正交异性板

正交异性板即正交异性钢桥面板，是用纵横向互相垂直的加劲肋（纵肋和横肋）连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构。这种结构由于其刚度在互相垂直的二个方向上有所不同，造成构造上的各向异性。

细部构造

对于大跨度悬索桥和斜拉桥，钢箱梁自重约为PC箱梁自重的1/5～1/6.5。正交异性钢板结构桥面板的自重约为钢筋混凝土桥面板或预制预应力混凝土桥面板自重的1/2～1/3。所以，受自重影响很大的大跨度桥梁，正交异性板钢箱梁是非常有利的结构形式。

通常在钢桥面板上铺装沥青混凝土铺装层，其主要作用是保护钢桥面板和有利于车辆的走行性。近代正交异性钢桥面板的构造细节，由钢面板纵肋和横肋组成，且互相垂直。目前钢面板厚度一般为14~18mm，纵肋通常为U形肋或球扁钢肋或板式助，U形肋板厚一般为6mm或8mm，横梁间距一般为3.4～4.5m，两横梁之间设一横肋。

制造时，全桥分成若干节段在工厂组拼，吊装后在桥上进行节段间的工地连接。通常所有纵向角焊缝(纵向肋和纵隔板等)贯通，横隔板与纵向焊缝、纵肋下翼缘相交处切割成弧形缺口与其避开。

分析方法

正交异性板除作为桥面外，还是主梁截面的组成部份，它既是纵横梁的上翼缘，又是主梁的上翼缘。传统的分析方法是把它分成三个结构体系加以研究，即：

（1）主梁体系：由盖板和纵肋组成主梁的上翼缘，是主梁的一部份。

（2）桥面体系：由纵肋、横梁和盖板组成，盖板成为纵肋和横梁的共同上翼缘。

（3）盖板体系：仅指盖板，它被视为支承在纵肋和横梁上的各向同性连续板。

计算方法

解析法是将正交异性钢桥面板结构作为弹性支承连续正交异性板分析的较为成熟的经典计算方法。根据所取的计算模型不同，解析法计算又可分为以下几种：

（1）把板从肋的中间分开，并归并到纵横肋上去，构成格子梁体系。它的缺点是未能考虑板的剪切刚度。

（2）把纵横梁分摊到板上，也就是将板化成一种理想的正交异性板。当荷载作用在横肋上时，这种方法是较好的，但当荷载作用在两横肋中间时，此法的精度就差了。

（3）对法2的改进，即将作用有荷载的那个节间单独处理，令节间的横向抗弯刚度等于盖板的抗弯刚度，其余节间解同法2

（4）Pelikan-Esslinger法。此法是将纵肋均分摊到盖板上，而将横肋作为刚性支承，求解后再将横肋的弹性支承计入。

随着计算机技术的发展，正交异性板的求解又有了很多新的数值法。目前较有成效的是有限差分法、有限条法和有限单元法。

疲劳问题

钢桥面板作为主梁的上翼缘，同时又直接承受车辆的轮载作用。如上所述，钢桥面板是由面板、纵肋和横助三种薄板件焊接而成，在焊缝交叉处设弧形缺口，其构造细节很复杂。当车辆通过时，轮载在各部件上产生的应力，以及在各部件交叉处产生的局部应力和变形也非常复杂，所以钢桥面板的疲劳问题是设计考虑的重点之一。自1966年英国Severn桥（悬索桥）采用扁平钢箱梁以来，钢桥面板陆续出现许多疲劳裂纹，主要产生的部位有纵助与面板之间的肋角焊缝、纵横肋交叉的弧形缺口处，U形肋钢衬垫板对接焊缝处等，其中梁段之间钢桥面板工地接头是抗疲劳最薄弱的部位。

由于钢桥面板不可能更换，产生裂纹后修补又比较困难，50年来．通过一系列的试验研究和有限元分析，以及实践经验总结，对钢桥面板构造细节的设计和焊接不断进行了改进，使得钢桥面板产生裂纹的概率大大减少。如钢桥面板工地接头构造，过去采用的纵向肋焊接对接和高强度螺栓对接，改进后面板对接采用陶瓷衬垫单面焊双面成型工艺，U形肋采用高强度螺栓对接拼接。改进后的构造细节既克服了工地接头纵向U形肋嵌补段的仰焊对接，从而改善了疲劳性能，又避免了面板栓接拼接对桥面铺装层的不利影响。这种构造细节在1999年建成的日本来岛大桥、明石海峡大桥（悬索桥）和多多罗大桥（斜拉桥）中得到应用。

裂纹问题

正交各向异性板III型裂纹问题

与传统的有限元方法比较,不同之处在于F2LFEM方法将裂纹结构的区域用人工边界Γ划分为两部分D和Ω。区域D是围绕产生应力奇异性的裂纹尖端邻域,在区域D内采用分形有限元(或称相似有限元)求解。除D以外的区域为Ω,在区域Ω内,采用传统有限元方法求解。由于在D内建立起相似单元和相似层,将得到每一层的刚度相等的结果,在采用了William's一般解作为分形有限元法的插值函数后,求解无限多自由度问题转换为有限个广义系数的确定,同时,在理论上,可以在裂尖构造无限小的单元。将分形有限元与传统有限元结合在一起进行求解,极大地简化了计算,并且精度得到了显著的提高。 二级分形有限元法,已经成功地应用于各向同性介质结构的应力强度因子的计算。本文将这一方法推广应用于正交各向异性材料,首先引入参数β= (μ_x/μ_y)~(1/2),利用坐标变换,将正交各向异性板反平面裂纹问题的基本问题转换为各向同性的形式进行求解,然后经过反变换求得问题的一般解。应用这一比拟方法,分别求导了含有边缘裂纹和内部裂纹的正交各向异性板Ⅲ型裂纹问题的William's一般解。 将导出的William's一般解作为分形有限元的整体插值函数,应用F2LFEM分别求解了正交各向异性板含单边裂纹、对称双边裂纹、中心裂纹以及内部裂纹情形下的Ⅲ型应力强度因子,将本文的结果退化为各向同性情形后与理论解比较,结果表明本方法是非常有效和精确的。 最后将此方法应用到国家航天科技集团公司基金项目---花瓣铺层碳/碳材料固体火箭发动机柔性喷管扩张段层间裂纹问题的研究,计算出裂纹不同方向时的应力强度因子。

应用