CN112049006B - 正交异性钢桥面板结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及公路桥梁建设工程技术领域，公开了一种正交异性钢桥面板结构及施工方法，正交异性钢桥面板结构包括箱梁顶板、箱梁腹板、横隔板及箱梁底板，箱梁腹板、横隔板分别沿纵桥向、横桥向间隔设置在箱梁底板上，箱梁顶板包括波纹钢板及后浇混凝土，波纹钢板铺设在箱梁腹板顶面上，后浇混凝土浇筑形成在波纹钢板上。本发明中采用波纹钢‑混凝土组合顶板，波纹钢板为成品板件，利用紧固件拼装施工速度较快；波纹钢板间及与腹板上翼缘间没有焊缝，不存在焊接残余应力问题，具有优异的抗疲劳性能；波纹钢板的抗弯刚度远大于平钢板，顶部后浇混凝土形成波纹钢‑混凝土组合顶板，极大的提升了正交异性钢桥面板整体的抗弯刚度，显著改善局部受力性能。

Description

正交异性钢桥面板结构及施工方法

技术领域

本发明涉及公路桥梁建设工程技术领域，具体地指一种正交异性钢桥面板结构及施工方法。

背景技术

正交异性钢桥面板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。目前国内外的正交异性钢桥面板均采用面板下焊接纵、横向加劲肋加强的构造形式，其中最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。这种结构具有众多的优点，如重量轻、承载力高、适用性强等，但也有明显的缺点，服役几十年以来，不断地出现疲劳开裂和桥面铺装破坏问题，如英国的Seven桥、我国1997年5月建成的虎门大桥在运营过程中陆续发现U肋与面板间纵向焊缝处发生严重疲劳开裂。湖北军山长江大桥在2008年进行超声波裂缝检查结果表明：U肋与顶板焊缝处裂纹达345处，占到全桥裂缝总长度的70.1％，且进行桥面板的焊接修补之后，仍继续产生新的焊接疲劳裂纹。顶板焊接疲劳问题尤其是U肋与顶板焊缝处裂纹成为了一个出现概率很高的普遍性病害，而且至今也没有公认的既经济又有效的解决措施。

分析病害的主要影响因素发现，并不是因为正交异性钢桥面板的强度不够，主要是因为钢桥面板的刚度不够，以及正交异性钢桥面板存在较多的焊接工作，焊缝位置处的焊接残余应力不可忽视。

进一步分析目前的正交异性钢桥面板，其纵向布置了众多U肋，纵向的刚度很大，但其横向上，仅布置有薄弱的横隔板，横向刚度明显较小，局部轮压荷载作用下，横向的变形较大，容易造成U肋与顶板焊接接缝的撕裂，这与焊缝疲劳裂纹的分布及开展规律相吻合。

目前针对正交异性钢桥面板的疲劳问题，国内有采用常规面板上加UHPC的方式，虽然这种方式可增加桥面板的刚度，但这种方式不够经济，且仍未解决焊接残余应力较大的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种正交异性钢桥面板结构及施工方法，解决正交异性钢桥面板横向刚度不足、焊接施工残余应力较大带来的疲劳开裂问题。

为实现上述目的，本发明所述设计的正交异性钢桥面板结构包括箱梁顶板、箱梁腹板、横隔板及箱梁底板，所述箱梁腹板、所述横隔板分别沿纵桥向、横桥向间隔设置在所述箱梁底板上，所述箱梁顶板包括波纹钢板及后浇混凝土，所述波纹钢板铺设在所述箱梁腹板顶面上，所述后浇混凝土浇筑形成在所述波纹钢板上。

优选地，所述箱梁腹板的顶部沿纵桥向设有水平的腹板上翼缘板，所述波纹钢板在所述腹板上翼缘板的顶部沿纵桥向和横桥向铺设并与所述腹板上翼缘板通过紧固件连接。

优选地，所述波纹钢板的波纹走向沿纵桥向设置，每一所述波纹钢板在纵桥向和横桥向均与相邻的所述波纹钢板的边缘重叠，横桥向相邻的所述波纹钢板的边缘的重叠处均位于所述腹板上翼缘板上且与所述腹板上翼缘板连接，纵桥向相邻的所述波纹钢板的边缘重叠处之间相互平行且不共线。

优选地，每一所述波纹钢板的四边缘均开设有螺栓连接孔，横桥向的边缘在所述波纹钢的波谷处开设有单排孔，所述单排孔用于纵向相邻所述波纹钢之间的搭接连接；纵桥向的边缘在所述波纹钢板的波峰处和波谷处开设有四排孔，所述四排孔中位于所述波谷处的孔用于与所述腹板顶部翼缘板连接，位于所述波峰处的孔用于横桥向重叠的所述波纹钢板之间的连接。

优选地，所述波纹钢板均采用同一波形和尺寸，所述箱梁腹板按照横桥向间距相同设置，相邻两块所述箱梁腹板的横桥向间距与所述波纹钢板的横桥向的长度相适应。

优选地，所述波纹钢板的横桥向的长度大于纵桥向的宽度。

优选地，所述腹板上翼缘板在对应的所述箱梁腹板的两侧分别设有翼缘板连接孔，所述波纹钢板的纵桥向边缘的重叠处的波谷位置对应所述翼缘板连接孔预留有螺栓孔。

优选地，每一所述波纹钢板的纵桥向边缘的重叠处的波谷通过高强螺栓从下向上穿过所述腹板上翼缘板上的对应的所述翼缘板连接孔后及用螺母锁紧；每一所述波纹钢板的纵桥向边缘的重叠处的波峰通过所述高强螺栓从下向上穿过后用所述螺母锁紧，所述高强螺栓的螺杆伸入所述后浇混凝土中。

优选地，所述波纹钢板的波峰位置处的所述高强螺栓长度小于波谷位置处的所述高强螺栓的长度，所述高强螺栓的超出所述波纹钢板的螺杆部分埋置在所述后浇混凝土中，所述后浇混凝土高出所述波纹钢板的波峰10cm～15cm。

优选地，纵桥向相邻的所述波纹钢板的片间最外侧波谷采用横向单排螺栓连接，横桥向相邻的所述波纹钢板的纵桥向边缘重叠处采用4排螺栓与对应的所述腹板上翼缘板螺栓连接。

优选地，所述后浇混凝土的顶部铺设有沥青铺装层；所述箱梁底板的上表面沿纵桥向间隔焊接有底板U肋。

为实现上述目的，本发明所述设计的正交异性钢桥面板结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤a)，将箱梁腹板、横隔板分别沿纵桥向、横桥向正交焊接在所述箱梁底板上，在每一所述箱梁腹板的顶部焊接固定水平的腹板上翼缘板；

步骤b)，在所述腹板上翼缘板上铺设波纹钢板，所述波纹钢板沿纵桥向和横桥向的边缘重叠且用紧固件连接；

步骤c)，用紧固件连接所述波纹钢板与所述腹板上翼缘板；

步骤d)，对所有紧固件进行复紧；

步骤e)，在所述波纹钢板上浇筑后浇混凝土；

步骤f)，在所述后浇混凝土的顶部铺设沥青铺装层。

优选地，在所述步骤b)中，相邻的所述波纹钢板之间采用高强螺栓和配套的螺母进行连接，纵桥向相邻的两所述波纹钢板采用所述螺母在上的方式栓接，横桥向相邻的两跨重叠的所述波纹钢板在波峰位置采用所述螺母在上的方式连接。

优选地，在所述步骤c)中，采用螺母在上的方式，在所述波纹钢板的纵桥向边缘的波谷位置利用所述高强螺栓将所述波纹钢板与所述腹板上翼缘板进行连接。

优选地，在所述步骤e)中，所述后浇混凝土以所述螺栓的超出所述波纹钢板的部分作为剪力钉，所述后浇混凝土高出所述波纹钢板的波峰10cm～15cm。

优选地，在所述步骤a)中，所述箱梁底板的上表面沿纵桥向间隔焊接有底板U肋；所述箱梁腹板的横桥向间距相同，所述波纹钢板均采用同一波形和尺寸，每一所述腹板上翼缘板在纵桥向开设有4排翼缘板连接孔，且所述腹板上翼缘板上的所述翼缘板连接孔的纵桥向、横桥向均在一条直线上。

本发明的有益效果是：本发明的正交异性钢桥面板结构及正交异性钢桥面板结构的施工方法，采用波纹钢板及后浇混凝土作为箱梁顶板，波纹钢板为成品板件，利用紧固件拼装，施工速度较快；波纹钢板厚度仅为常规平钢板厚度的一半且无U肋，用钢量大幅减少；波纹钢板的板片之间以及板片与腹板上翼缘间均没有焊接接缝，不存在焊接残余应力问题；波纹钢板的抗弯刚度远大于平钢板，极大的提升了正交异性钢桥面板整体的抗弯刚度，显著改善局部荷载受力；波纹钢板顶部后浇混凝土形成组合桥面板，进一步提高面板的刚度；波纹钢板采用高强螺栓拼装，高强螺栓露出部分可作为钢板与混凝土间的剪力钉，不必另设剪力钉；波纹钢板为螺栓拼接施工，装配化程度高，可缩短施工工期，且组合结构不单独设置剪力连接件，直接经济效益和间接经济效益显著。

附图说明

图1为采用本发明优选实施例的正交异性钢桥面板结构的局部立体结构示意图。

图2为施工后浇混凝土前正交异性钢桥面板结构的局部立体结构示意图。

图3为箱梁顶板与沥青铺装层的局部剖开后立体结构示意图。

图4为腹板上翼缘板与箱梁顶板连接的纵桥向示意图。

图5为波纹钢板与腹板上翼缘的搭接结构的俯视示意图。

图6为图5的立体示意图。

图7为图6中波纹钢板搭接时螺栓穿孔方式示意图。

图8为波纹钢板间的拼接重叠示意图。

图9为常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板结构的节段模型图。

图10为常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板结构的节段模型边界条件示意图。

图11为本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹钢板及顶部混凝土层的模型图。

图12为本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的节段模型边界条件。

图13为工况一下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板竖向位移(单位：m)

图14为工况一下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的竖向位移(单位：m)。

图15为工况一下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的顶板纵桥向应力(单位：Pa)。

图16为工况一下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的横桥向应力(单位：Pa)。

图17为工况二下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的竖向位移(单位：m)。

图18为工况二下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的竖向位移(单位：m)。

图19为工况二下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的顶板纵桥向应力(单位：Pa)。

图20为工况二本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹钢板横桥向应力(单位：Pa)。

图21为工况三下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的竖向位移(单位：m)。

图22为工况三下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的竖向位移(单位：m)。

图23为工况三下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的顶板应力(单位：Pa)。

图24为工况三下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的横桥向应力(单位：Pa)。

图25为工况四下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的节段纵桥向轴力1000kN作用下节段压缩量(单位：m)。

图26为工况四下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的节段纵桥向轴力1000kN作用下节段压缩量(单位：m)。

图27为工况五下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的U肋与顶板焊缝处横桥向应力的总桥向影响线。

图28为工况五下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹钢板波谷横桥向应力的纵桥向影响线。

图29为工况六下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的U肋与顶板焊缝处横桥向应力的横桥向影响线。

图30为工况六下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹钢板波谷横桥向应力的横桥向影响线。

图中各部件标号如下：箱梁顶板1(其中，波纹钢板1.1、后浇混凝土1.2；)；腹板上翼缘板2(其中，翼缘板连接孔2.1)；箱梁腹板3；横隔板4；底板U肋5；桥面沥青铺装层6；箱梁底板7；高强螺栓8；螺母9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1和图2，本发明的正交异性钢桥面板结构如图中所示，包括箱梁顶板1、腹板上翼缘板2、箱梁腹板3、横隔板4、底板U肋5、桥面沥青铺装层6及箱梁底板7，箱梁腹板3、横隔板4分别沿纵桥向、横桥向间隔布置在箱梁底板7上，箱梁底板7的上表面沿纵桥向间隔布置有底板U肋5。箱梁腹板3、横隔板4进行正交焊接连接在箱梁底板7上后形成无顶板的正交异性钢桥面节段。箱梁腹板3等间距设置，箱梁腹板3的顶部设有水平的腹板上翼缘板2，用于与箱梁顶板1连接。箱梁顶板1通过腹板上翼缘板2与无顶板的正交异性钢桥面节段固定连接后，形成正交异性钢桥面节段，箱梁顶板1上设有桥面沥青铺装层6。

请结合参阅图2和图3，箱梁顶板1包括波纹钢板1.1及浇筑在波纹钢板1.1上的后浇混凝土1.2。腹板上翼缘板2为沿纵桥向布置的、具有开孔的平钢板。在腹板上翼缘板2的顶部沿纵桥向和横桥向铺设波纹钢板1.1，波纹钢板1.1与腹板上翼缘板2采用螺栓连接。栓接完成之后，在波纹钢板1.1上整体现浇后浇混凝土1.2，形成波纹钢板-混凝土组合顶板，待箱梁顶板1形成后，顶部铺设沥青铺装层6。

在本实施例中，箱梁腹板3按照横桥向间距相同设置，以与顶部波纹钢板1.1的横桥向长度相适应。同时，箱梁腹板3顶部设置开孔的腹板上翼缘板2，腹板上翼缘板2在箱梁腹板3的两侧各设置两排沿纵桥向间隔布置的翼缘板连接孔2.1，翼缘板连接孔2.1的开孔位置与波纹钢板1.1上波谷预留螺栓孔的位置相对应，用于波纹钢板1.1与箱梁腹板3的连接之用。横隔板4的间距可比常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的横隔板间距大，仅用于抵抗箱梁腹板3的纵向屈曲，不与顶部波纹钢板1.1连接。在形成具有箱梁底板7、箱梁腹板3、横隔板4的箱室格构后，铺设波纹钢板1.1，铺设方向以波纹沿纵桥向进行铺设，纵桥向相邻波纹钢板1.1的片间最外侧波谷采用横桥向单排螺栓进行连接，横桥向相邻波纹钢板1.1的短边的4排螺栓孔与腹板上翼缘板2的4排螺栓孔对齐进行螺栓连接。

具体地，箱梁腹板3的腹板上翼缘板2上铺设有多块波纹钢板1.1，波纹钢板1.1的波纹(波峰、波谷)走向沿纵桥向设置，如图2和图4中所示。波纹钢板1.1均采用同一种波形尺寸，每一波纹钢板1.1在纵桥向和横桥向均与相邻的波纹钢板1.1的边缘重叠。更具体地，纵桥向相接的两块波纹钢板1.1之间的横桥向边缘重叠且与其横桥向相接的波纹钢板1.1的横桥向边缘重叠处不共线，横桥向相接的两块波纹钢板1.1之间的纵桥向边缘重叠且重叠处位于腹板上翼缘板2上，如图4、图5、图6中所示。即，波纹钢板1.1的纵桥向边缘的重叠处位于腹板上翼缘板2上，波纹钢板1.1的横桥向边缘的重叠处平行且错开。

更具体地，每一波纹钢板1.1的四边缘均开设有螺栓连接孔，横桥向的边缘开设有设置在波纹钢1.1的波谷处的单排孔，用于纵向相邻波纹钢1.1之间的搭接连接；纵桥向的边缘开设有四排孔，在波纹钢板1.1的波峰和波谷处均有设置，其中波谷处的孔用于与腹板顶部翼缘板2连接，波峰处的孔用于横桥向两跨重叠的波纹钢板1.1连接。

如图4、图5和图6中所示，每一波纹钢板1.1的波谷通过高强螺栓8及螺母9与腹板上翼缘板2上的翼缘板连接孔2.1连接，每一波纹钢板1.1的波峰通过高强螺栓8及螺母9植入后浇混凝土1.2中。具体地，在纵桥向的拼接处的波谷位置，高强螺栓8从下至上穿过波纹钢板1.1的波峰处的孔进入腹板上翼缘板2上对应的翼缘板连接孔2.1中后用螺母9锁紧；在纵桥向的拼接处的波峰位置，高强螺栓8从下往上穿过波纹钢板1.1的波峰处的孔进入后浇混凝土1.2位置后用螺母9锁紧；在横桥向的拼接处，高强螺栓8从下至上顺次穿过两块波纹钢板1.1上对应的孔后用螺母9锁紧。即，高强螺栓8自底部向上穿出，螺母9设置在后浇混凝土1.2侧，因此高强螺栓8伸出的部分可作为波纹钢板1.1与后浇混凝土1.2之间的剪力连接件，不需要另设剪力键。波纹钢板1.1的波峰位置处的高强螺栓8长度不必过长，而波纹钢板1.1的波谷位置处的高强螺栓8则相对需要较长，以增加混凝土与波纹钢板1.1及腹板上翼缘板2之间的连接。

在图示实施例中，横向各跨的波纹钢板1.1采用相同的波形尺寸、相同的开孔形式，箱梁腹板3及腹板上翼缘板2在横桥向上按照等间距布置；波纹钢板1.1的横桥向长度L大于纵桥向宽度B，如图5至图8中所示。栓接完成之后，在波纹钢板1.1上整体现浇混凝土1.2，形成箱梁顶板1，顶部铺设沥青铺装层6。后浇混凝土1.2厚度高出波纹钢板1.1的波峰约10cm～15cm。

上述正交异性钢桥面板结构中，箱梁顶板1中采用同一波形尺寸的波纹钢板1.1拼接，在桥梁的纵向和横向上均采用高强螺栓8拼接的方式连接，无波纹钢板焊接工作。横向上，箱梁腹板3间距设置等间距，且箱梁腹板3的顶部设置有较窄的开孔的腹板上翼缘板2，腹板上翼缘板2在箱梁腹板3的两侧各设置两排翼缘板连接孔2.1，与波纹钢板1.1端头预留螺栓孔完全对应，作为与顶部波纹钢板1.1的螺栓连接的连接孔。波纹钢板1.1的波纹走向为桥梁纵向，主要在桥梁横向上提供较大的抗弯刚度，波纹钢板1.1较大的横向刚度为桥面板施工荷载提供了支撑，作为波纹钢板1.1上的后浇混凝土1.2的模板，波纹钢板1.1间采用螺栓8进行连接时的螺杆主要朝上伸出，作为后浇混凝土1.2与波纹钢板1.1连接的剪力钉，省去了波纹钢板1.1与后浇混凝土1.2形成组合梁时单独设置的剪力钉。后浇混凝土1.2与波纹钢板1.1之间的组合作用，一部分靠螺栓8连接时伸出的螺杆，一部分靠后浇混凝土1.2与波纹钢板1.1之间更大的接触面积，另一部分依靠波纹钢板1.1波峰波谷变化时对后浇混凝土1.2的斜向挤压作用，三者的协同作用能保证波纹钢板1.1与后浇混凝土1.2间优异的组合性能。依据波纹钢板1.1与后浇混凝土1.1形成的组合顶板，可获得比常规平钢板顶板大的多的横向抗弯刚度和纵向抗弯刚度，且波纹钢板1.1厚度仅为常规平钢板的一半左右，其上后浇的混凝土厚度仅需高出波纹钢板的波峰约10cm～15cm，混凝土的用量减少，且无需设置顶板纵向U肋。此外，由于本发明采用波纹钢板与混凝土形成组合桥面板，横向刚度分布均匀且远大于常规平钢板加横隔板的方式，因此箱室内的横隔板数量可比常规正交异性钢桥面板更少，仅需保证腹板的竖向及纵向屈曲满足条件即可。

本发明的正交异性钢桥面板结构的施工方法，包括以下步骤：步骤a)，将箱梁腹板3、横隔板4、箱梁底板7、底板U肋5及腹板上翼缘板2焊接形成整体。

按照正交异性钢桥面板的制作工艺，将箱梁底板7、箱梁腹板3、底板U肋5、横隔板4进行焊接连接，形成无顶板的正交异性钢桥面板节段。

具体地，底板U肋5沿纵桥向间隔焊接固定在箱梁底板7的上表面上；多块平行的箱梁腹板3沿纵桥向焊接固定在箱梁底板7的上表面上，横隔板4沿横桥向焊接固定在箱梁底板7的上表面上，横隔板4与箱梁腹板3正交布置。

每一箱梁腹板3的顶部焊接固定腹板上翼缘板2，腹板上翼缘板2为带翼缘板连接孔2.1的平钢板。具体地，腹板上翼缘板2在纵桥向开设有四排翼缘板连接孔2.1，箱梁腹板3的横向间距相同，且腹板上翼缘板2上的翼缘板连接孔2.1的纵桥向、横桥向均在一条直线上。

步骤b)，在腹板上翼缘板2上进行波纹钢板1.1之间的拼接。

在腹板上翼缘板2的顶部沿纵桥向和横桥向铺设波纹钢板1.1，波纹钢板1.1之间采用高强螺栓8和配套的螺母9进行连接。纵桥向相邻两波纹钢板1.1采用螺母9在上的方式栓接，横桥向相邻两跨重叠的波纹钢板1.1在波峰位置采用螺母9在上的方式连接。

步骤c)，连接波纹钢板1.1与腹板上翼缘板2。

波纹钢板1.1与腹板上翼缘板2采用高强螺栓8和配套的螺母9进行连接。完成波纹钢板1.1的连接后，采用螺母9在上的方式，在波纹钢板1.1短边(纵桥向边缘)的波谷位置，利用较长的高强螺栓8将波纹钢板1.1与腹板上翼缘板2进行连接。

在螺栓8连接波纹钢板1.1的过程中，高强螺栓8的连接均采用螺母9在上的连接方式，高强螺栓8自底部向上穿出，螺母9设置在后浇混凝土1.2侧，因此高强螺栓8伸出的部分可作为波纹钢板1.1与后浇混凝土1.2之间的剪力连接件，不需要另设剪力键。波纹钢板1.1的波峰位置处的高强螺栓8长度不必过长，而波纹钢板1.1的波谷位置处的高强螺栓8则相对需要较长，以增加混凝土与波纹钢板1.1及腹板上翼缘板2之间的连接。

步骤d)，对所有的螺栓、螺母进行复拧，在腹板上翼缘板2上形成由波纹钢板1.1组成的上顶板。步骤e)，在波纹钢板1.1上浇筑后浇混凝土1.2。

将后浇混凝土1.2铺设在拼接完成的波纹钢1.1上，利用螺栓8伸出部分作为剪力连接件，不单独焊接剪力键，后浇混凝土1.2的厚度超出波纹钢板1.1的波峰。后浇混凝土1.2以螺栓8的露出部分作为剪力钉，形成钢-混凝土组合的箱梁顶板1。后浇混凝土1.2的厚度高出波纹钢板1.1的波峰约10cm～15cm。步骤f)，在箱梁顶板1的顶部铺设沥青铺装层6。

在图示实施例中，后浇混凝土1.2的顶面比波纹钢波板1.1的波峰高约10cm～15cm，后浇混凝土1.2内不设置连接钢筋，仅将高强螺栓8的螺杆作为剪力钉连接件。后浇混凝土1.2在腹板上翼缘板2顶部沿纵向有密集的高强螺栓8的螺杆作为剪力连接件，在两箱梁腹板3之间，每隔单个波纹钢板1.1的宽度，沿横向设有单排螺杆8作为剪力连接件，同时波纹钢板1.1本身的波纹对于后浇混凝土1.2来说也是一个大型的剪力连接件，能够确保波纹钢板1.1与后浇混凝土1.2之间在不设置普通钢筋的情况下，就具有优异的组合性能。

在图示实施例中，箱梁顶板1沿横桥向是以箱梁腹板3为支点的连续板，刚度较大；箱梁顶板1沿纵向是厚度周期性变化的变高度桥面板，纵桥向刚度也能够保证。

本发明的正交异性钢桥面板结构及施工方法中，波纹钢板均采用同一种波形尺寸，在桥梁的纵向和横向上均采用高强螺栓拼接的方式连接，无波纹钢板焊接工作。横向上，箱梁腹板间距设置等间距，且箱梁腹板顶部设置有开孔上翼缘板，腹板上翼缘板在箱梁腹板两侧各设置两排螺栓孔，与波纹钢板端头预留螺栓孔完全对应，作为与顶部波纹钢板螺栓连接的连接孔。波纹钢的波纹走向为桥梁纵向，主要在桥梁横向上提供较大的抗弯刚度，波纹钢板较大的横向刚度为桥面板施工荷载提供了支撑，作为波纹钢板上后浇混凝土的模板，波纹钢板螺栓连接时的螺杆主要朝上伸出，作为后浇混凝土与波纹钢板连接的剪力钉，省去了波纹钢板与混凝土形成组合梁时单独设置的剪力钉。后浇混凝土与波纹钢板之间的组合作用，一部分靠螺栓连接时伸出的螺杆，一部分靠混凝土与波纹钢板更大的接触面积，另一部分依靠波纹钢波峰波谷变化时对后浇混凝土的斜向挤压作用，三者的协同作用能保证波纹钢板与混凝土间优异的组合性能。依据波纹钢板与后浇混凝土形成的组合桥面板，在横隔板的纵向间距6m时即可获得比常规带U肋的平钢板顶板更大的横向抗弯刚度和纵向抗弯刚度，且波纹钢板厚度仅需为常规平钢板的一半左右，其上后浇的混凝土厚度仅需高出波纹钢板的波峰约10～15cm，混凝土的用量有限，且无需设置顶板纵向U肋。

由于本发明的正交异性钢桥面板结构及施工方法采用波纹钢板与混凝土形成组合桥面板结构的箱梁顶板，横向刚度分布均匀且远大于常规平钢板加横隔板的方式，因此钢梁内的横隔板数量可比常规正交异性钢梁更少，仅需保证腹板的竖向及纵向屈曲满足条件即可。

以下将本发明专利申请的正交异性钢桥面与常规顶板带U肋的正交异性钢桥面板进行力学性能对比分析。

一、模型参数：

1.1几何参数：

(1)常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的节段模型参数如下：

节段长度：12m；节段宽度：12m；顶板厚度：20mm；U肋厚度：10mm；U肋间距：0.6m；横隔板间距：3.6m。

图9为常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的节段模型。图10为常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的节段模型边界条件。

(2)本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的节段模型参数如下：

节段长度：12m；节段宽度：12m；波纹钢板厚度：10mm；混凝土层厚度：15cm；纵隔板间距：6m。

图11为本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹板及顶部混凝土层模型。图12为本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的节段模型边界条件。

1.2材料参数：

钢板：Q345(弹性模量：210GPa，泊松比：0.3，重度：78.5kN/m³)；混凝土：C50(弹性模量：35GPa，泊松比：0.2，重度：25kN/m³)。

1.3力学性能对比工况：

1.3.1静力性能工况：

工况一：桥面板顶板施加竖向面荷载10kPa；

工况二：相邻隔板间跨中施加集中力10kN；

工况三：相邻隔板间跨中施加车辆轮载(作用面积为0.6m×0.2m，轮重70kN)；

工况四：纵桥向轴向压力1000kN。

1.3.2疲劳性能工况：

工况五：U肋与顶板焊缝处横桥向应力、波纹钢板波谷横桥向应力的纵桥向影响线(纵桥向每作用点施加单位竖向力)；

工况六：U肋与顶板焊缝处横桥向应力、波纹钢板波谷横桥向应力的横桥向影响线(横桥向每作用点施加单位竖向力)。

二、静力工况计算结果：

2.1工况一：

图13为工况一下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的竖向位移(单位：m)。图14为工况一下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的竖向位移(单位：m)。

图15为工况一下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的顶板纵桥向应力(单位：Pa)。图16为工况一下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹钢板横桥向应力(单位：Pa)。

2.2工况二：

图17为工况二下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的竖向位移(单位：m)。图18为工况二下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的竖向位移(单位：m)。

图19为工况二下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的顶板纵桥向应力(单位：Pa)。图20为工况二下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构波纹钢板横桥向应力(单位：Pa)。

2.3工况三：

图21为工况三下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的竖向位移(单位：m)。图22为工况三下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的竖向位移(单位：m)。

图23为工况三下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的顶板应力(单位：Pa)。图24为工况三下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹钢板横桥向应力(单位：Pa)。

2.4工况四：

图25为工况四下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的节段纵桥向轴力1000kN作用下节段压缩量(单位：m)。图26为工况四下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的节段纵桥向轴力1000kN作用下节段压缩量(单位：m)。

三、疲劳工况计算结果：

3.1工况五：

图27为工况五下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的U肋与顶板焊缝处横桥向应力的总桥向影响线。图28为工况五下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹钢板波谷横桥向应力的纵桥向影响线。

3.2工况六：

图29为工况六下常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的U肋与顶板焊缝处横桥向应力的横桥向影响线。图30为工况六下本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹钢板波谷横桥向应力的横桥向影响线。

四、结论分析：

4.1静力工况对比分析：

表4.1常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板与本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的静力工况对比表

由表4.1中竖向位移可知，工况四时本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构与常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板相比，轴向抗压刚度基本相同；工况二、三时，最大竖向位移本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构比常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板小约10％，说明在轮载作用下，本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的竖向刚度大于常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板；对于工况一下，本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的竖向位移大于常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板，分析原因主要在于本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构通过较为稀疏的箱梁腹板进行支撑，每跨跨径达6m，而常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的顶板均采用较为密集的横隔板进行支撑，纵向计算跨径仅3.6m，另外由于本对比模型为了保持节段的长、宽尺寸一致，本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的节段模型采用的是横向2跨连续梁，而常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板采用了3跨连续梁，3跨连续梁与2跨连续梁相比，均布荷载作用下受力更加均匀。

由表4.1中顶板压应力可知，在工况一至工况三中，混凝土桥面板顶面的压应力和正交异性钢桥面板顶板压应力均处于较小应力范围，说明直接承受桥面荷载部位的应力状态稳定，主要用于传递上部结构的荷载。由表4.1中组合桥面板底(U肋底、本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹钢波谷)拉应力状态可知，在承受桥面均匀荷载(工况一)时，本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹钢、常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的U肋的拉应力均不大，说明本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构与常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板均能很好的分担桥面均布荷载(如铺装荷载)；而在局部轮载(工况三)作用下，常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的U肋拉应力大幅增加，而本专利的桥面板中波纹钢板底部拉应力并未显著增加，说明常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板确实存在局部轮载作用下应力较为集中的弊端，同时也表明本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构在局部荷载作用下仍具有良好的受力性能。

4.2疲劳工况对比分析：

本发明的主要目的是为了解决常规正交异性钢桥面板的疲劳问题，采用的是波纹钢板与混凝土板组成组合桥面板，无焊接焊缝的存在。为了说明问题，分别研究对比了热点位置(常规桥面板U肋与顶板焊缝处、本专利组合桥面板波纹钢波谷处)的拉应力总桥向、横桥向影响线。

表4.2工况五下纵桥向加载下钢板横向拉应力影响线

表4.3工况六下纵桥向加载下钢板横向拉应力影响线

由表4.2可知，沿桥梁纵向，常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的U肋与顶板焊缝处拉应力幅值为3.226kPa，且最大与最小应力值出现的间距为0.1m，在沿桥梁纵向，拉压交替次数达4次；而本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹钢波谷拉应力幅值仅0.179kPa，且由于本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的跨径方向为横桥向，与纵向荷载的行进方向垂直，最大拉应力变化至最小拉应力是缓慢变化的过程，没有明显的拉压交替特征。

由表4.3可知，沿桥梁横向，常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的U肋与顶板焊缝处拉应力幅值为2.92kPa，且最大与最小应力作用位置的间距为0.1m，拉压交替次数达4次；而本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的波纹钢波谷拉应力幅值仅0.163kPa，且最大与最小应力作用位置的间距约6m，即横向一跨上的车辆荷载会造成相邻跨产生压应力，这是典型的连续结构静力受力模式，不会造成疲劳破坏。

综合表4.2和表4.3的对比可知，无论横桥向还是纵桥向，常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板在车辆活载(沿桥梁纵向行驶)作用下是一个高幅、低周的疲劳过程，存在明显的疲劳问题，而本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构中波纹钢板为低幅、高周的疲劳过程，更趋近与静力受力状态。

综合以上分析，可得出以下结论：①在结构刚度方面，本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构采用波纹钢厚度仅为常规桥面板顶板厚度一半、混凝土铺装层厚度仅15cm、横向跨径为6m时，即可获得与常规正交异性钢桥面板相同的轴压刚度，同时，竖向刚度也约为常规钢桥面板竖向刚度的1.2倍左右；②在结构静力应力方面，本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构具有与常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板同样优异的均布荷载作用下的受力性能，同时本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构也具有比常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板更加优异的局部荷载作用下的受力性能，局部轮压荷载下，U肋弯曲应力可达30MPa以上，而波纹钢板弯曲应力仅10MPa；③在结构疲劳性能方面，本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构中的波纹钢板应力幅为低幅、高周疲劳状态，更趋近于常规静力受力性能，不存在明显的疲劳问题；④常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板由于其焊缝拉应力与车行方向垂直，具有典型的高幅、低周疲劳特征，由于顶板局部刚度较小，疲劳问题几乎无法避免，本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的顶部为混凝土层，局部刚度均匀，可有效解决疲劳开裂问题；⑤常规顶板采用U肋的正交异性钢桥面板的U肋和顶板采用焊接连接，焊接残余应力、焊接变形等会先天性的带来更加严重的疲劳开裂问题，而本发明专利申请的正交异性钢桥面板结构的顶板部分不存在焊接连接，疲劳问题基本可以得到解决。

因此，本发明的正交异性钢桥面板结构及施工方法采用波纹钢板作为面板，相比于传统焊接有U肋的平钢板面板，具有如下优点：一是，波纹钢板为成品板件，利用高强螺栓拼装，施工速度较快；二是，波纹钢板厚度仅为常规平钢板厚度的一半，且无U肋，用钢量大幅减少；三是，板片之间以及板片与腹板上翼缘间均没有焊接接缝，不存在焊接残余应力问题；四是，波纹钢板的抗弯刚度远大于平钢板，极大的提升了钢桥面板整体的抗弯刚度，显著改善局部荷载受力；五是，波纹钢板顶部后浇混凝土形成组合桥面板，进一步提高面板的刚度；六是，波纹钢板采用高强螺栓拼装，高强螺栓露出部分可作为钢板与混凝土间的剪力钉，不必另设剪力钉；七是，波纹钢板为螺栓拼接施工，装配化程度高，可缩短施工工期，且组合结构不单独设置剪力连接件，直接经济效益和间接经济效益显著。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种正交异性钢桥面板结构，其特征在于：包括箱梁顶板（1）、箱梁腹板（3）、横隔板（4）及箱梁底板（7），所述箱梁腹板（3）、所述横隔板（4）分别沿纵桥向、横桥向间隔设置在所述箱梁底板（7）上，所述箱梁顶板（1）包括波纹钢板（1.1）及后浇混凝土（1.2），所述波纹钢板（1.1）铺设在所述箱梁腹板（3）顶面上，所述后浇混凝土（1.2）浇筑形成在所述波纹钢板（1.1）上；

所述箱梁腹板（3）的顶部沿纵桥向设有水平的腹板上翼缘板（2），所述波纹钢板（1.1）在所述腹板上翼缘板（2）的顶部沿纵桥向和横桥向铺设并与所述腹板上翼缘板（2）通过紧固件连接；

所述波纹钢板（1.1）的波纹走向沿纵桥向设置，每一所述波纹钢板（1.1）在纵桥向和横桥向均与相邻的所述波纹钢板（1.1）的边缘重叠，横桥向相邻的所述波纹钢板（1.1）的边缘重叠处均位于所述腹板上翼缘板（2）上且与所述腹板上翼缘板（2）连接，纵桥向相邻的所述波纹钢板（1.1）的边缘重叠处之间相互平行且不共线；

所述腹板上翼缘板（2）在对应的所述箱梁腹板（3）的两侧分别设有翼缘板连接孔（2.1），所述波纹钢板（1.1）的纵桥向边缘的重叠处的波谷位置对应所述翼缘板连接孔（2.1）预留有螺栓孔；

每一所述波纹钢板（1.1）的纵桥向边缘的重叠处的波谷通过高强螺栓（8）从下向上穿过所述腹板上翼缘板（2）上的对应的所述翼缘板连接孔（2.1）后及用螺母锁紧；每一所述波纹钢板（1.1）的纵桥向边缘的重叠处的波峰通过所述高强螺栓（8）从下向上穿过后用所述螺母（9）锁紧，所述高强螺栓的螺杆伸入所述后浇混凝土（1.2）中。

2.根据权利要求1所述的正交异性钢桥面板结构，其特征在于：每一所述波纹钢板（1.1）的四边缘均开设有螺栓连接孔，横桥向的边缘在所述波纹钢板（1.1）的波谷处开设有单排孔，所述单排孔用于纵向相邻所述波纹钢板（1.1）之间的搭接连接；纵桥向的边缘在所述波纹钢板（1.1）的波峰处和波谷处开设有四排孔，所述四排孔中位于所述波谷处的孔用于与所述腹板顶部翼缘板（2）连接，位于所述波峰处的孔用于横桥向重叠的所述波纹钢板（1.1）之间的连接。

3.根据权利要求2所述的正交异性钢桥面板结构，其特征在于：所述波纹钢板（1.1）均采用同一波形和尺寸，所述箱梁腹板（3）按照横桥向间距相同设置，相邻两块所述箱梁腹板（3）的横桥向间距与所述波纹钢板（1.1）的横桥向的长度相适应。

4.根据权利要求3所述的正交异性钢桥面板结构，其特征在于：所述波纹钢板（1.1）的横桥向的长度大于纵桥向的宽度。

5.根据权利要求1所述的正交异性钢桥面板结构，其特征在于：所述波纹钢板（1.1）的波峰位置处的所述高强螺栓（8）长度小于波谷位置处的所述高强螺栓（8）的长度，所述高强螺栓（8）的超出所述波纹钢板（1.1）的螺杆部分埋置在所述后浇混凝土（1.2）中，所述后浇混凝土（1.2）高出所述波纹钢板（1.1）的波峰10cm~15cm。

6.根据权利要求1所述的正交异性钢桥面板结构，其特征在于：纵桥向相邻的所述波纹钢板（1.1）的片间最外侧波谷采用横向单排螺栓连接，横桥向相邻的所述波纹钢板（1.1）的纵桥向边缘重叠处采用4排螺栓与对应的所述腹板上翼缘板（2）螺栓连接。

7.根据权利要求1所述的正交异性钢桥面板结构，其特征在于：所述后浇混凝土（1.2）的顶部铺设有沥青铺装层（6）；所述箱梁底板（7）的上表面沿纵桥向间隔焊接有底板U肋（5）。

8.一种根据权利要求1至7中任一项所述的正交异性钢桥面板结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤a），将箱梁腹板（3）、横隔板（4）分别沿纵桥向、横桥向正交焊接在所述箱梁底板（7）上，在每一所述箱梁腹板（3）的顶部焊接固定水平的腹板上翼缘板（2）；

步骤b），在所述腹板上翼缘板（2）上铺设波纹钢板（1.1），所述波纹钢板（1.1）沿纵桥向和横桥向的边缘重叠且用紧固件连接；

步骤c），用紧固件连接所述波纹钢板（1.1）与所述腹板上翼缘板（2）；

步骤d），对所有紧固件进行复紧；

步骤e），在所述波纹钢板（1.1）上浇筑后浇混凝土（1.2）；

步骤f），在所述后浇混凝土（1.2）的顶部铺设沥青铺装层（6）；

其中，在所述步骤b）中，相邻的所述波纹钢板（1.1）之间采用高强螺栓（8）和配套的螺母（9）进行连接，纵桥向相邻的两所述波纹钢板（1.1）采用所述螺母（9）在上的方式栓接，横桥向相邻的两跨重叠的所述波纹钢板（1.1）在波峰位置采用所述螺母（9）在上的方式连接；

在所述步骤c）中，采用螺母（9）在上的方式，在所述波纹钢板（1.1）的纵桥向边缘的波谷位置利用所述高强螺栓（8）将所述波纹钢板（1.1）与所述腹板上翼缘板（2）进行连接。

9.根据权利要求8所述的正交异性钢桥面板结构的施工方法，其特征在于：在所述步骤e）中，所述后浇混凝土（1.2）以所述螺栓（8）的超出所述波纹钢板（1.1）的部分作为剪力钉，所述后浇混凝土（1.2）高出所述波纹钢板（1.1）的波峰10cm~15cm。

10.根据权利要求8至9中任一项所述的正交异性钢桥面板结构的施工方法，其特征在于：在所述步骤a）中，所述箱梁底板（7）的上表面沿纵桥向间隔焊接有底板U肋（5）；所述箱梁腹板（3）的横桥向间距相同，所述波纹钢板（1.1）均采用同一波形和尺寸，每一所述腹板上翼缘板（2）在纵桥向开设有4排翼缘板连接孔（2.1），且所述腹板上翼缘板（2）上的所述翼缘板连接孔（2.1）的纵桥向、横桥向均在一条直线上。

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