正交異性板

正交異性板即正交異性鋼橋面板，是用縱橫向互相垂直的加勁肋（縱肋和橫肋）連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結構。這種結構由於其剛度在互相垂直的二個方向上有所不同，造成構造上的各向異性。

基本介紹

• 中文名：正交異性板
• 外文名：orthotropic plate
• 又稱：正交異性鋼橋面板
• 板厚：6mm或8mm
• 橫樑間距：3.4～4.5m
• 科目：交通工程

細部構造

對於大跨度懸索橋和斜拉橋，鋼箱梁自重約為PC箱梁自重的1/5～1/6.5。正交異性鋼板結構橋面板的自重約為鋼筋混凝土橋面板或預製預應力混凝土橋面板自重的1/2～1/3。所以，受自重影響很大的大跨度橋樑，正交異性板鋼箱梁是非常有利的結構形式。

通常在鋼橋面板上鋪裝瀝青混凝土鋪裝層，其主要作用是保護鋼橋面板和有利於車輛的走行性。近代正交異性鋼橋面板的構造細節，由鋼面板縱肋和橫肋組成，且互相垂直。目前鋼面板厚度一般為14~18mm，縱肋通常為U形肋或球扁鋼肋或板式肋，U形肋板厚一般為6mm或8mm，橫樑間距一般為3.4～4.5m，兩橫樑之間設一橫肋。

製造時，全橋分成若干節段在工廠組拼，吊裝後在橋上進行節段間的工地連線。通常所有縱向角焊縫(縱向肋和縱隔板等)貫通，橫隔板與縱向焊縫、縱肋下翼緣相交處切割成弧形缺口與其避開。

分析方法

正交異性板除作為橋面外，還是主梁截面的組成部份，它既是縱橫樑的上翼緣，又是主梁的上翼緣。傳統的分析方法是把它分成三個結構體系加以研究，即：

（1）主梁體系：由蓋板和縱肋組成主梁的上翼緣，是主梁的一部份。

（2）橋面體系：由縱肋、橫樑和蓋板組成，蓋板成為縱肋和橫樑的共同上翼緣。

（3）蓋板體系：僅指蓋板，它被視為支承在縱肋和橫樑上的各向同性連續板。

計算方法

解析法是將正交異性鋼橋面板結構作為彈性支承連續正交異性板分析的較為成熟的經典計算方法。根據所取的計算模型不同，解析法計算又可分為以下幾種：

（1）把板從肋的中間分開，並歸併到縱橫肋上去，構成格子梁體系。它的缺點是未能考慮板的剪下剛度。

（2）把縱橫樑分攤到板上，也就是將板化成一種理想的正交異性板。當荷載作用在橫肋上時，這種方法是較好的，但當荷載作用在兩橫肋中間時，此法的精度就差了。

（3）對法2的改進，即將作用有荷載的那個節間單獨處理，令節間的橫向抗彎剛度等於蓋板的抗彎剛度，其餘節間解同法2

（4）Pelikan-Esslinger法。此法是將縱肋均分攤到蓋板上，而將橫肋作為剛性支承，求解後再將橫肋的彈性支承計入。

隨著計算機技術的發展，正交異性板的求解又有了很多新的數值法。目前較有成效的是有限差分法、有限條法和有限單元法。

疲勞問題

鋼橋面板作為主梁的上翼緣，同時又直接承受車輛的輪載作用。如上所述，鋼橋面板是由面板、縱肋和橫助三種薄板件焊接而成，在焊縫交叉處設弧形缺口，其構造細節很複雜。當車輛通過時，輪載在各部件上產生的應力，以及在各部件交叉處產生的局部應力和變形也非常複雜，所以鋼橋面板的疲勞問題是設計考慮的重點之一。自1966年英國Severn橋（懸索橋）採用扁平鋼箱梁以來，鋼橋面板陸續出現許多疲勞裂紋，主要產生的部位有縱助與面板之間的肋角焊縫、縱橫肋交叉的弧形缺口處，U形肋鋼襯墊板對接焊縫處等，其中梁段之間鋼橋面板工地接頭是抗疲勞最薄弱的部位。

由於鋼橋面板不可能更換，產生裂紋後修補又比較困難，50年來．通過一系列的試驗研究和有限元分析，以及實踐經驗總結，對鋼橋面板構造細節的設計和焊接不斷進行了改進，使得鋼橋面板產生裂紋的機率大大減少。如鋼橋面板工地接頭構造，過去採用的縱向肋焊接對接和高強度螺栓對接，改進後面板對接採用陶瓷襯墊單面焊雙面成型工藝，U形肋採用高強度螺栓對接拼接。改進後的構造細節既克服了工地接頭縱向U形肋嵌補段的仰焊對接，從而改善了疲勞性能，又避免了面板栓接拼接對橋面鋪裝層的不利影響。這種構造細節在1999年建成的日本來島大橋、明石海峽大橋（懸索橋）和多多羅大橋（斜拉橋）中得到套用。

裂紋問題

正交各向異性板III型裂紋問題

與傳統的有限元方法比較,不同之處在於F2LFEM方法將裂紋結構的區域用人工邊界Γ劃分為兩部分D和Ω。區域D是圍繞產生應力奇異性的裂紋尖端鄰域,在區域D內採用分形有限元(或稱相似有限元)求解。除D以外的區域為Ω,在區域Ω內,採用傳統有限元方法求解。由於在D內建立起相似單元和相似層,將得到每一層的剛度相等的結果,在採用了William's一般解作為分形有限元法的插值函式後,求解無限多自由度問題轉換為有限個廣義係數的確定,同時,在理論上,可以在裂尖構造無限小的單元。將分形有限元與傳統有限元結合在一起進行求解,極大地簡化了計算,並且精度得到了顯著的提高。 二級分形有限元法,已經成功地套用於各向同性介質結構的應力強度因子的計算。本文將這一方法推廣套用於正交各向異性材料,首先引入參數β= (μ_x/μ_y)~(1/2),利用坐標變換,將正交各向異性板反平面裂紋問題的基本問題轉換為各向同性的形式進行求解,然後經過反變換求得問題的一般解。套用這一比擬方法,分別求導了含有邊緣裂紋和內部裂紋的正交各向異性板Ⅲ型裂紋問題的William's一般解。 將導出的William's一般解作為分形有限元的整體插值函式,套用F2LFEM分別求解了正交各向異性板含單邊裂紋、對稱雙邊裂紋、中心裂紋以及內部裂紋情形下的Ⅲ型應力強度因子,將本文的結果退化為各向同性情形後與理論解比較,結果表明本方法是非常有效和精確的。 最後將此方法套用到國家航天科技集團公司基金項目---花瓣鋪層碳/碳材料固體火箭發動機柔性噴管擴張段層間裂紋問題的研究,計算出裂紋不同方向時的應力強度因子。

套用

正交異性鋼橋面板最早用於軍事用途，直接當成行車道板。當其逐漸被廣泛地套用於民用橋樑之後，為了保證行車舒適感和鋼橋面的使用壽命，就必須給其加上鋪裝層。目前常用的鋪裝層有水泥混凝土鋪裝和瀝青混凝土鋪裝，即剛性鋪裝和柔性鋪裝兩種形式。瀝青混凝土鋼橋面鋪裝具有重量輕、變形協調性能優越、粘性好、方便維修和行車舒適等特點，因此在國內外大跨鋼橋中廣泛套用。