用正交组合板提高公路正交异形板钢桥面的耐久性

深海鱼

1 概述和背景

正交异性板钢桥面的箱梁自从上个世纪50年代末以来一直风靡世界大跨度桥梁。中国大陆从1980年左右在大跨度的斜拉桥采用正交异性板钢桥面的箱梁，随后推广到大跨度的悬索桥，梁桥，拱桥等领域。

大致在上个世纪80年代末，欧洲早期的正交异性板钢桥面逐渐发现疲劳裂纹，比较典型的英国的塞文桥（1966年竣工的钢箱梁悬索桥）。随后德国，荷兰等国家的正交异性板钢桥面也发现疲劳裂纹，尤其是许多公路桥，铁路桥的情况反而好一点。因为铁路的轮轴荷载虽然比较大，但是经过钢轨，轨枕和道咋（厚度大致35cm左右）的分布后，其局部的面荷载比公路桥梁小。另外铁路桥梁的轨道位置是固定的，所以铁路正交异形板钢桥面出现的疲劳裂纹比较少。公路桥因为车辆位置不固定，桥面铺装层的厚度小（不足10cm），经常超载等不利因素，导致车轮下局部的局部荷载比铁路桥大，因此一些公路正交异性板钢桥面在通车20年后出现了疲劳裂纹，有的国家的时间更短。

2 正交组合板的定义

德国工程师定义的正交组合板就是在普通的正交异性钢桥面上面铺设15cm后的普通钢筋混凝土，混凝土内部设置一层纵向和横向钢筋，混凝土的强度一般为C45~C60，混凝土板和钢箱梁之间采用普通剪力钉连接，剪力钉的纵横向间距大致为35-45cm。而且顶板加劲肋的上口跨度一般取400-450mm，加劲肋的间距取800-900mm。实际上这种正交组合板介于普通的钢-砼结合梁和正交异形板之间。

图 1 正交组合板示意图 在大开口的闭口肋上铺设15cm的普通钢筋混凝土之后，除了不能解决加劲肋过横隔板齿口附近横隔板的疲劳开裂外，几乎解决了正交异形板钢桥面其它所有的疲劳裂纹。对于加劲肋过横隔板齿口附近横隔板的疲劳开裂可以采用局部加厚横隔板的方法解决。
德国工程师为什么会选择正交组合板来替代中等跨度桥梁的正交异性板钢桥面呢？这个得说说正交组合板的历史。

图 齿口处的疲劳裂纹

齿口处疲劳裂纹的加固图

　　3 正交组合板的技术演变

　　其实正交组合板并不是什么新技术，它出现在上个世纪70年代。1970-1978年德国的莱昂哈特—安德拉咨询公司在阿根廷的巴拉那河上设计了两座公铁平层合建的斜拉桥，该桥的跨度为330m，主梁采用钢箱梁。可是当时的阿根廷缺乏正交异性板上面铺设沥青层的摊铺机，如果只为了这两座桥把摊铺机和沥青拌合设备运输到阿根廷，则费用太高了。于是向来务实的德国桥梁工程师Reiner Saul 在钢箱梁上面铺设了14cm的普通钢筋混凝土。这座桥建成多年后也没发现多大问题，似乎被人们慢慢地遗忘了。

附注：Reiner Saul 博士生于1938年，曾任德国莱昂哈特—安德拉咨询公司的总裁，他是本文作者在德国莱昂哈特—安德拉咨询公司工作和学习期间的指导老师，本文作者和Reiner Saul 博士共同发表桥梁工程领域的文章多篇，具体参见文献(1)等。

图 2 阿根廷的巴拉那河斜拉桥

图 3 阿根廷的巴拉那河斜拉桥主梁横截面

　　上个世纪末，不少正交异性板出现了疲劳裂纹，德国工程师在寻找其他方法的时候才想起来这座桥的情况如何？经过与现场的管理工程师联系，发现20多年后，这座桥的钢箱梁没有发现疲劳裂纹，于是德国和法国工程师又把目光重新投向了这座建成以后的斜拉桥，也许它能为解决公路钢箱梁的疲劳裂纹提高新的途径。修建了多座采用正交组合版的桥梁。

经过综合对比，对于主跨600m以下的斜拉桥，如果桥梁的基础不是非常差，采用在钢箱梁上面铺设15cm混凝土，另外对钢箱梁采用大开口和大间距的闭口纵肋，其经济效益稍微好于传统的正交异形板加7cm环氧铺装或5 cm厚的UHPC。

如果不采用大开口和大间距的闭口纵肋，而采用传统的闭口纵肋，其经济效益稍和传统的正交异形板加7cm环氧铺装或5 cm厚的UHPC基本持平。

对于更大跨度的斜拉桥，尤其是基础较差的斜拉桥，采用正交组合板不一定经济。

自从2014年开始，中铁二院设计的海口如意岛跨海大桥，兰州雁青公铁合建多功能黄河桥，宜宾临港公铁合建长江大桥等的公路桥面采用了正交组板技术。

德国斯图加特大学实验室中的正交组合板模型实验

3.1 荷兰的奈美庭城市桥

本桥为主跨280m的系杆拱桥，承载6车道公路，2008年建成。

图4 荷兰的奈美庭城市桥总体布置

图 5 荷兰的奈美庭城市桥主梁截面

图 6本文作者在此桥工地

3.2 德国新勒物库森桥

本桥为52.7+74+74+280+74+74+60m的双塔斜拉桥，在更新了上面铺设15cm厚的混凝土板。目前该桥由中国山海关桥梁厂进行主梁的制造。

本桥的总体布置，主梁截面修正版会补上。

本桥效果图

3.3 海口如意岛跨海大桥

2014年在中国海口如意岛公铁合建跨海大桥的投标中，由中铁二院，德国莱昂哈特—安德拉咨询公司，德国GMP建筑公司联合体获得方案竞赛第一名并获得本桥的初步设计和全部科学研究的工作。
其中主跨为主跨200m的风帆型桥塔斜拉桥。引桥大部分为主跨75m的连续梁。
本桥的主桥和引桥的钢箱梁上面铺设了15cm的混凝土。在西南交通大学进行了静力和疲劳试验，结果非常好。

在西南交通大学进行的大开口纵肋正交组合板试验（2014）

3.4 宜宾临港公铁合建桥

由中铁二院主持设计的宜宾临港长江大桥设计世界首座高速铁路和公路合建的钢箱梁斜拉桥，主跨522m，承载4线高速铁路和6车道高速公路，铁路的设计速度300kmph。在公路部分的钢箱梁顶面铺设了15cm的混凝土板。本桥已经已经基本完成了基础部分的施工。预计2022年建成。

宜宾临港公铁合建长江大桥施工照片

4 结论

2000年以后，德国，法国，荷兰和比利时等国对正交异性板钢桥面的疲劳进行了多种研究。另外中国的部分工程师和高校也进行了研究和工程实践。

本文作者愚见，在目前的情况下，对于不同的桥梁采用不同的方法比较合适，具体如下：

（1）对于老钢桥加固用UHPC，因为老桥的恒载不能增加了。

（2）对于中小等跨度新桥采用正交组合板。

（3）对大跨度采用加厚桥面板和u肋，各种焊接工艺提高疲劳寿命。例如：欧洲著名公司近年设计的土耳其的三个世界级的大桥。

作者 王应良 工学博士，桥梁工程师，英国注册工程师(CEng 584540)。应届博士毕业20多年来在12个国家和地区设计和咨询大型桥梁40多座。主要研究方向为：钢桥，钢-砼结合梁桥，桥梁总体设计。以第1作者发表钢桥，钢-砼结合梁桥领域的论文21篇。其中SCI收录11篇，EI收录17篇。获得2016年度《英国桥梁工程学报》优秀论文奖。设计的桥梁中已有三座登上国际杂志。