1、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 6.4
2、mm ，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 50mm 高强栓在竖向将
3、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 ： 127139 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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 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，
11、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
12、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 PP160 。 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
13、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
14、形。桥面钢板厚 1218mm ，箱底板厚 1030mm ，腹板厚 1020mm 。桥面纵肋为闭口的梯形，肋厚 69mm ，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
15、：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，
16、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 920mm 。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
17、，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 920mm 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
18、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
19、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
20、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
21、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
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23、 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 11.Der stahlbau: 58.2 3 ； 74.2,pp.62 63 12.Strasse Brucke Tunell,V25,n4,1973.4,pp.90 94 13.Tiefbau,1973.1 pp.12 18 14.Schwe i en und Schneiden: 1968.9 PP413 417; 1971.9,PP339 343 15.ASCE.Civil Eng g .V42,n6,PP47 50 16.ENR.V192,n18,PP20 21 17.Colloquium IABSE, London ,1971,PP367 399
