与波峰面(21)的夹角，以及斜面（23）与波谷面（22）的夹角均非90°，波形钢板（2）的波形断面为多个连续排列的梯形。

3.根据权利要求1或2所述的钢箱梁正交异性桥面板，其特征在于，所述高强螺栓的一端超出上顶板（1）上侧面，作为桥面板与桥面铺装层之间的剪力键。