趙 毅， 王 恒， 李 力， 易航宇

(1.重慶市市政設施運行保障中心， 重慶 401120； 2.麗水市建設技術管理中心， 浙江 麗水 323799；3.重慶物康科技有限公司， 重慶 404100)

據(jù)統(tǒng)計，截至2022年，全球已建成基于正交異性鋼橋面板的鋼橋超過1 500座，而我國已建成和規(guī)劃建設此類鋼橋數(shù)量已超過200座[1]。采用正交異性鋼橋面板的橋梁，解決了傳統(tǒng)混凝土箱梁自身重、跨徑能力小等問題，同時也使其成為大跨徑橋梁中重要橋面系之一。但正交異性鋼橋面板兼具構造極為復雜、焊縫眾多、焊接難度大、局部剛度相對較小等不足。因此，當該類橋面板受到局部車輪荷載作用時，各構造細節(jié)處極易產(chǎn)生疲勞裂紋，且隱蔽性強不易發(fā)現(xiàn)。當正交異性鋼橋面板各構造細節(jié)處疲勞開裂后，一般采用中斷交通的方式對其進行檢測與維修，非常影響交通暢通，若不全檢查，一旦發(fā)生安全事故，損失巨大。因此，正交異性鋼橋面板各構造細節(jié)處疲勞開裂問題與加固維修技術備受世界各國橋梁研究者的關注。

1971年在英國Seven橋[1-2]上發(fā)現(xiàn)正交異性鋼橋面板疲勞開裂后，各國學者對正交異性鋼橋面板的各構造細節(jié)處開裂機理、構造設計、檢測與加固維修技術等方面進行了系統(tǒng)的理論研究和試驗研究，并將一些研究成果運用于工程實踐，目前已取得不錯的效果。本文將回顧近些年學者們在正交異性鋼橋面板的疲勞開裂方面和加固方面取得的成果，系統(tǒng)分析各個構造細節(jié)發(fā)生疲勞開裂的原因，總結改善正交異性鋼橋面板的各構造細節(jié)處產(chǎn)生疲勞的方法以及出現(xiàn)裂紋的加固方法，為以后的橋梁建設者提供參考與理論依據(jù)。

1 正交異性鋼橋面板病害原因

1.1 疲勞裂紋分類統(tǒng)計

正交異性鋼橋面板主要向縱向傳遞恒載和車輛荷載，而橫橋向荷載相對較小，因此，設計上縱向設置較為密集的加勁肋以滿足縱向剛度要求，而橫橋向僅需間隔一定距離布置1道橫肋或橫隔板來保證其整體穩(wěn)定性。為確保頂板、縱肋和橫隔板(或橫肋)三者能夠協(xié)同受力，各板件間主要采用焊縫連接。當其受到局部車輪荷載作用時，正交異性鋼橋面會因其縱橫向剛度分布不均而發(fā)生鼓曲變形，受制造誤差和焊縫處焊接殘余應力的影響將加劇其構造細節(jié)處疲勞損傷。2007年，日本學者對2條著名的高速路的正交異性鋼橋面板疲勞裂紋進行統(tǒng)計分類[3]，其疲勞易損部位和裂紋統(tǒng)計結果分布如圖1和表1所示。從圖1和表1可知，疲勞裂紋主要出現(xiàn)于焊縫區(qū)和剛度不連續(xù)部位。隨著我國學者不斷地研究與實踐，縱肋對接焊縫、頂板與豎向加勁肋焊縫不適于正交異性鋼橋面板的發(fā)展與推廣，因此現(xiàn)在設計中已取消這2種焊接縫。在這2種焊縫取消后，縱肋與橫隔(肋)板焊縫(開孔部位)處和頂板與縱肋焊縫處的裂紋數(shù)量的占比都大幅度上升，兩者占比超過90%，是目前橋梁界關注重點，本文也將圍繞這2種構造細節(jié)處裂紋產(chǎn)生原因進行歸納討論。

圖1 正交異性鋼橋面板疲勞易損位置Fig.1 Fatigue vulnerable position of orthotropic steel bridge deck

表1 構造細節(jié)處裂紋統(tǒng)計Table 1 Cracks statistics of structural details

1.2 構造細節(jié)處疲勞裂紋產(chǎn)生原因

1.2.1 頂板與縱肋焊縫處

在剔除F、G兩類焊縫后，頂板與縱肋交接處疲勞裂紋占比約為1/3(表1中H處)，主要出現(xiàn)于頂板焊趾、頂板焊根、縱肋腹板焊趾以及焊縫根等位置，如圖2所示。當正交異性鋼橋面板受到局部車輪荷載作用時，頂板與縱肋的連接結構將會出現(xiàn)縱肋無豎向變形的面外變形和縱肋有向下的強迫變形2種變形，如圖3所示[4]，此時頂板與縱肋連接處將受到縱肋內(nèi)側彎矩、縱肋腹板彎矩以及縱肋外側彎矩3個力的共同作用，如圖4所示[5]，但裂紋萌生位置主要取決于縱肋內(nèi)、外側彎矩的大小，若縱肋內(nèi)側彎矩小于外側，則疲勞裂紋將萌生于焊根，反之則出現(xiàn)于焊趾。另外，縱肋與頂板交接處頂板的下表面存在殘余應力和結構幾何變化，雖然在靜力作用下影響較小，但受動力作用影響較大。已有大量研究表明，在焊接殘余應力的影響下，縱肋與頂板交接處焊縫接頭疲勞強度主要受施加應力幅大小的影響[6]，因此動力響應也是頂板與縱肋交接處產(chǎn)生疲勞裂紋的重要原因之一。

(a) 閉口加勁肋

(b) 開口加勁肋圖2 縱肋與頂板交接處裂紋位置示意Fig.2 Diagram of crack location at the junction of longitudinal rib and roof

(a) 縱肋無豎向撓度變形

(b) 縱肋有豎向撓度變形圖3 車輪荷載作用下橋面板局部變形Fig.3 Local deformation of bridge deck under wheel load

(a) 起源于焊趾裂紋

(b) 起源于焊跟裂紋圖4 縱肋與頂板交接處裂紋位置示意Fig.4 Diagram of crack location at the junction of longitudinal rib and roof

1.2.2 縱肋與橫隔(肋)板焊縫(開孔部位)處

縱肋與橫隔(肋)板交接處構造相對復雜，該處不僅存在橫、縱向剛度不連續(xù)，而且還存在約束不連續(xù)，細部構造如圖5所示，因此該處產(chǎn)生的疲勞裂紋約占裂紋總數(shù)的60%，該處產(chǎn)生疲勞裂紋主要來自以下3方面：

(a) 閉口加勁肋

(b) 開口加勁肋圖5 縱肋與橫隔板交接處裂紋位置示意Fig.5 Diagram of crack location at the junction of longitudinal rib and diaphragm

1) 荷載。由于連續(xù)縱肋穿過橫隔(肋)板，圍繞縱肋挖空橫梁腹板；當車輪荷載作用在相關區(qū)域時，挖空后的橫隔(肋)板變形類似于空腹梁變形，如圖6(a)所示；若車輪荷載未作用于橫隔(肋)板正上方時，橫隔(肋)板還會發(fā)生面外變形，如圖6(b)所示[7]。由于該處存在焊接殘余應力，因此車輛荷載通過時產(chǎn)生的應力幅將會影響該處焊縫強度。對閉口縱肋來說，縱肋在橫隔板處受壓產(chǎn)生變形時會產(chǎn)生泊松效應[8-9]和縱肋截面畸變效應[10]。

(a) 面內(nèi)作用

(b) 面外作用圖6 縱肋與橫隔板交接處受力變形示意Fig.6 Diagram of stress and deformation at the junction of longitudinal rib and diaphragm

2) 橫梁。唐亮等[11]通過有限元方法對縱肋與橫隔(肋)板交接處橫梁切口進行了研究分析，發(fā)現(xiàn)橫梁高度對該構造細節(jié)處疲勞裂紋的產(chǎn)生起決定性作用。因此，在設計時，取合理的橫梁高度能有效延長該構造細節(jié)處的使用壽命。文獻[4]還表明，若相鄰兩橫隔(肋)板間距也是影響該構造細節(jié)疲勞裂紋的重要因素，因為間距過大，會導致縱肋變形過大而帶動橫梁產(chǎn)生過大的變形。

3) 制造。制造主要包括切割誤差和焊接質(zhì)量2方面。一般采用焰火切割方法對橫隔(肋)板進行切口，切割過程不免會有切割誤差，從而使得該構造細節(jié)處存在切割殘余應力和制造次應力。其次，縱肋與橫隔(肋)板交接處下端焊縫困難，其焊縫質(zhì)量難以保證。

2 構造細節(jié)處疲勞性能改善與加固方法

通過前文的分析，焊接殘余應力是影響正交異性鋼橋面板各個構造細節(jié)處產(chǎn)生疲勞裂的主要原因之一。如何改善焊接以后各個構件產(chǎn)生的局部塑性變形以及焊接殘余應力，成為學者們研究的重點。目前，消除正交異性鋼橋面板各構造細節(jié)處存在的焊接殘余應力有熱處理法、靜態(tài)過載法、振動時效法、噴丸法，爆炸法[12]以及超聲沖擊法。

除了消除正交異性鋼橋面板各構造細節(jié)處焊縫殘余應力外，還可通過改進構造改善構造細節(jié)處疲勞裂紋的產(chǎn)生。目前，改造構造主要包含新型鑲邊縱肋[13]、大焊腳焊縫構造[14]以及采用雙面焊縫[15]3種方式。新型鑲邊縱肋是采用熱壓局部鐓厚與頂板交接處縱肋來提高焊接面積和局部剛度的方法，以達到減小該構造細節(jié)焊接部位應力的目的，但是不能改善頂板與縱肋交接處萌生于焊根的疲勞性能。大焊腳焊縫構造是通過增加焊縫尺寸來改善構造細節(jié)處疲勞性能，采用該方法改善的構造細節(jié)處疲勞性能受焊縫夾角尺寸、弧形切角以及熔透率等影響因素較大。因此，采用此方法時選擇合理的參數(shù)組合才能較好地改善結構構造細節(jié)處疲勞性能。相對于單面焊，雙面焊可有效減小縱肋與頂板交接處的切口應力，最不利疲勞易損位置由焊根變?yōu)榱丝v肋外側頂板。

此外，也可通過增強正交異性鋼橋的局部剛度和減少焊縫數(shù)量的方法來改善正交異性鋼橋面板構造細節(jié)處疲勞性能，即大縱肋正交異性組合橋面板[16]和波形頂板正交異性組合橋面板[17]。這2種新型橋面板都引入了結構層，采用剪力鍵將結構層和正交異性鋼橋面板連接成一個有機的整體，使其共同受力，以達到改善構造細節(jié)處疲勞性能的目的。大縱肋正交異性組合橋面板主要是通過改變結構體系來改善結構性能。該面板能顯著降低各構造細節(jié)處應力幅，而橫隔板開口成了該類板最關鍵的易損部位, 該類面板已應用于中國海南某雙向4車道跨海大橋[18]和德國Eibe bridge Wittenberge橋。波形頂板正交異性組合橋面板不僅增加了正交異性鋼橋局部剛度，還大幅度減少了焊縫數(shù)量。

關于已建立的正交異性鋼橋面板出現(xiàn)疲勞開裂以后，傳統(tǒng)方法會采用止裂孔法、加焊鋼板法以及重熔法等方法進行加固，但這些方法不僅施工復雜，達不到預期效果，還會對母材造成二次傷害[19]。后來，經(jīng)過不斷研究與實踐發(fā)現(xiàn)，采用引入鋼或高性能材料加固構件的裝配式加固方法[20]的加固效果更好，不僅可以不用中斷公共交通，而且還能有效抑制疲勞裂紋的擴展。如2007年，采用UHPC結構對中國馬房大橋進行了加固維修。

3 結束語

基于正交異性鋼橋面板的鋼橋數(shù)量將逐年增加，同時對正交異性鋼橋面板各構造細節(jié)處疲勞裂紋問題的研究也將進一步開展。隨著理論分析、檢測技術、設計理念以及制造技術的不斷完善，今后對正交異性鋼橋面板構造細節(jié)的設計與加固維修會變得越來越合理。但在對原正交異性鋼橋面板構造細節(jié)進行加固和改造前，必須要先知道正交異性鋼橋面板構造細節(jié)處形成疲勞裂紋的原因，然后還需掌握相關的檢測技術，最后才能利用先進的理論與技術對原有橋梁進行加固維修，為以后正交異性鋼橋面板的設計提供依據(jù)。本文根據(jù)前人的研究成果重點分析了正交異性鋼橋面板易于發(fā)生疲勞破壞的細部構造及其原因，總結了構造細節(jié)處疲勞性能的改善措施和加固方法，主要結論如下:

1) 頂板與U肋交界處焊縫、縱肋與橫隔(肋)板焊縫(開孔部位)在目前正交異性鋼橋面板的裂紋中占比高達90%；兩構造細節(jié)處產(chǎn)生裂紋的相同原因在于構造細節(jié)處存在應力集中，受力時還會發(fā)生面內(nèi)變形和面外變形；在縱肋與橫隔(肋)板(開孔部位)處，受壓時還受泊松效應、縱肋截面畸變效應、橫隔板高度與間距、制造技術等因素影響。

2) 對于還未建造的鋼箱梁橋，可采用消除正交異性鋼橋面板各構造細節(jié)處殘余應力和改變構造形式的方法進一步改善結構細部構造疲勞性能；而對于已修建的鋼箱梁橋，應勤檢測早維修，做到及時發(fā)現(xiàn)問題及時處理問題，在維修時可引入鋼或高性能材料進行加固。