正交异性钢桥面设计、施工和维护手册
翻译：郭斌强、何晓军、王长江
4.7.钢桥面与桥面铺装的复合性能
实验室测试和现场测量研究表明，路面减少了正交异性钢桥面的位移和应力。这是机械表征的一个重要方面，特别是当应用于准确评估钢材关键细节的疲劳应力时。 De Jong和Kolstein（2004）的实验表明，不同路面材料和不同温度下正交异性钢桥面的应力范围比无路面的正交异性钢桥面的应力范围小1~6倍。系数不相等。然而，传统的沥青或聚合物铺路材料通常仅提供粘弹性或塑性，或仅在较低温度下表现出其刚度。此外，这些材料在使用过程中容易开裂，或者在高应力位置脱粘，这会减少或消除它们的硬化效应（第9章有关于表面材料的更详细信息）。这些材料在公路桥梁的安全结构设计中往往不予考虑。但由于钢桥设计中对疲劳极限状态进行了控制设计，这些钢桥面铺装材料的应用可以有效降低钢桥设计成本。
传统的复合材料分析方法是基于钢材与路面材料的弹性模量比：n=E(钢材)/E(WS)。计算有效板厚度并可用于评估应力。计算该比率时，应考虑温差和活载速度变化引起的路面材料弹性模量的差异。还必须考虑软粘性层中发生的剪切“滑移”的影响。如果没有相关数据，复杂的分析方法（如 SEIM 和 Ingham（2004）所示）或实验测试可以准确估计所考虑的路面层的复合刚度。
4.8.稳定性
正交异性板作为桥梁上部结构的一部分钢结构设计手册 模量，必须具有一定的稳定性，以保证在发生轴向变形或弯曲时，不会降低桥梁的整体强度。特别是在斜拉桥和连续箱梁桥上，正交异性钢桥面板主要承受压力作用。在箱梁翼缘处，桥梁上部结构整体弯曲的需求导致翼缘板几乎产生纯粹的轴向压应力。在全局加局部需求的情况下，腹板可能会受到不同的应力梯度和剪切效应的影响。正交各向异性板必须评估的稳定性极限状态包括：
1.肋间板局部屈曲；
2、肋壁局部屈曲；
3 正交各向异性板的屈曲。
测试表明，加筋板中的肋失效非常重要，因为它可能导致整个板突然失效（Grondin 等，1998）。
美国认可的局部板稳定性的简化评估方法是限制宽厚比（B/T）以防止局部屈曲。当超过这些限制时，局部屈曲会导致刚度损失、应力重新分布和宽度上的部分失效（SSRC 1998）。标称临界屈曲应力通过经验折减因子控制局部屈曲。这种有效宽度的概念已在设计规范中使用多年（AISI，2001）（美国，2005）。
稳定性还可以通过更严格的计算方法来实现，例如有限元分析。以下是使用有限元进行屈曲分析时常用的两种策略：
1. 特征值屈曲分析
2. 非线性增量塌陷分析——可以追踪达到和超过临界载荷的整个平衡路径。
最常用的方法是特征值屈曲分析。由于计算量较小，只需利用特征值提取程序的整体刚度矩阵进行矩阵求逆，无需多次求逆矩阵。特征值屈曲分析可以使用大多数商业软件进行。然而，该方法仅限于小的预屈曲位移和任何材料特性的基本上线性变化。这通常称为“弹性”或“柱”屈曲。该分析忽略了任何残余应力和缺陷的存在，导致计算出的屈曲载荷过高。对于长细比较大的板材，特征值屈曲分析方法误差较小；然而，随着板的长细比减小钢结构设计手册 模量，这种误差变得越来越明显，并且屈曲与非弹性密切相关。非线性增量屈曲分析方法可以充分考虑残余应力和缺陷。然而，这需要分析人员对有限元方法的各个方面有更高水平的理解，例如非线性元素定义、网格划分、初始应力和增量。无论采用哪种方案，有限元模型都必须包含足够细化的网格来描述结构的屈曲。
4.8.1.局部屈曲
根据各构件的长细比（a/td、e/td或h/tr（见图4-24）），正交各向异性桥面与肋的连接点以及肋处可能会出现局部屈曲。这一极限状态已被数值模拟和实验所证实（Chou et al. 2006）（Grondin et al. 2002）。正交异性钢板桥面板的局部屈曲问题首先在《正交异性钢板桥梁设计手册》（美国，1963）中提出并讨论。该方法基于不同载荷和不同边界条件的简单板单元的弹性稳定性分析。在弹性分析中，引入刚度折减系数来近似考虑非弹性。不考虑后屈曲行为。
最近，亚诺德等人。 (2007) 对正交异性钢桥面板封闭肋的局部屈曲行为进行了分析参数研究。肋壁是最细长的构件，对其在纯轴向变形下的应力和轴力弯矩复核进行了研究。研究中没有考虑缺陷和残余应力的影响，但通过与物理测试结果的比较证实了该问题的简化假设的准确性。研究表明，局部屈曲会降低面板的强度。减少程度是纵向肋壁长细比的函数，并且存在一个极限宽厚比（B/T），在该极限宽厚比下面板可以达到最大屈曲能力。
图4-24 考虑局部屈曲的闭肋桥面有效宽度
细长加筋构件的钢结构建筑规范（AISC，2005）给出了因局部屈曲而导致强度降低的定量指标，该指标基于有效宽度方法并考虑了其屈曲后行为（AISC，2005） 。该方法允许使用细长单元折减系数 (Q) 简单计算折减临界应力。该结论基于测试结果（Winter，1947 年）和北美冷弯结构构件设计规范（AISI，2001 年）。由于两个纵向边缘均受到支撑，因此甲板和肋材被视为加强件。如果桥面肋与肋墙之间的宽厚比超过公式4-7所示的极限值，则板单元减少的有效宽度如4-8所示：
其中：be为缩径板的有效宽度； t为板单元的厚度； b为板单元的宽度； E为弹性模量； F是施加的应力（可以保守地取为Fy）。
如果截面上所有单元的宽厚比均小于式（4-7），则局部屈曲不会降低板的抗压强度。若多个构件的长细比超过式（4-7），则必须逐一计算有效宽度。请注意，公式 4-7 是基于加筋板保守考虑的。与空心箱形截面一样，两侧的法兰板对旋转刚度的贡献很小（AISC，2005）。方程（4-8）对正交各向异性钢桥面板的适用性基于以下假设：残余应力和缺陷与轧制或焊接结构形状中的残余应力和缺陷具有相似的大小。
求出截面上各细长构件的有效宽度后，按下式计算其折减系数（Q）：
其中：Aeff为有效宽度范围内加强筋面积之和； A是总横截面积。
细长构件折减系数可用于计算板的屈曲强度。该方法可以直接计算桥面局部屈曲的屈曲强度。
需要说明的是，折减系数法可以合理确定加劲肋桥面板的屈曲强度，这一点在许多典型正交各向异性桥面板中得到了证实。但该方法不适用于加劲肋长细比超过60的桥面，需要另一种更严格的分析方法。这是因为加强筋的局部屈曲降低了面板的整体屈曲强度，其程度比典型的轧制钢材降低了其强度还要多。
上面给出了封闭加劲肋局部屈曲的计算方法。由于计算方法和理论相差不大，因此未给出开肋局部屈曲的计算方法。
4.8.2.板的屈曲
由于板周围的双向正交加劲和约束边界，加筋板的板屈曲是一个复杂的问题。关于这个主题的相关历史研究可以在 Troitsky (1977) 和 (SSRC, 1998) 中找到。一般来说，正交各向异性板结构中的腹板和隔板具有足够的刚度，可以用作固定边界支撑，以防止板的面内屈曲。与加筋板单元类似，如果面板的屈曲后强度超过初始屈曲强度，则可以采用局部有效宽度法来量化该值。
Horne 和 Narayanan (1977) 提出了一种计算加筋板屈曲强度的简化方法，该方法将加筋板视为一系列独立的加筋加有效宽度的支柱（见图 4-25），然后应用基本的柱理论。这种方法保守地忽略了面板横向弯曲、路面刚度和封闭肋的扭转刚度。
图4-25 闭肋正交各向异性桥面屈曲强度简化分析
考虑到减少细长构件局部屈曲的条件，根据《钢结构建筑规范》（美国，2005）的强度公式确定临界屈曲应力如下：
其中：Fe为弹性屈曲临界应力； Q 为局部屈曲折减系数； K为有效长度系数； L为压应力方向板的跨度； r 是立柱的回转半径。
如果需要更准确地分析板的屈曲强度，并充分考虑正交刚化行为，建议使用有限元方法。这可以简化为具有理想边界条件的单个面板，或视为多跨连续结构。请注意，正交异性钢桥面板的桥面屈曲对残余应力非常敏感（Chou 等，2006）。因此，当板的长细比较低时，有限元建模分析应采用考虑初始应力和非弹性材料行为的非线性增量屈曲分析。或者，可以使用模型中的刚度降低因子（即使用“切线”模量）修改弹性屈曲分析结果，或者可以降低阻力系数以近似非线性行为。
4.8.3 残余应力
正交异性钢桥面板的残余应力主要是由纵向焊缝的冷却引起的。焊缝或火焰切割边缘附近狭窄区域的最大残余拉伸应力大于或等于板材的屈服强度（Bjorhovde，1972）。考虑到桥面的稳定性，我们主要关心的是桥面和肋骨的纵向残余应力。这些应力大小和分布的数据有限；格隆丁等人。 (2002)发现分布图如图4-26所示。请注意，正交各向异性板中残余应力的大小（最大 Fy 最大，最小 0.25Fy）与典型热轧和焊接柱的残余应力大小相似（Bjorhovde，1972）。但分布却完全不同。对于正交异性板，一旦施加屈曲力，截面刚度会根据钢塑材料的硬化程度迅速下降。因此，对于长细比较小的板材，研究表明（Chou et al. 2006）方程（4-10）可能不够保守。关于板屈曲，除非未来的研究能够更准确地量化整个域中正交各向异性板的非弹性屈曲强度，否则严格的增量非线性有限元分析方法现在可以提供更准确的结果。
图4-26 桥面和肋骨正交各向异性板的近似残余应力模型：
拉伸场和压缩场的位置
4.8.4.缺陷
非直板或翘曲板的应力特性将稳定性问题转化为板弯曲问题。尽管几何缺陷会降低板的屈曲强度，但研究表明其影响远小于残余应力（Chou，2006）。成品板的缺陷与施工过程中的制造技术和质量控制措施直接相关（第10章详细介绍）。分析假设必须与构造中的制造公差一致。为了制定AISC规范公式，基于实际交付的部件中可接受的缺陷上限，规范中的上限为L/1000。缺陷尺寸也适用于一般桥梁施工，使得 AISC 规范适用于正交异性板。在非线性有限元分析模型中对缺陷进行建模时，最大幅度以 L/1000 为中心的半正弦形状是一个保守且合理的假设，其中 L 是压应力方向上的跨度。
4.8.5。二阶效应
当正交异性板作为桥面直接承受交通荷载时，通常处于弯曲和轴压状态。局部车轮载荷引起面板的面外扭转，从而引起二阶力矩的轴向载荷偏心。活荷载挠度的大小会缩短路面寿命。然而，由于轴向载荷接近弹性屈曲临界应力，二阶效应成为不可忽略的因素。通过几何非线性有限元分析，可以将载荷直接施加到变形结构上。需要注意的是，为了准确分析P-δ效应，需要对每个结构单元进行适当的离散化。此外，还可采用钢结构建筑规范（AISC，2005）的“增强一阶分析的二阶分析方法”。该方法可以简单计算板的总弯矩：
其中：Mu为包含二阶效应的最大计算弯矩； Mo为一阶分析中横向荷载的最大计算弯矩； Bl——面板横向位移引起的附加弯矩的放大系数（Pä）； fu 仅考虑应力载荷的计算，为纯轴向应力； Cm为等效弯矩系数。
其中 δo 是横向载荷引起的最大挠度。另外，其他情况（包括横向加载板）Cm=1.0可近似简化。
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