正交异性板钢桥面板一级设计指南 美国联邦公路管理局 新泽西大道 1200 号， SE; Washington , DC 20590 2022 年 12
正交异性板钢桥面板一级设计指南
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摘要
本指南为桥梁工程师和业主提供了一般信息和典型细节，以帮助规范正交异性钢桥面板（OSD）的设计/制造，使其更具竞争力。本文件并不打算制定国家标准，而是通过减少参数变化来帮助提供信息。
OSD桥梁可以是闭口肋或开口肋系统，本指南首先介绍了有关OSD桥梁设计的背景信息。
讨论了有关OSD桥梁的一般考虑因素，然后是闭口肋或开口肋系统的具体说明，包括纵肋的几何形状、尺寸和制造方法。对面板的选择提出了建议，然后讨论了桥面铺装的类型和选择注意事项。最后，提供了对横梁/横肋设计的建议。
在整个文件中，提供了几个在役OSD桥梁性能的简短总结。
自 20 世纪 40 年代以来，正交异性钢桥面板（ OSD ）桥梁已经在世界各地成功使用（ Connor et al.2012 ）。 OSD 桥梁系统是一种耐用、冗余的系统，与其他梁系统相比，它是一种轻量级的系统。该系统已用于新的设计和修复场景。然而， OSDs 在普通桥梁上的广泛应用受到设计的复杂性、复杂的分析需求、高制造成本和业主要求的实验性疲劳测试的影响（ Connor 等人， 2012 ）。
名词注释：
图 1 和图 2 分别是 OSD 的一般平面图和横断面视图。
提供每个图是为了让本指南中使用的某些术语更加清晰。请注意，指南中的所有平面图和详细图纸都是由研究人员为本指南开发的，除非在个别图表下另有注明。
图 2 图 1 中 A-A 剖面图
2 “大局”考虑
设计要点：
? 与改造或大跨度项目相比，在中短跨度桥梁中， OSDs 材料的优化使用是次要的；在大跨度项目中，重量最小化可能更关键
?OSDs 具有高度冗余性，减轻了由于潜在的疲劳开裂或腐蚀损失而引起的安全问题
?OSDs 的维护与其他钢桥类似，自动化不是 OSDs 高质量制造的要求
本指南中提供的典型纵肋设计和细节是基于真实桥梁的历史成功服役性能和设计师、制造商的平衡投入，符合 L RFD 规范 AASHTO 2017 1 。
OSD s 已用于世界各地桥梁的新建设、改造和修复——主要是标志性和大跨度桥梁。这些设计经常经过改进，以最大限度地减少整体重量和高度，以符合几何限制。对于典型的短跨径桥梁的 OSDs ，减重和减高只是实现全寿命周期费用优化目标的两个考虑因素。本指南中建议的细节反映了为更广泛的应用而设计桥面板的努力，这可能会导致较小的优化设计。然而，与潜在的意外和 / 或持续的可用性和维护问题所产生的成本相比，额外材料的初始成本只是象征性的。
本文还提出了一些关于桥梁几何结构的建议，以进一步简化 OSDs 的使用。在公路设计中应尽量简化桥面板的几何形状。这些不是要求，而是消除不必要复杂性的方法 :
? 保持几何正切，确保桥墩和桥台是正交的
? 保持均匀的横坡或将横坡顶点放置在纵向焊接位置
? 将肋和横梁（横肋）设置为与纵横坡垂直
OSD 在连接和承载构件方面是高度冗余的。虽然预计 OSD 的退化速度与其他钢桥组件相同，但其固有的冗余有助于缓解疲劳开裂或截面腐蚀损失的潜在担忧。当复用长期性能良好的在役桥梁的设计细节时，尤其如此。
OSD 的维护与其他日常维护相同。检查 OSD 的疲劳和腐蚀造成的截面损失。油漆或其他防护涂层的维护预计将在梁的使用寿命内完成，间隔时间与典型的钢上部结构的维护计划一致。新技术和方法正在出现，以加快纵肋的制造，特别是闭口肋。这些技术应该能够轧制各种形状和尺寸的肋，并有助于这些形状的标准化。本指南中描述的闭口肋形状预计将使用折弯机形成，尽管该指南对使用新技术形成的纵肋同样有效。
对于不熟悉的人来说， OSD 可能需要复杂的制造方法，甚至自动化（机器人）制造，但使用传统方法制造 OSD 很容易实现高质量的制造。随着制造的进步以及制造商对设备和技能的投资， OSDs 的成本正在不断降低。
连接的复杂性对设计者来说也是一种阻碍，对制造者来说也是一种挑战。由于这个原因，人们努力采用简单的连接细节，而不仅仅是尽量减少材料的使用。设计师应避免过度规定制造手段和方法，为制造者留下空间，以选择可行的具有成本效益的解决方案。
为了确保 OSD 桥梁的现场施工不会遇到不必要的困难，制造者在车间试装时应特别注意对齐和几何形状。建议平整度公差为 10 英尺以上桥面板采用 1/8 英寸（ 3mm ），与其他钢桥部件的正常车间平整度公差一致。这个公差也应该符合一个合适的驾驶平整度。然而，在端部，制造者应该生产出适合在现场安装的桥面板，而对这一条件的检查是桥面板连接处的适合性。
虽然没有建议对面板的长度、宽度和方正度有特别的公差，但桥面板接头的配合控制着这些几何尺寸。也就是说，对于适当的面板尺寸，现场组装的桥面板接头的几何形状和焊接准备应符合 AASHTO/ 美国焊接协会（ AWS ） D1.5 桥梁焊接规范（ AASHTO/AWS 2016 ）规定的坡口焊接对齐公差。
3 闭口肋系统
? 闭口肋结构已被证明是有效的 OSD 解决方案
? 槽型肋比 U 形肋更容易制造
?AASHTO 已经制定了从过去的一些做法中放宽纵肋与面板部分熔透接头（ PJP ）焊缝的最小熔透率
? 制造者应被赋予灵活性，根据需要准备纵肋以促进焊接目标的实现 。
许多服役桥梁中，闭口肋 OSD 已被证明是一种有效的系统（ Connor et al. 2012 ）。闭口肋系统固有的弯曲和扭转刚度比开口肋系统提供了一些好处。荷载更有效地横向分布在梁上，在现有的闭口肋形中，槽型肋形的制造更简单，性能与其他闭口肋形相同。出于这个原因，下面几节中提供的形状是梯形的。
纵肋和面板之间的连接是用 PJP 坡口焊完成的。过去的焊接规范使这种连接难以完成。研究表明，最小的焊缝熔透率可以降低，并且可以接受焊透的余量（ Sim 和 Uang 2008 ），这可以提高连接的可施工性和成本 。
纵肋和面板之间的连接只能从纵肋外部观察到，这限制了在制造过程中确保熔透的能力，之后，如果认为有必要，也限制了在使用中检查的能力。对于制造商来说，开发一种有效的程序来确保具有正确的最小熔透的良好焊接是很重要的。
与开口肋系统相比，梁段之间的现场拼接不那么容易完成。在制造和安装过程中需要更严格的公差，以确保适当的配合。纵肋拼接通常使用螺栓完成，螺栓通过肋板底部的手孔进入，这增加了整体制造的挑战。与开口肋系统相比，纵肋与横梁的连接也更加复杂。在横梁设计中需要考虑更大的切口，通常会导致更大的结构腹板高度。
考虑到肋与面板焊缝的最低熔透率，制造者的目标是，考虑到他们预期的熔透率的变化，熔透率总是高于最低限度。只要焊缝不存在健全性问题，熔透率可以达到 100% 。在达到 100% 熔透率的焊缝中，通常会有一些轻微的焊透现象，而且焊透现象并不具有危害性。对于设计合理的焊接程序来说，发生焊穿的情况是非常不寻常的。
纵肋与面板紧密贴合，以尽量减少焊透，并促进良好的焊接。只要焊接良好，就没有规定的最大装配间隙，但通常肋板到面板的装配间隙不超过 0.020 英寸（ 0.508mm ）。
间隙过大会导致凹形轮廓和可能的焊穿。应允许制造商自行决定焊缝设计的需要（例如，坡口面角度，钝边尺寸）。应允许制造商确定点焊数量、点焊尺寸、点焊频率和间距，以实现纵肋 — 面板贴合连接，尽管过量的点焊可能会破坏最终焊接的质量。通常情况下，点焊焊接细节的批准来自记录工程师。
OSD 设计中的所有其他焊缝都是角焊缝，符合角焊缝无损检测（ NDE ）要求。如果按照 AASHTO/AWS D1.5 标准进行准备和焊接（ AAS HTO /A WS2016 ） 1 ，这些焊缝的疲劳性能不是主要问题。
闭口肋和横梁之间的全贴合连接因制作简单而吸引人。即便如此，工程师们一直在犹豫是否要使用全贴合连接连接，认为它刚度太大了，在纵肋末端旋转下会产生高应力。为了更好地了解这种连接，并研究如何减少应力，在过去的几十年里，已经完成了大量的研究。
最近，在实验室疲劳试验中观察到（ Saunders et al.2019 ），当全贴合连接承受非常高的载荷（比 OSD 的 AASHTO 疲劳第 I 组合总串联轴载荷大 25% ）和大量循环（约 200 万次）时，会发生意外的根部裂纹。在 AASHTO 疲劳载荷下的典型应力下完成的相同试验不会导致相同的焊缝裂纹。此外，在新的和 1 级典型细节 OSDs 中使用的更高的横梁预计具有较低的应力水平。到目前为止，还没有在使用中的安装连接中发生过类似的根部开裂案例。
为了减少潜在的高应力和焊接疲劳裂纹，开发并测试了几个版本的细节，在靠近封闭肋底部的横梁 / 横肋上采用了一个切口（ Saunders 等人， 2019 ；）。早期形式的细节需要密集的制造，随后的形式被开发出来以方便制造。这些连接主要是针对结构高度有限，无法实现更高的横梁 / 横肋的好处的桥面板更新应用，因此限制了桥面板更新的装配连接细节的使用。
闭口肋系统的典型肋尺寸见图 3 和表 1 。两种肋尺寸选项显示了最大跨度（横梁间距，如图 4 所示），每个选项的典型肋间距为 2 英尺 2 英寸（ 660mm ），继续保持老尺寸。在役的 OSD 与这种尺寸的闭口肋延伸超过这一长度的性能还没有被调查，因此不在这里介绍。纵肋的几何形状保持不变，以促进 OSD 的一级设计制造。图 5 到图 8 展示了更多的细节。
闭口肋细节
图 3 典型的闭口肋细节
方案
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纵肋高度（ A ）
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最大跨径
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面板厚度
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1#
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266.7mm
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4572.0mm
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15.9mm
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2#
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355.6mm
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5486.4mm
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19.1mm
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图 4 闭口肋在横肋处的细节
如图4所示，横梁挖孔（完全贴合型，译者注）与纵肋轮廓一致的形状，并按图示进行焊接。纵肋下面的横梁（或横肋）的高度应等于或大于纵肋（ A ）的高度，以保持适当的灵活性（柔性）。纵肋（ S ）的间距为 2 英尺 2 英寸（ 660.4mm ），但可以在名义上减少，以适应整个桥梁的几何形状。
图 5 闭口肋与面板连接细节
图 8 闭口肋场拼接手孔细节
丹齐格桥 —— 路易斯安那州
图 9 新奥尔良的丹齐格桥
丹齐格桥（图 9 ）横跨路易斯安那州新奥尔良的工业运河。这是 US 90 公路上的一座垂直升降桥，建于 20 世纪 80 年代中期，使用 OSD 桥面板（图 10 ）。建成后，这座桥成为世界上最宽的升降桥。
根据路易斯安那州运输与发展部（ DOTD ） 2018 年的检查报告，丹齐格桥 OSD 运行良好，尽管注意到桥面铺装开裂和修补，这可能表明纵肋 / 面板 / 桥面铺装组合系统过于柔性。还应该注意的是，面板是 1/2 英寸厚，小于 5/8 英寸，显著降低桥梁的整体刚度。其他 OSD 桥的面板一般都是 5/8 英寸厚。
桥面铺装开裂的原因可能是整体刚度较低，也可能与桥面铺装材料和应用有关。检查记录没有显示这是可能纵肋到面板连接开裂的症状。以下任何一项都可能有助于解决桥面铺装开裂问题：较厚的面板，较高的纵肋，或更硬的桥面铺装。纵肋在形状上为封闭弯折的槽型（图 11 ），而不是 U 型，这简化了纵肋与桥面板的连接，该连接采用了部分熔透焊接，最小熔透率为 80% 。这个连接在许多闭口肋 OSD 项目中普遍存在。在检查报告中，没有迹象表明该接头性能不佳。
肋板拼接位置在肋板底部有一个手孔。这个手孔用于连接螺栓，将拼接板固定在纵肋上。一旦连接完成，手孔被一个铁丝网覆盖，以阻止鸟类，主要是防止鸟类在纵肋上筑巢。检查报告指出，一些铁丝网缺失了，事实上，鸟类已经把手孔用作筑巢的地方。尽管纵肋到腹板的扩展挖孔细节与本指南中的闭口肋设计不同，但过去的性能使丹齐格桥成为梯形闭口肋设计的一个例子，尤其是纵肋几何形状和拼接细节。
本文为正交异性板钢桥面板一级设计指南（上），下一篇将介绍指南4~7章节，包含开口肋系统、面板、桥面铺装、横梁等设计指南。敬请关注！
