近年来，人们通过详细的有限元建模，对CRD进行了广泛的分析，并且利用全尺寸桥面板原型进行了疲劳试验。目前，虽存在许多关于CRD的设计指南和规范规定。但仍有许多与CRD相关的制造难题和性能问题，尤其是纵肋—桥面板接缝部分焊透（PJP）焊缝的质量控制，这些PJP焊缝根部的桥面板疲劳性能较差，以及无法检查内肋和修复起始于PJP焊缝根部的潜在疲劳裂纹。

在过去，尽管人们通常认为ORD的扭转刚度低得多，并且需要两倍于CRD的焊接长度，因此ORD虽不太受欢迎，但还是被广泛采用。许多人还认为，ORD要比CRD重很多，才能达到相同水平的结构性能。不过，使用ORD还是有许多好处，例如消除纵肋弯曲，纵肋—桥面板连接使用角焊缝代替PJP焊缝，以及不存在无法检查的封闭空间。此外，ORD较易满足可变纵肋高度需求，这一点正是重新安装低间隙桥梁桥面板所需要的。

本文将：

1）简要概述CRD和ORD的发展史；

2）探讨过去几十年设计专业人员避免使用ORD的原因；

3）讨论ORD和CRD的优缺点；

4）介绍案例研究的结果；

5）得出结论并提出建议。

图2 欧洲和北美代表性正交异性桥面板的发展史

图2展示了欧洲和北美地区采用了ORD和CRD的代表性项目的发展历程。在日本也存在类似的趋势。自1998年左右以来，中国一直在使用正交异性钢桥面板，并且认为正交异性钢桥面板只有闭口肋桥面板。

ORD

ORD的发展要早于CRD。1934年，德国人在均林根的“高速公路立交桥”中首次使用了开口肋钢桥面板，这是一种“空心”桥面板，需要进行大量焊接。大约在1935年，“加强钢桥面板（battledeck floor）”，类似于图3所示，首次安装在RFK大桥（当时名为三区大桥（Triborough Bridge））的升降式桥跨上。1938年，美国钢结构协会首次发表关于钢桥面板的研究报告，其中包括“加强钢桥面板”。然而，桥面板既不产生横梁应力，也不影响桥梁主要承载构件的刚度和强度，因此，加强钢桥面板结构未能达到预期的经济效益。

图3 典型“加强钢桥面板”桥梁截面

在第二次世界大战期间，正交异性钢桥面板的发展基本处于停滞状态。但在战争结束后，由于钢材短缺，正交异性钢桥面板得以迅速发展，达到了更高的水平。在1950年，第一座以钢桥面板作为主梁的桥梁问世，它就是德国内卡河上的库法尔茨大桥（Kurpfalz Bridge）。1951年，德国再一次突破，在科隆米尔海姆（Cologne-Muelheim）悬索桥上安装ORD。几年后，其他欧洲国家也建造了好几座ORD桥梁。

美国第一座大型ORD桥梁是建于1967年的圣马特奥-海沃德大桥。最近的两个大型ORD项目是乔治华盛顿大桥的上层公路（1978年）以及本杰明富兰克林大桥的引桥和悬臂（1987年)。自20世纪80年代后期以来，在定于2020年到2022年实施的纽约皇后区大桥主桁架桥跨上的上层公路桥面板重装项目之前，美国和其他国家基本上没有大型的ORD结构项目。有关开口肋的详情，见表1。

CRD

1954年，两座采用了CRD的桥梁在德国建成，即韦斯特大桥和杜伊斯堡-洪堡大桥。不久之后，德国又有几座采用了三角形CRD的桥梁建成通车。

1960年,加拿大温哥华开始建造系杆拱桥——曼港大桥,其为北美第一座使用CRD的桥梁。美国第一座大型CRD桥梁是建于1968年的人气街大桥(Popular Street Bridge)。

自20世纪70年代以来，CRD的应用已经比ORD应用得更广。1998年以后，全世界已有许多采用CRD建造的大跨径桥梁，中国用得最多。在美国，许多悬索桥上的初装桥面板已经达到其使用寿命，并采用重量轻的CRD进行更换，如金门大桥（1997）、威廉斯堡大桥（1998）、布朗克斯白石大桥（2005）和韦拉札诺海峡大桥（2017）。

ORD的发展史长于CRD的发展史。自20世纪70年代以来，桥梁工程师为什么尽量不使用ORD？最常被人们提及的原因如下：

1.ORD相对于CRD是扭转柔性结构，因此ORD的效果较差且重量较大。

2.ORD需要的焊接长度几乎是CRD的两倍。

3.ORD需要采取防腐保护的表面积是CRD的两倍。

扭转刚度

图4 关于CRD和 ORD的胡贝尔方程式

根据胡贝尔方程式（Huber’s Equation）（如图4所示），可以得出ORD的扭转柔性强于CRD的结论。胡贝尔方程式中，Dy表示桥面板的纵向刚度，H表示纵肋的有效扭转刚度，w表示桥面板的竖向挠度。由于假设开口肋桥面板的H为零，因此与相邻开口肋共同承受的竖向荷载，相较于闭口肋更小。因此，开口肋桥面板的效果较差，并且要求横梁间距要更小，换言之，其比闭口肋桥面板更重。

根据方程式，上述结论通常是正确的。然而，在正交异性钢桥面板设计和细节方面取得的一些最新进展或表明，上述结论不够完整或不够准确。最新进展如下：

设计理念从强度转向疲劳：如图2所示，直到20世纪70年代，正交异性钢桥面板主要根据强度进行设计，这种强度则是基于正交异性板理论，即胡贝尔方程式。但在过去20年中，正交异性钢桥面板一直是根据早期正交异性钢桥面板中，尤其是CRD中观察到的广泛疲劳问题进行设计。因此，特别是在采用CRD的情况下，桥面板厚度增加，纵肋较高，桥面板就更重，这便导致设计用于承载相同荷载的CRD和ORD之间的重量差异更小。

采用中间隔板：在横梁之间引入中间隔板，如布朗克斯白石大桥上采用的隔板，明显提高了CRD和ORD的扭转刚度，从而致使ORD的H等于零的假设不成立。但仍需仔细检测中间隔板的作用效果，如下文所述。

焊接量

确实，ORD中的总焊接长度几乎是CRD中总焊接长度的两倍，这是因为ORD的每个腹板需要两列填角焊缝，而CRD的每个腹板只需一列PJP焊缝。虽然焊接量是过去选择桥面板类型的决定性因素，但还需考虑其他几个因素——

边缘加工——用于闭口肋的弯板边缘通常需要加工，以获得质量可靠的PJP焊缝，而开口肋中的腹板边缘通常不需要加工，因为开口肋仅需角焊缝即可。

闭口肋中PJP焊缝的质量控制试验，相较于角焊缝试验范围更广且耗时更多。

与双边角焊缝相比，单边PJP焊缝的疲劳性能明显降低，因为PJP焊缝根部的焊透率和质量差异很大。

养护

诚然，ORD的涂装面积也是CRD的两倍，因此需要额外的养护工作，但却无法对封闭空间进行检查和维修。纵肋-桥面板PJP焊缝的根部是疲劳裂纹起始部位所在。这些裂纹在扩展到桥面板或纵肋焊接表面之前很难被检测到，从而给桥梁业主造成严重的养护问题。因此，在比较ORD和CRD时，有必要对养护问题进行整体观测。

为了进一步比较ORD和CRD之间的区别，有必要着重从以下几个方面，详细研究它们的优缺点：

?纵肋-桥面板焊缝

?纵肋-隔板焊缝

?重量

?制造成本和流程

?可变纵肋高度

纵肋——桥面板焊缝

正交异性钢桥面板需要大量焊接，其中大多数是用纵肋-桥面板焊缝，如图5和图6所示。例如，如果悬索桥长约2900英尺（884米），其道路桥面板宽约86英尺（26.2米），那么该桥需要大约40个闭口肋。纵肋—桥面板焊缝的总长度约为44.0英里（70.7公里）。如果使用ORD，纵肋-桥面板焊缝的总长度则大约是采用CRD的两倍。

图5 部分熔透的纵肋-桥面板焊缝

图6 ORD中的纵肋-桥面板角焊缝

在制造或使用过程中，CRD的纵肋-桥面板焊缝中存在许多缺陷，最常见的缺陷是未焊透，当焊透深度小于最小阈值时则会出现此类缺陷，根据最新的AASHTO规范，上述最小阈值为60%。目前，用于验证焊透量的最佳无损检测（NDT）方法是相控阵超声检测（PAUT）。但是，使用PAUT会增加制造成本，在美国其通常占总制造成本的10%-15%。

图7 CRD中部分熔透的纵肋-桥面板焊缝可能出现的疲劳裂纹

在CRD的纵肋—桥面板焊缝中观察到三种类型的疲劳裂纹，如图7所示。第一种起始于焊趾并垂直穿过桥面板扩展，这种裂纹在薄型桥面板中较为普遍。另外两种裂纹类型均起始于焊缝根部并垂直穿过薄型桥面板或焊件扩展，是正交异性桥面板上观察到的全球最常见的疲劳损伤。由于这些疲劳裂纹起于闭口肋内部，并且隐藏于检查视野之外，因此很难被检测到。即使它们扩展到桥面板顶部，也经常被隐藏在铺装层之下。因为桥面板可能在重型车辆的重压下发生塌陷，穿过桥面板扩展的裂纹是正交异性桥面板中最严重的疲劳损伤类型。薄型桥面板中ORD也可能出现焊趾裂纹，如图8所示。与CRD中的焊趾裂纹一样，这种类型的裂纹很容易被检出和修复。

图8  ORD中纵肋-桥面板角焊缝可能出现的疲劳裂纹

纵肋——隔板和隔板——桥面板连接

在隔板处，如图9所示，在纵肋与隔板之间、隔板与桥面板之间通常采用焊缝连接。使用CRD的情况下，肋壁只有一面需焊接到隔板上，并且隔板和肋壁内的桥面板之间没有连接。使用ORD的情况下，肋壁的两面通常均焊接到隔板上，并且隔板可以在所有位置焊接到桥面板，即没有间隙。二者在几何形状和构造方面的这些差异，对隔板和肋壁中的结构性能和应力具有非常大的影响，如下文所述。

图9 纵肋-隔板焊缝

如图9所示，只是稍加处理把ORD中的隔板焊接到桥面板上，因此隔板位置处的桥面板局部应力低得多。尽管这种类型的ORD细部尚未进行疲劳性能测试，但分析结果和现场经验表明，其疲劳性能比隔板位置处的闭合肋疲劳性能更佳。

重量比较

正交异性桥面板重量轻的特点是其应用于大跨度桥梁的主要原因。因此，应对CRD和ORD之间的重量差异进行评估。表2比较了图9所示CRD和ORD设计方案中的重量，设计方案基于横梁之间的跨长均为20英尺（6.1米），并采用AASHTO设计疲劳荷载（3.45HS15荷载的卡车）。ORD的总重量比CRD重约10%，与其他桥面板类型相比，这个差异并不明显。如果进一步优化ORD设计，重量差异可能更小。

制造成本和流程

CRD和ORD的制造成本取决于诸多因素，例如项目位置、数量、制造国和市场竞争力等。此外，钢铁制造商不愿意共享价格信息，因为他们在不同的项目上属于竞争关系。因此，难以保证其所提供的对制造成本的估算始终可靠。但根据美国近期（2018年）的一些项目经验，ORD制造成本可能在每平方英尺250美元至400美元之间，而CRD制造成本可能在每平方英尺500美元至700美元之间。对于外国的制造成本，例如在中国制造的成本可能仅为美国制造成本的25%至35%，并且CRD与ORD之间的成本差异要小得多。

另一个需要考虑的关键因素是制造流程，其对总造价有着非常大的影响。闭口肋的制造涉及许多步骤，包括肋成形、弯曲和PJP纵肋—桥面板焊缝的无损检测，无损检测可能需要采用更复杂的方法，例如相控阵超声检测（PAUT）。开口肋的制造无需肋成形、弯曲步骤，并且填角焊缝的无损检测通常采用磁粉检测（MPT）方法来完成，开口肋的制造流程更简单且耗时更短。

基于上面的讨论，我们有理由断定，使用ORD，而不使用CRD，可以大大缩减制造成本，简化制造流程。

可变纵肋高度

在现有桁架桥上放置正交异性桥面板时，桥梁净空高度往往是一个问题。通过提供可变纵肋深度，使横梁之间的部分更深，横梁以上的部分较浅，便可解决这一问题。ORD较易满足这种需求，但CRD却几乎不可能做到。皇后区大桥上的ORD就采用了可变纵肋高度。

图10 CRD案例研究中的正交异性桥面板

图11 案例研究中的ORD和CRD上的横向荷载位置

我们通过有限元（FE）分析，研究1）横向荷载分布情况和2）各种桥面板细部处的疲劳应力范围。图10和图11展示了双跨连续正交异性桥面板组件的有限元模型，其平均跨度为20英尺（6.1米），桥面板宽度为20英尺（6.1米）。该模型有三个固定在底部的横梁。ORD和CRD的重量如表2所示。我们对以下三个不同的桥面板案例进行了数值研究——

案例1：带有9个梯形U形肋的CRD（图11（b））

案例2A：带有18个T形开口肋的ORD（图11（a））

案例2B：与案例2A相同，但在中跨引入中间隔板 (ITD)(图12)(ITD的细部与横梁上方的隔板相同，如图9b所示）

图12 案例研究中ORD和CRD上的纵向荷载位置

如图10所示，纵向移动的有限元模型采用AASHTO疲劳型卡车的串联轮轴。串联轮轴荷载包括4个轮载部位，分别宽20英寸（0.5米），长10英寸（0.25米），纵向间隔4英尺（1.2米），横向间隔6英尺（1.8米）。每个轮载部位都施加20.7千磅（92.1千牛顿）的均匀分布的荷载。如图11所示，在ORD和CRD两种案例中，一侧的轮载组位于纵肋的正上方，同时对另一侧的轮载进行调节，使其位于纵肋之间。

竖向挠度

由于扭转刚度不足，ORD在横向传输车辆荷载方面起不到明显的作用，因此ORD的应用受到很大的阻碍。我们对所有案例（案例1、2A和2B）中的两个横向部位（图12中的部位A-A和B-B）的肋底凸缘挠曲形状进行了比较。

图13 中跨（部位A-A）处纵肋竖向挠度的横向特征

图13所示为移动疲劳卡车置于桥面（起始位置）上时，中跨（部位A-A）肋底凸缘处竖向挠度的横向特征。对于没有ITD的ORD和CRD，在轮载作用下纵肋挠曲的两个峰值均比较明显。案例2A（没有ITD的ORD）中的竖向挠度最大，但仅比案例1（没有ITD的CRD）中的竖向挠度高出约15%——低于从其他文献中得出的竖向挠度。然而，增加ITD后，案例2B中的挠曲形状总体上具有最小的峰值，比案例2A中的挠曲减少了50%以上，并且沿着桥面板宽度的分布更均匀。这表明，横向荷载分布情况大有改善。在图14中同样可以观察到类似的分布图形，图中所示为四分之一跨度处纵肋竖向挠度情况的比较（图12中的部位B-B）。根据上面的观测，我们可以合理地断定，正交异性桥面板系统中使用中间隔板，有助于将垂直车辆荷载从车轮下方的纵肋，传输到相邻的纵肋。中跨中使用ITD，则可使ORD比CRD系统实现更加有效的荷载分布，克服了ORD应用的主要障碍。

图14 四分之一跨度处竖向挠度的横向特征（部位B-B）

图15 1960年在德国进行试验的中间隔板

引入ITD并非新的概念。最早的ITD试验结果报告大约在1960年出自德国，如图15所示。报告中的试验结果与图13和图14所示相似。“但是，制造成本更高，因此在美国采用这种结构（带有ITD）的经济性是值得怀疑的”。此外，早期的这些ITD不仅较浅，而且疲劳方面的问题较多。布朗克斯白石大桥的CRD设计采用的是与图9b中非常相似的ITD，来减少隔板切口处的疲劳应力。尽管如此，我们针对CRD进行了研究和试验，据笔者所知，目前尚未开展大量针对带有ITD的ORD的研究和试验。

疲劳应力

图16 ORD和CRD的应力敏感点

由于在移动车辆荷载下，桥面板、纵肋和隔板之间存在复杂的相互作用，因此在不连续处会出现较高的应力。我们在6个疲劳敏感位置进行应力检测，如图16所示。表3为最大应力变化范围汇总。点2位于桥面板底部与如图7（b）所示焊接根部相连之处，点1位于点2上方的桥面板顶面。报告显示，CRD中最高应力19.6ksi位于点2处，但对ORD而言，同样位置的应力值却无关紧要。这种高应力集中的情况与在几座CRD桥梁横梁上观察到的桥面板裂纹模式一致。其原因在于，纵肋内部没有隔板，导致肋壁两侧刚度突变。另一方面，ORD在纵肋两侧能够保证更可靠的刚度连续性。在点1可以观察到类似的裂纹模式，但应力较小。在点5和点6处，带有ITD的ORD（案例2B）的应力最小。案例1（CRD）中的点3（横梁切口）和点4（切口端部的纵肋垂直应力）处，应力比案例2A和2B（ORD）中的要高得多。

因此，ORD的疲劳应力明显低于CRD的疲劳应力。采用ITD可以不同程度地进一步降低ORD不同位置处的疲劳应力。