从正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史来领略桥梁的科技发展和创新.docVIP

正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史发布时间：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。桥梁，他只是交通建设之中的一个局部，而交通又是用来支撑经济发展的。因此，桥梁的科技发展和创新有其特点。现试以正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史为例，叙述其梗概，供参考在各个国家的经济发展之中，总是先引进火车和铁路，随后才发展铁路和公路。因此，铁路桥的建设总是先于公路桥；而在交通运输线已在全国形成网络后，桥梁建设就趋于沉静。就建筑材料讲，起初是使用木材、石材、铸铁，到19世纪才有熟铁、钢材、钢筋混凝土。再就结构理论讲，当现代桥梁刚起步时，人们只能计算简单的平面结构，为了保证桥梁安全，只好将空间结构分解为主梁（承担竖直方向主要荷载者）和各种联结系（用于承担横向及纵向附加力，并支撑主梁、以保证其稳定者），简化其计算，而后迭加，并采用较大的安全系数。而为了使铁路活荷载能安全地传递到主梁，又需使用纵梁（支承枕木，而枕木则承载轨道）及横梁（支承纵梁，将纵梁所受的力传到主梁）。由于马车和汽车都不要轨道，道路桥和公路桥就必须用桥面板；开始时，曾用木桥面板，随后就用钢筋混凝土桥面板，并将桥面板搁在纵梁或横梁之上。钢筋混凝土桥面板自重过大，在20世纪30年代，随着焊接的运用，人们开始在开启桥和轻便桥梁中使用钢板作桥面，并在钢纵梁（即纵向肋）上翼缘边缘和钢面板之间用角焊缝相连，这样，一部分钢面板就可以当作钢纵梁的上翼缘。这便是钢正交异性板的原始形式。在第二次世界大战之中，中等跨度桥梁遭受破坏者甚多。战后亟待修复，但钢材供应紧张，而技工工资较低。这就给采用钢正交异性板作桥面，并且让桥面与主梁共同作用（让桥面兼充主梁上翼缘），从而节约钢材的桥梁一个蓬勃发展的机会。在20世纪50～60年代，这样的桥曾大量修建。正交异性板的纵向肋主要使用开口式，但闭口式纵向肋也已有个苗头。由于公路桥面较宽，活荷载时常对桥轴有偏心，而箱形截面梁因其抗扭性能较高，更加适合，这又使箱形梁逐步地发展起来。在1969年11月至1971年11月，时间只是两年，接连有4座钢箱梁大桥在施工阶段出了事。这使桥梁界大为震惊。英国成立了箱形钢梁桥委员会，进行研究，并召开国际性会议进行研讨。1982年，英国桥梁规范BS5400第3篇钢桥出版，对解决板件稳定问题作出了规定。这使钢箱梁设计水平迈上了一个新台阶。 1985～1991年，英国对其在1966年建成的塞文河桥渡破损之处进行了整修，对于钢正交异性板的疲劳进行了研究，还对箱形结构某些薄弱之处进行了加强。这些经验是重要的，需要认真吸取。1998年，丹麦建成了大贝耳特海峡东桥（正桥是中跨为1624m的地锚式悬索桥），钢正交异性板和箱形结构在其悬索桥加劲梁和引桥的应用达到了20世纪最高的水平。现在先对正交异性板的含义作一解释。梁是一种线性结构，两端有支承；它只在一个方向传力，将外力（竖向荷载）传到支承。矩形板是一种平面结构，它可以在 4 边有支承，它所受的外力（竖向荷载）就在纵向和横向（正交方向）传递到 4 边的支承。棋盘式的格子梁体系，也像矩形板一样，是在互相正交的两个方向传力。就现今已叫惯了的正交异性板讲，其纵肋和毗邻的部分翼缘钢板形成纵梁，其横肋和毗邻的部分翼缘钢板形成横梁，其承受荷载的机理正是和格子梁体系一样。对于没有用肋加强的匀质板（例如，厚钢板）讲，因为厚度到处一样，它在纵向和横向，其单宽截面的惯性矩就一样，为明确其特点，应该叫正交同性板（ orthogonal-isotropic plate ）。对于用纵肋和横肋加强的桥面钢板讲，由于纵肋和横肋所分别组成的纵、横梁按单宽计的截面惯性矩不一样，那就只能形象地叫作正交异性板（ orthogonal-anisotropic plate ，简称为 orthotropic plate ）。在传力性能上，这两种板是不同的。在分析计算中，为了节省计算工作量，可以将用许多肋加强的板先按其在纵向和横向单宽截面惯矩值的不同，换算成正交异性板；在按正交异性板的理论将荷载所生的各个单宽内力（弯矩、扭矩、剪力等）求得后，再推算纵肋、横肋、桥面板的各种应力。因此，将这样构造的桥面板称作钢正交异性板，也就约定俗成了。让正交异性板用于实腹梁桥，正交异性板可以兼充实腹梁的上翼缘，既增加了梁的刚度，使桥的建筑高度减小，又节约了钢材（节省了专用于上翼缘的材料）。因此，它得到了推广。1 、在 1930 ～ 1970 年之间，钢正交异性板运用于桥梁的情况在 193 0 ～ 1940 年之间，原生态的钢正交异性板出现图 1-1 是美国 AISC （美国纲结构学会）所推荐的“加强钢桥面”（ Battledeck Floor ） [1]:2 。钢面板厚 10 ～ 19mm ，纵梁（纵向肋）采用轧制工字