近年來，人們通過詳細的有限元建模，對CRD進行了廣泛的分析，并且利用全尺寸橋面板原型進行了疲勞試驗。目前，雖存在許多關(guān)于CRD的設計指南和規(guī)范規(guī)定。但仍有許多與CRD相關(guān)的制造難題和性能問題，尤其是縱肋—橋面板接縫部分焊透（PJP）焊縫的質(zhì)量控制，這些PJP焊縫根部的橋面板疲勞性能較差，以及無法檢查內(nèi)肋和修復起始于PJP焊縫根部的潛在疲勞裂紋。

在過去，盡管人們通常認為ORD的扭轉(zhuǎn)剛度低得多，并且需要兩倍于CRD的焊接長度，因此ORD雖不太受歡迎，但還是被廣泛采用。許多人還認為，ORD要比CRD重很多，才能達到相同水平的結(jié)構(gòu)性能。不過，使用ORD還是有許多好處，例如消除縱肋彎曲，縱肋—橋面板連接使用角焊縫代替PJP焊縫，以及不存在無法檢查的封閉空間。此外，ORD較易滿足可變縱肋高度需求，這一點正是重新安裝低間隙橋梁橋面板所需要的。

本文將：

1）簡要概述CRD和ORD的發(fā)展史；

2）探討過去幾十年設計專業(yè)人員避免使用ORD的原因；

3）討論ORD和CRD的優(yōu)缺點；

4）介紹案例研究的結(jié)果；

5）得出結(jié)論并提出建議。

圖2 歐洲和北美代表性正交異性橋面板的發(fā)展史

圖2展示了歐洲和北美地區(qū)采用了ORD和CRD的代表性項目的發(fā)展歷程。在日本也存在類似的趨勢。自1998年左右以來，中國一直在使用正交異性鋼橋面板，并且認為正交異性鋼橋面板只有閉口肋橋面板。

ORD

ORD的發(fā)展要早于CRD。1934年，德國人在均林根的“高速公路立交橋”中首次使用了開口肋鋼橋面板，這是一種“空心”橋面板，需要進行大量焊接。大約在1935年，“加強鋼橋面板（battledeck floor）”，類似于圖3所示，首次安裝在RFK大橋（當時名為三區(qū)大橋（Triborough Bridge））的升降式橋跨上。1938年，美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會首次發(fā)表關(guān)于鋼橋面板的研究報告，其中包括“加強鋼橋面板”。然而，橋面板既不產(chǎn)生橫梁應力，也不影響橋梁主要承載構(gòu)件的剛度和強度，因此，加強鋼橋面板結(jié)構(gòu)未能達到預期的經(jīng)濟效益。

圖3 典型“加強鋼橋面板”橋梁截面

在第二次世界大戰(zhàn)期間，正交異性鋼橋面板的發(fā)展基本處于停滯狀態(tài)。但在戰(zhàn)爭結(jié)束后，由于鋼材短缺，正交異性鋼橋面板得以迅速發(fā)展，達到了更高的水平。在1950年，第一座以鋼橋面板作為主梁的橋梁問世，它就是德國內(nèi)卡河上的庫法爾茨大橋（Kurpfalz Bridge）。1951年，德國再一次突破，在科隆米爾海姆（Cologne-Muelheim）懸索橋上安裝ORD。幾年后，其他歐洲國家也建造了好幾座ORD橋梁。

美國第一座大型ORD橋梁是建于1967年的圣馬特奧-海沃德大橋。最近的兩個大型ORD項目是喬治華盛頓大橋的上層公路（1978年）以及本杰明富蘭克林大橋的引橋和懸臂（1987年)。自20世紀80年代后期以來，在定于2020年到2022年實施的紐約皇后區(qū)大橋主桁架橋跨上的上層公路橋面板重裝項目之前，美國和其他國家基本上沒有大型的ORD結(jié)構(gòu)項目。有關(guān)開口肋的詳情，見表1。

CRD

1954年，兩座采用了CRD的橋梁在德國建成，即韋斯特大橋和杜伊斯堡-洪堡大橋。不久之后，德國又有幾座采用了三角形CRD的橋梁建成通車。

1960年,加拿大溫哥華開始建造系桿拱橋——曼港大橋,其為北美第一座使用CRD的橋梁。美國第一座大型CRD橋梁是建于1968年的人氣街大橋(Popular Street Bridge)。

自20世紀70年代以來，CRD的應用已經(jīng)比ORD應用得更廣。1998年以后，全世界已有許多采用CRD建造的大跨徑橋梁，中國用得最多。在美國，許多懸索橋上的初裝橋面板已經(jīng)達到其使用壽命，并采用重量輕的CRD進行更換，如金門大橋（1997）、威廉斯堡大橋（1998）、布朗克斯白石大橋（2005）和韋拉札諾海峽大橋（2017）。

ORD的發(fā)展史長于CRD的發(fā)展史。自20世紀70年代以來，橋梁工程師為什么盡量不使用ORD？最常被人們提及的原因如下：

1.ORD相對于CRD是扭轉(zhuǎn)柔性結(jié)構(gòu)，因此ORD的效果較差且重量較大。

2.ORD需要的焊接長度幾乎是CRD的兩倍。

3.ORD需要采取防腐保護的表面積是CRD的兩倍。

扭轉(zhuǎn)剛度

圖4 關(guān)于CRD和 ORD的胡貝爾方程式

根據(jù)胡貝爾方程式（Huber’s Equation）（如圖4所示），可以得出ORD的扭轉(zhuǎn)柔性強于CRD的結(jié)論。胡貝爾方程式中，Dy表示橋面板的縱向剛度，H表示縱肋的有效扭轉(zhuǎn)剛度，w表示橋面板的豎向撓度。由于假設開口肋橋面板的H為零，因此與相鄰開口肋共同承受的豎向荷載，相較于閉口肋更小。因此，開口肋橋面板的效果較差，并且要求橫梁間距要更小，換言之，其比閉口肋橋面板更重。

根據(jù)方程式，上述結(jié)論通常是正確的。然而，在正交異性鋼橋面板設計和細節(jié)方面取得的一些最新進展或表明，上述結(jié)論不夠完整或不夠準確。最新進展如下：

設計理念從強度轉(zhuǎn)向疲勞：如圖2所示，直到20世紀70年代，正交異性鋼橋面板主要根據(jù)強度進行設計，這種強度則是基于正交異性板理論，即胡貝爾方程式。但在過去20年中，正交異性鋼橋面板一直是根據(jù)早期正交異性鋼橋面板中，尤其是CRD中觀察到的廣泛疲勞問題進行設計。因此，特別是在采用CRD的情況下，橋面板厚度增加，縱肋較高，橋面板就更重，這便導致設計用于承載相同荷載的CRD和ORD之間的重量差異更小。

采用中間隔板：在橫梁之間引入中間隔板，如布朗克斯白石大橋上采用的隔板，明顯提高了CRD和ORD的扭轉(zhuǎn)剛度，從而致使ORD的H等于零的假設不成立。但仍需仔細檢測中間隔板的作用效果，如下文所述。

焊接量

確實，ORD中的總焊接長度幾乎是CRD中總焊接長度的兩倍，這是因為ORD的每個腹板需要兩列填角焊縫，而CRD的每個腹板只需一列PJP焊縫。雖然焊接量是過去選擇橋面板類型的決定性因素，但還需考慮其他幾個因素——

邊緣加工——用于閉口肋的彎板邊緣通常需要加工，以獲得質(zhì)量可靠的PJP焊縫，而開口肋中的腹板邊緣通常不需要加工，因為開口肋僅需角焊縫即可。

閉口肋中PJP焊縫的質(zhì)量控制試驗，相較于角焊縫試驗范圍更廣且耗時更多。

與雙邊角焊縫相比，單邊PJP焊縫的疲勞性能明顯降低，因為PJP焊縫根部的焊透率和質(zhì)量差異很大。

養(yǎng)護

誠然，ORD的涂裝面積也是CRD的兩倍，因此需要額外的養(yǎng)護工作，但卻無法對封閉空間進行檢查和維修?？v肋-橋面板PJP焊縫的根部是疲勞裂紋起始部位所在。這些裂紋在擴展到橋面板或縱肋焊接表面之前很難被檢測到，從而給橋梁業(yè)主造成嚴重的養(yǎng)護問題。因此，在比較ORD和CRD時，有必要對養(yǎng)護問題進行整體觀測。

為了進一步比較ORD和CRD之間的區(qū)別，有必要著重從以下幾個方面，詳細研究它們的優(yōu)缺點：

?縱肋-橋面板焊縫

?縱肋-隔板焊縫

?重量

?制造成本和流程

?可變縱肋高度

縱肋——橋面板焊縫

正交異性鋼橋面板需要大量焊接，其中大多數(shù)是用縱肋-橋面板焊縫，如圖5和圖6所示。例如，如果懸索橋長約2900英尺（884米），其道路橋面板寬約86英尺（26.2米），那么該橋需要大約40個閉口肋?？v肋—橋面板焊縫的總長度約為44.0英里（70.7公里）。如果使用ORD，縱肋-橋面板焊縫的總長度則大約是采用CRD的兩倍。

圖5 部分熔透的縱肋-橋面板焊縫

圖6 ORD中的縱肋-橋面板角焊縫

在制造或使用過程中，CRD的縱肋-橋面板焊縫中存在許多缺陷，最常見的缺陷是未焊透，當焊透深度小于最小閾值時則會出現(xiàn)此類缺陷，根據(jù)最新的AASHTO規(guī)范，上述最小閾值為60%。目前，用于驗證焊透量的最佳無損檢測（NDT）方法是相控陣超聲檢測（PAUT）。但是，使用PAUT會增加制造成本，在美國其通常占總制造成本的10%-15%。

圖7 CRD中部分熔透的縱肋-橋面板焊縫可能出現(xiàn)的疲勞裂紋

在CRD的縱肋—橋面板焊縫中觀察到三種類型的疲勞裂紋，如圖7所示。第一種起始于焊趾并垂直穿過橋面板擴展，這種裂紋在薄型橋面板中較為普遍。另外兩種裂紋類型均起始于焊縫根部并垂直穿過薄型橋面板或焊件擴展，是正交異性橋面板上觀察到的全球最常見的疲勞損傷。由于這些疲勞裂紋起于閉口肋內(nèi)部，并且隱藏于檢查視野之外，因此很難被檢測到。即使它們擴展到橋面板頂部，也經(jīng)常被隱藏在鋪裝層之下。因為橋面板可能在重型車輛的重壓下發(fā)生塌陷，穿過橋面板擴展的裂紋是正交異性橋面板中最嚴重的疲勞損傷類型。薄型橋面板中ORD也可能出現(xiàn)焊趾裂紋，如圖8所示。與CRD中的焊趾裂紋一樣，這種類型的裂紋很容易被檢出和修復。

圖8  ORD中縱肋-橋面板角焊縫可能出現(xiàn)的疲勞裂紋

縱肋——隔板和隔板——橋面板連接

在隔板處，如圖9所示，在縱肋與隔板之間、隔板與橋面板之間通常采用焊縫連接。使用CRD的情況下，肋壁只有一面需焊接到隔板上，并且隔板和肋壁內(nèi)的橋面板之間沒有連接。使用ORD的情況下，肋壁的兩面通常均焊接到隔板上，并且隔板可以在所有位置焊接到橋面板，即沒有間隙。二者在幾何形狀和構(gòu)造方面的這些差異，對隔板和肋壁中的結(jié)構(gòu)性能和應力具有非常大的影響，如下文所述。

圖9 縱肋-隔板焊縫

如圖9所示，只是稍加處理把ORD中的隔板焊接到橋面板上，因此隔板位置處的橋面板局部應力低得多。盡管這種類型的ORD細部尚未進行疲勞性能測試，但分析結(jié)果和現(xiàn)場經(jīng)驗表明，其疲勞性能比隔板位置處的閉合肋疲勞性能更佳。

重量比較

正交異性橋面板重量輕的特點是其應用于大跨度橋梁的主要原因。因此，應對CRD和ORD之間的重量差異進行評估。表2比較了圖9所示CRD和ORD設計方案中的重量，設計方案基于橫梁之間的跨長均為20英尺（6.1米），并采用AASHTO設計疲勞荷載（3.45HS15荷載的卡車）。ORD的總重量比CRD重約10%，與其他橋面板類型相比，這個差異并不明顯。如果進一步優(yōu)化ORD設計，重量差異可能更小。

制造成本和流程

CRD和ORD的制造成本取決于諸多因素，例如項目位置、數(shù)量、制造國和市場競爭力等。此外，鋼鐵制造商不愿意共享價格信息，因為他們在不同的項目上屬于競爭關(guān)系。因此，難以保證其所提供的對制造成本的估算始終可靠。但根據(jù)美國近期（2018年）的一些項目經(jīng)驗，ORD制造成本可能在每平方英尺250美元至400美元之間，而CRD制造成本可能在每平方英尺500美元至700美元之間。對于外國的制造成本，例如在中國制造的成本可能僅為美國制造成本的25%至35%，并且CRD與ORD之間的成本差異要小得多。

另一個需要考慮的關(guān)鍵因素是制造流程，其對總造價有著非常大的影響。閉口肋的制造涉及許多步驟，包括肋成形、彎曲和PJP縱肋—橋面板焊縫的無損檢測，無損檢測可能需要采用更復雜的方法，例如相控陣超聲檢測（PAUT）。開口肋的制造無需肋成形、彎曲步驟，并且填角焊縫的無損檢測通常采用磁粉檢測（MPT）方法來完成，開口肋的制造流程更簡單且耗時更短。

基于上面的討論，我們有理由斷定，使用ORD，而不使用CRD，可以大大縮減制造成本，簡化制造流程。

可變縱肋高度

在現(xiàn)有桁架橋上放置正交異性橋面板時，橋梁凈空高度往往是一個問題。通過提供可變縱肋深度，使橫梁之間的部分更深，橫梁以上的部分較淺，便可解決這一問題。ORD較易滿足這種需求，但CRD卻幾乎不可能做到。皇后區(qū)大橋上的ORD就采用了可變縱肋高度。

圖10 CRD案例研究中的正交異性橋面板

圖11 案例研究中的ORD和CRD上的橫向荷載位置

我們通過有限元（FE）分析，研究1）橫向荷載分布情況和2）各種橋面板細部處的疲勞應力范圍。圖10和圖11展示了雙跨連續(xù)正交異性橋面板組件的有限元模型，其平均跨度為20英尺（6.1米），橋面板寬度為20英尺（6.1米）。該模型有三個固定在底部的橫梁。ORD和CRD的重量如表2所示。我們對以下三個不同的橋面板案例進行了數(shù)值研究——

案例1：帶有9個梯形U形肋的CRD（圖11（b））

案例2A：帶有18個T形開口肋的ORD（圖11（a））

案例2B：與案例2A相同，但在中跨引入中間隔板 (ITD)(圖12)(ITD的細部與橫梁上方的隔板相同，如圖9b所示）

圖12 案例研究中ORD和CRD上的縱向荷載位置

如圖10所示，縱向移動的有限元模型采用AASHTO疲勞型卡車的串聯(lián)輪軸。串聯(lián)輪軸荷載包括4個輪載部位，分別寬20英寸（0.5米），長10英寸（0.25米），縱向間隔4英尺（1.2米），橫向間隔6英尺（1.8米）。每個輪載部位都施加20.7千磅（92.1千牛頓）的均勻分布的荷載。如圖11所示，在ORD和CRD兩種案例中，一側(cè)的輪載組位于縱肋的正上方，同時對另一側(cè)的輪載進行調(diào)節(jié)，使其位于縱肋之間。

豎向撓度

由于扭轉(zhuǎn)剛度不足，ORD在橫向傳輸車輛荷載方面起不到明顯的作用，因此ORD的應用受到很大的阻礙。我們對所有案例（案例1、2A和2B）中的兩個橫向部位（圖12中的部位A-A和B-B）的肋底凸緣撓曲形狀進行了比較。

圖13 中跨（部位A-A）處縱肋豎向撓度的橫向特征

圖13所示為移動疲勞卡車置于橋面（起始位置）上時，中跨（部位A-A）肋底凸緣處豎向撓度的橫向特征。對于沒有ITD的ORD和CRD，在輪載作用下縱肋撓曲的兩個峰值均比較明顯。案例2A（沒有ITD的ORD）中的豎向撓度最大，但僅比案例1（沒有ITD的CRD）中的豎向撓度高出約15%——低于從其他文獻中得出的豎向撓度。然而，增加ITD后，案例2B中的撓曲形狀總體上具有最小的峰值，比案例2A中的撓曲減少了50%以上，并且沿著橋面板寬度的分布更均勻。這表明，橫向荷載分布情況大有改善。在圖14中同樣可以觀察到類似的分布圖形，圖中所示為四分之一跨度處縱肋豎向撓度情況的比較（圖12中的部位B-B）。根據(jù)上面的觀測，我們可以合理地斷定，正交異性橋面板系統(tǒng)中使用中間隔板，有助于將垂直車輛荷載從車輪下方的縱肋，傳輸?shù)较噜彽目v肋。中跨中使用ITD，則可使ORD比CRD系統(tǒng)實現(xiàn)更加有效的荷載分布，克服了ORD應用的主要障礙。

圖14 四分之一跨度處豎向撓度的橫向特征（部位B-B）

圖15 1960年在德國進行試驗的中間隔板

引入ITD并非新的概念。最早的ITD試驗結(jié)果報告大約在1960年出自德國，如圖15所示。報告中的試驗結(jié)果與圖13和圖14所示相似?！暗?，制造成本更高，因此在美國采用這種結(jié)構(gòu)（帶有ITD）的經(jīng)濟性是值得懷疑的”。此外，早期的這些ITD不僅較淺，而且疲勞方面的問題較多。布朗克斯白石大橋的CRD設計采用的是與圖9b中非常相似的ITD，來減少隔板切口處的疲勞應力。盡管如此，我們針對CRD進行了研究和試驗，據(jù)筆者所知，目前尚未開展大量針對帶有ITD的ORD的研究和試驗。

疲勞應力

圖16 ORD和CRD的應力敏感點

由于在移動車輛荷載下，橋面板、縱肋和隔板之間存在復雜的相互作用，因此在不連續(xù)處會出現(xiàn)較高的應力。我們在6個疲勞敏感位置進行應力檢測，如圖16所示。表3為最大應力變化范圍匯總。點2位于橋面板底部與如圖7（b）所示焊接根部相連之處，點1位于點2上方的橋面板頂面。報告顯示，CRD中最高應力19.6ksi位于點2處，但對ORD而言，同樣位置的應力值卻無關(guān)緊要。這種高應力集中的情況與在幾座CRD橋梁橫梁上觀察到的橋面板裂紋模式一致。其原因在于，縱肋內(nèi)部沒有隔板，導致肋壁兩側(cè)剛度突變。另一方面，ORD在縱肋兩側(cè)能夠保證更可靠的剛度連續(xù)性。在點1可以觀察到類似的裂紋模式，但應力較小。在點5和點6處，帶有ITD的ORD（案例2B）的應力最小。案例1（CRD）中的點3（橫梁切口）和點4（切口端部的縱肋垂直應力）處，應力比案例2A和2B（ORD）中的要高得多。

因此，ORD的疲勞應力明顯低于CRD的疲勞應力。采用ITD可以不同程度地進一步降低ORD不同位置處的疲勞應力。