趙 毅， 王 恒， 李 力， 易航宇

(1.重慶市市政設(shè)施運(yùn)行保障中心， 重慶 401120； 2.麗水市建設(shè)技術(shù)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(jì)，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(guó)已建成和規(guī)劃建設(shè)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(shí)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(gòu)造極為復(fù)雜、焊縫眾多、焊接難度大、局部剛度相對(duì)較小等不足。因此，當(dāng)該類橋面板受到局部車輪荷載作用時(shí)，各構(gòu)造細(xì)節(jié)處極易產(chǎn)生疲勞裂紋，且隱蔽性強(qiáng)不易發(fā)現(xiàn)。當(dāng)正交異性鋼橋面板各構(gòu)造細(xì)節(jié)處疲勞開裂后，一般采用中斷交通的方式對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)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(gòu)造細(xì)節(jié)處疲勞開裂問題與加固維修技術(shù)備受世界各國(guó)橋梁研究者的關(guān)注。

1971年在英國(guó)Seven橋[1-2]上發(fā)現(xiàn)正交異性鋼橋面板疲勞開裂后，各國(guó)學(xué)者對(duì)正交異性鋼橋面板的各構(gòu)造細(xì)節(jié)處開裂機(jī)理、構(gòu)造設(shè)計(jì)、檢測(cè)與加固維修技術(shù)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究和試驗(yàn)研究，并將一些研究成果運(yùn)用于工程實(shí)踐，目前已取得不錯(cuò)的效果。本文將回顧近些年學(xué)者們?cè)谡划愋凿摌蛎姘宓钠陂_裂方面和加固方面取得的成果，系統(tǒng)分析各個(gè)構(gòu)造細(xì)節(jié)發(fā)生疲勞開裂的原因，總結(jié)改善正交異性鋼橋面板的各構(gòu)造細(xì)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(shè)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(jì)

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(duì)較小，因此，設(shè)計(jì)上縱向設(shè)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(dāng)其受到局部車輪荷載作用時(shí)，正交異性鋼橋面會(huì)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(yīng)力的影響將加劇其構(gòu)造細(xì)節(jié)處疲勞損傷。2007年，日本學(xué)者對(duì)2條著名的高速路的正交異性鋼橋面板疲勞裂紋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類[3]，其疲勞易損部位和裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)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(guó)學(xué)者不斷地研究與實(shí)踐，縱肋對(duì)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(shè)計(jì)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(guān)注重點(diǎn)，本文也將圍繞這2種構(gòu)造細(xì)節(jié)處裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)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(gòu)造細(xì)節(jié)處裂紋統(tǒng)計(jì)Table 1 Cracks statistics of structural details

1.2 構(gòu)造細(xì)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(dāng)正交異性鋼橋面板受到局部車輪荷載作用時(shí)，頂板與縱肋的連接結(jié)構(gòu)將會(huì)出現(xiàn)縱肋無豎向變形的面外變形和縱肋有向下的強(qiáng)迫變形2種變形，如圖3所示[4]，此時(shí)頂板與縱肋連接處將受到縱肋內(nèi)側(cè)彎矩、縱肋腹板彎矩以及縱肋外側(cè)彎矩3個(gè)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(cè)彎矩的大小，若縱肋內(nèi)側(cè)彎矩小于外側(cè)，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(yīng)力和結(jié)構(gòu)幾何變化，雖然在靜力作用下影響較小，但受動(dòng)力作用影響較大。已有大量研究表明，在焊接殘余應(yīng)力的影響下，縱肋與頂板交接處焊縫接頭疲勞強(qiáng)度主要受施加應(yīng)力幅大小的影響[6]，因此動(dòng)力響應(yīng)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(gòu)造相對(duì)復(fù)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(xì)部構(gòu)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(dāng)車輪荷載作用在相關(guān)區(qū)域時(shí)，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(shí)，橫隔(肋)板還會(huì)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(yīng)力，因此車輛荷載通過時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力幅將會(huì)影響該處焊縫強(qiáng)度。對(duì)閉口縱肋來說，縱肋在橫隔板處受壓產(chǎn)生變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生泊松效應(yīng)[8-9]和縱肋截面畸變效應(yīng)[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(duì)縱肋與橫隔(肋)板交接處橫梁切口進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)橫梁高度對(duì)該構(gòu)造細(xì)節(jié)處疲勞裂紋的產(chǎn)生起決定性作用。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，取合理的橫梁高度能有效延長(zhǎng)該構(gòu)造細(xì)節(jié)處的使用壽命。文獻(xiàn)[4]還表明，若相鄰兩橫隔(肋)板間距也是影響該構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞裂紋的重要因素，因?yàn)殚g距過大，會(huì)導(dǎo)致縱肋變形過大而帶動(dòng)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(duì)橫隔(肋)板進(jìn)行切口，切割過程不免會(huì)有切割誤差，從而使得該構(gòu)造細(xì)節(jié)處存在切割殘余應(yīng)力和制造次應(yīng)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(gòu)造細(xì)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(yīng)力是影響正交異性鋼橋面板各個(gè)構(gòu)造細(xì)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(gè)構(gòu)件產(chǎn)生的局部塑性變形以及焊接殘余應(yīng)力，成為學(xué)者們研究的重點(diǎn)。目前，消除正交異性鋼橋面板各構(gòu)造細(xì)節(jié)處存在的焊接殘余應(yīng)力有熱處理法、靜態(tài)過載法、振動(dòng)時(shí)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(gòu)造細(xì)節(jié)處焊縫殘余應(yīng)力外，還可通過改進(jìn)構(gòu)造改善構(gòu)造細(xì)節(jié)處疲勞裂紋的產(chǎn)生。目前，改造構(gòu)造主要包含新型鑲邊縱肋[13]、大焊腳焊縫構(gòu)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(dá)到減小該構(gòu)造細(xì)節(jié)焊接部位應(yīng)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(gòu)造是通過增加焊縫尺寸來改善構(gòu)造細(xì)節(jié)處疲勞性能，采用該方法改善的構(gòu)造細(xì)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(shí)選擇合理的參數(shù)組合才能較好地改善結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)處疲勞性能。相對(duì)于單面焊，雙面焊可有效減小縱肋與頂板交接處的切口應(yīng)力，最不利疲勞易損位置由焊根變?yōu)榱丝v肋外側(cè)頂板。

此外，也可通過增強(qiáng)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(gòu)造細(xì)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(jié)構(gòu)層，采用剪力鍵將結(jié)構(gòu)層和正交異性鋼橋面板連接成一個(gè)有機(jī)的整體，使其共同受力，以達(dá)到改善構(gòu)造細(xì)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(jié)構(gòu)體系來改善結(jié)構(gòu)性能。該面板能顯著降低各構(gòu)造細(xì)節(jié)處應(yīng)力幅，而橫隔板開口成了該類板最關(guān)鍵的易損部位, 該類面板已應(yīng)用于中國(guó)海南某雙向4車道跨海大橋[18]和德國(guó)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(guān)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(huì)采用止裂孔法、加焊鋼板法以及重熔法等方法進(jìn)行加固，但這些方法不僅施工復(fù)雜，達(dá)不到預(yù)期效果，還會(huì)對(duì)母材造成二次傷害[19]。后來，經(jīng)過不斷研究與實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，采用引入鋼或高性能材料加固構(gòu)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(kuò)展。如2007年，采用UHPC結(jié)構(gòu)對(duì)中國(guó)馬房大橋進(jìn)行了加固維修。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于正交異性鋼橋面板的鋼橋數(shù)量將逐年增加，同時(shí)對(duì)正交異性鋼橋面板各構(gòu)造細(xì)節(jié)處疲勞裂紋問題的研究也將進(jìn)一步開展。隨著理論分析、檢測(cè)技術(shù)、設(shè)計(jì)理念以及制造技術(shù)的不斷完善，今后對(duì)正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)與加固維修會(huì)變得越來越合理。但在對(duì)原正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行加固和改造前，必須要先知道正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)處形成疲勞裂紋的原因，然后還需掌握相關(guān)的檢測(cè)技術(shù)，最后才能利用先進(jìn)的理論與技術(shù)對(duì)原有橋梁進(jìn)行加固維修，為以后正交異性鋼橋面板的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文根據(jù)前人的研究成果重點(diǎn)分析了正交異性鋼橋面板易于發(fā)生疲勞破壞的細(xì)部構(gòu)造及其原因，總結(jié)了構(gòu)造細(xì)節(jié)處疲勞性能的改善措施和加固方法，主要結(jié)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(dá)90%；兩構(gòu)造細(xì)節(jié)處產(chǎn)生裂紋的相同原因在于構(gòu)造細(xì)節(jié)處存在應(yīng)力集中，受力時(shí)還會(huì)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(shí)還受泊松效應(yīng)、縱肋截面畸變效應(yīng)、橫隔板高度與間距、制造技術(shù)等因素影響。

2) 對(duì)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(gòu)造細(xì)節(jié)處殘余應(yīng)力和改變構(gòu)造形式的方法進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造疲勞性能；而對(duì)于已修建的鋼箱梁橋，應(yīng)勤檢測(cè)早維修，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理問題，在維修時(shí)可引入鋼或高性能材料進(jìn)行加固。