因外形美观，施工工期短等特点，钢结构桥梁近年来在国内备受青睐，许多大跨径桥梁在建设中均选用钢结构。
正交异性钢桥面板则具有自重较轻、承载力高、便于工厂化制造等优点，已成为长大桥梁首选的桥面板结构，在全球范围内得到应用。
随着交通流量的大幅上升，桥面每日所承受的荷载也在不断增加，钢桥面板的疲劳问题开始凸显。
此外，结构的检测与监测、桥面铺装、维修加固及防腐蚀等问题都给钢桥面板的养护带来一系列的挑战。

2020年7月16-17日，《桥梁》杂志社联合多家单位共同举办国际正交异性桥梁及钢结构桥梁线上论坛，就钢结构桥梁养护和管理的相关问题，本刊采访了几位在论坛上进行专题演讲的中外专家，并对他们的观点和建议加以梳理，在此与读者分享。

揭开“疲劳开裂”之谜

自上世纪以来，正交异性钢桥面板逐渐进入人们的视野。
近年来，国内外展开了不少相关的研究，获得一些成果。
疲劳问题一直是此类桥面板最大的“软肋”，那疲劳问题又是如何出现的呢？

据日本东京都市大学校长三木千寿介绍：“正交异性钢桥面板较薄，当车辆等荷载在桥上通行时，桥面的位移和应力会发生复杂的变化，因其结构反复承受车轮荷载重量，易产生变形，引发疲劳现象。
”他还强调，“作用在车轮上的荷载是导致桥面板出现疲劳现象的核心因素。
”美国新泽西州交通厅桥梁及结构工程师程小华博士又作了详细说明，她解释道：“钢桥面板的疲劳问题一般涉及三方面的因素。
首先是设计原因，即构件之间的连接处和开洞处产生高变形和高应力，或使用疲劳强度低的结构细节等所致；其次，在加工制造过程中，因焊接要求不明确或质量控制未能满足设计要求，也可能由于无焊接检查标准或检查标准较低，使得产品带有内在缺陷而造成；最后则是在管养方面，例如对重型车辆数量或位置控制不力、桥梁和铺装定期检查不到位等情况亦会导致疲劳开裂。
”

有关易于产生裂纹的部位，帕迪尔工程咨询有限公司首席执行官Amin Ghafooripour博士从力学角度，进行了描述。
他说：“当应力集中发生时，随着荷载的作用,疲劳效应始现。
主要是由于钢材的原子晶体形式出现变形,才会产生裂纹。
钢结构中任何不连续的构造会导致在焊缝处、连接处及任一焊接构件中变形的原子晶体相连,该点若受到荷载的作用，并出现应力集中时，极易出现疲劳裂纹”。

根据长沙理工大学土木工程学院院长李传习总结，六种位置容易发生疲劳开裂，一是顶板与纵向U肋焊缝位置；二是纵肋接头位置焊缝 ；三是Ｕ肋间桥面板与横隔板焊缝；四是Ｕ肋与横隔板连接焊缝处；五是腹板垂直加劲肋与面板连接焊缝；六是远离Ｕ肋焊缝下端的弧形切口起弧点附近区域横隔板母材开裂。

钢桥容易疲劳开裂的部位

此外，经研究发现，钢桥面板的焊接部分存在许多会产生疲劳的点，特别是焊缝等连接处，其根部出现焊接缺陷的现象难以得到控制。

由于采用薄板设计，早期正交异性钢桥通常会在服役5-8年之后，出现疲劳问题，如英国的赛文桥（Severn Bridge）、德国的Polar桥等。
东京都市大学校长三木千寿指出，日本较早使用正交异性钢桥，上世纪60年代建成的桥，一般在通车10年左右会被检测出第一条疲劳裂纹。
美国加利福尼亚州交通厅产权许可办公室主任Ajay Sehgal谈到，美国对使用正交异性桥梁非常谨慎，起初只在有限的几个州试建。
密歇根州曾因一座用于试验的桥梁的桥面板开裂，从此在全州范围内禁止再建该类桥梁；为安全起见，加利福尼亚州的钢桥面板厚度则不小于16毫米。
美国的正交异性桥梁通常为开口肋桥面板形式，因其构造比较合理，有关部门又对重载车辆加以限制，故而较少出现疲劳问题。
1967年建成的圣马特奥-海沃德大桥，在主车道采用19毫米厚的桥面板，迄今未出现严重的疲劳开裂，算是一个奇迹。

美国圣马特奥-海沃德大桥

检测与监测的无奈

在日常的钢结构桥梁养护过程中，人们希望能尽早发现疲劳裂纹，才能采取有效的补救措施。
虽然结构检测和监测已逐渐成为桥梁养护的新热点，但在几位专家眼中，人工巡检依然是目前最有效的方式。

钢桥日常巡检

三木千寿坦言，对检测工程师进行培训，让他们熟悉疲劳裂纹的类型和主要出现的位置，是非常必要的。
然而，由于早期疲劳裂纹经常产生于正交异性钢板各种焊趾处，通过目测难以将其检测出来。
他说：“日本目前应用许多无损检测方法，如磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)和涡流检测(ECT)等，它们能检测出正交异性钢桥面板表面的一些裂纹，但对于桥面板内部一些隐藏的裂纹，效果并不理想。
”此外，他还特别指出，在桥面板和纵肋间的焊缝根部易产生疲劳裂纹，而因其并不在表面扩展，比较难以发现。
他的团队在日本研究使用增强型超声检测(PAUT)方法检测此类裂纹，取得一定进展。
长沙理工大学土木工程学院院长李传习同样认为，对于钢桥面板而言，肉眼无法观测到的地方，则需借助TOFT、相控阵等超声检测方法。
但使用这些方法最主要的问题是，必须将桥面铺装去除才能进行，对正在运营的桥梁而言，难度较大。

任教于美国普度大学莱尔斯土木工程学院的Robert J. Connor告诉：“在美国，除了人工巡检之外，磁粉检测、渗透检测等检测手段也颇为常见。
”但他又无奈地表示：“无损检测的精确度目前尚难以保证，因为这与操作设备的检测人员密切相关。
而对于增强型的超声检测，现在也难以断言，它优于传统的检测方法，其效果不仅取决于仪器的技术水平，还涉及技术人员的操作技能等因素。
”当然，随着无人机、智能机器人等技术的推广普及，疲劳开裂的检测效果，将有可能发生质的飞跃。

钢结构桥梁智能监测系统的应用也处于初级阶段，遇到不少困难与挑战。
Robert J.Connor认为，维持系统运营的高昂成本和有效监测数据的匮乏，使监测工作的前景不容乐观，而对于传感器的使用效果，他也表达了一些困惑。
“目前没有充分的数据表明，一个身处比较恶劣环境下的钢桥传感器在安装10年后仍能正常地运转，并在有效范围内实施准确的监测，我们又如何确信传感器能一直长期服役，它的数据采集系统始终正常工作，并且能和未来的技术体系兼容？”另据了解，三木千寿和他的日本团队研制了不同类型的传感器，用于监测正交异性钢桥面板的疲劳损伤，因测试结果不尽如人意，并未投入实际应用中。
由此看来，对于钢桥面板疲劳开裂的监测依然任重道远，需要进一步完善技术，重视研究与应用的结合。

日本钢桥图

维修加固 对症处治

正交异性钢桥面板结构出现疲劳等病害后，通常管养单位采取维修或加固的方法，国内外均不乏成功的案例，加固效果亦比较理想。
而对于在役桥梁出现大量疲劳开裂的情形，程小华博士认为，首先要找到病害的真正原因再对症下药。
她进一步分析道：“正交异性钢桥面板的很多疲劳问题都是由于薄板相对变形而引起，疲劳损伤加固应该从这方面入手，而单纯的钻孔修理只是临时性措施。
从长久考虑，需要增加整体的刚度。
目前在疲劳开裂处增贴新钢板加固或以焊接修复的方式比较典型，近年来利用钢纤维混凝土加销钉以加强桥面铺装的方式也相当有效。
”

日本东京都市大学校长三木千寿赞同程小华的观点，亦主张在确定疲劳成因的基础上，制定有针对性的维修或加固方案，设法消除裂纹。
多年来，他带领团队对桥面板不同位置的裂纹进行了研究，总结出一些有效的方法。
“关于横肋和纵肋的截面出现的疲劳问题，处理里面的裂纹并不简单。
为了提升整个钢板的刚度，可以采取增加横肋或纵肋数量的方式，或对它们进行加固；若桥面板的表面发生疲劳开裂，目前主要的维修方法就是通过重焊清除裂纹，来提高疲劳强度，也可以考虑超声冲击的方式。
”他谈道：“然而，要消除根部的裂纹，通过重新焊接提升疲劳强度的办法，颇为困难,我们正在研究合适的维修方案，尝试通过激光复合焊修补源于根部并扩散到桥面板以及出现在焊缝内的裂纹，但目前还未得以应用。
”

美国研发的无线传感器

智能化监测检测

为了有效地解决钢板的疲劳开裂问题，焊接机器人开始用于制造与施工中。
“生产企业通过由焊接机器人使用先进的技术，高效地实施钢板的制作，在技术环节中还必须包括可靠度较高的测试流程，来确保桥面板和加劲肋之间的焊接连接质量。
此外，技术人员利用激光测量和机器人焊接技术来处理断裂的底梁，而从肋到底梁的细部构造中需要避免采用内部隔板。
”美国加利福尼亚州交通厅产权许可办公室主任Ajay Sehgal告诉。

目前，国内正在兴起有关正交异性钢桥面板疲劳加固研究的高潮，在新材料和新工艺方面有所突破，对于抑制疲劳裂纹起到一些作用。
长沙理工大学土木工程学院院长李传习给举例时谈到，湖北军山大桥顶板U肋裂纹处治采用的刚性铺装法（横铺钢板条+STC），佛山平胜大桥钢箱梁横隔板切口母材裂纹处治则使用粘贴CFRP法，都是很好的尝试，有较为理想的效果。
“在实践中必须秉承辩证施治、对症下药的原则，选择经过科学验证的加固补强或处治的方法，而对于粘贴CFRP法,保证粘胶剂性能和加固工艺符合要求,是确保加固效果的关键。
”

正交异性钢桥的维修加固工作，都已达到一定的施工规模，因每日通过桥梁的车流量较大，会使施工受到制约，因此在制订实施策略时，应先了解桥梁可通行的车辆类型，必须规划交通管控方案，以降低施工对正常交通的影响。

此外，在钢桥的维修加固过程中，还有一些问题应该予以重视。
Amin Ghafouripour博士建议，在修复中不再使用任何新的焊接件。
在他看来，如何保持合适的焊接温度，并进行预热，以及执行标准的焊接与修复程序，都将使施工方面临一系列挑战。
多数情况下，最主要的挑战则来自因修复程序所限，在维修或加固后会产生新的疲劳应力。
因此，技术人员需要重新建立更为精确的有限元模型，得以在钢桥修复后发现新的疲劳热点。
而根据三木千寿校长的观点，许多出现在焊缝根部的疲劳裂缝，既不容易在早期发现，又难以在维修时彻底根除，因此在设计修复方案时，大量需要处治的裂缝等病害是重点考虑的因素。

裂纹补焊技术

铺装得法 防腐有道

钢桥面铺装一直是国内大跨径桥梁养护的重点和难点。
在交通荷载、复杂气候等因素的影响下，钢桥面的铺装性能会持续退化，容易出现网裂、坑洞、脱落，以及铺装层与桥面板分离等多种病害。
目前钢桥面板的铺装材料以沥青混凝土为主，而采用双层铺装结构较为普遍。
以泰州大桥为例，其“下层浇筑+上层环氧”结构体系为世界首创，通车8年来一直保持良好的服役状态。
但该体系存在铺装下层沥青混凝土易于高温下变形，使上层产生应力集中的缺陷，养护技术人员有针对性地建立了桥面系一体化联动感知系统，对其进行温度监测，通过每月一至两次的常规检测，及时处理异物及化学污染品，并实施控制桥面温度等养护措施，基本杜绝了严重开裂等现象。

泰州大桥钢桥面铺装结构

作为一种新型材料，超高性能混凝土（以下简称UHPC）自问世以来，在经历了大量的试验和多座桥梁的工程应用后，在解决钢桥面铺装和钢箱梁疲劳病害方面的效果得到专家的认可。

据了解，美国已利用混凝土桥面铺装体系对5座桥梁进行改造，所有这些改造实施还未超过10年，铺装的耐久性究竟如何，还有待时间的进一步检验。
据加利福尼亚州交通厅产权许可办公室主任Ajay Sehgal介绍，以钢纤维高性能混凝土取代沥青作为铺装材料，经实践证明，能够在某种程度上降低桥面板的应力数值，有效抑制疲劳裂纹的产生或扩展。

耐腐蚀性能差也是钢结构桥的主要缺点之一。
特别在冷热、干湿交替的沿海地区，因海洋盐雾的含碱量较高，对钢材的腐蚀颇为严重，会危及桥梁的结构与运营安全。
目前国内传统上采用环氧富锌和电弧锌铝合金加油漆的防腐工艺，近年来通过技术上的创新，钢桥的防腐蚀效果得到一定程度的改善。
美国在防腐方面也积累了一些宝贵的经验，加利福尼亚州交通厅产权许可办公室主任Ajay Sehgal表示：“一个开裂的桥面板，无论是采用混凝土材料，还是用正交异性钢结构，都有可能发生腐蚀现象。
大多数的正交异性桥梁都会在其结构表面使用涂料，镀锌则比涂料的耐久性更高。
”任教于普度大学的Robert J. Connor则把适当的桥面铺装及使用可消除腐蚀的材质，作为钢结构桥防腐的理想方案，而针对易腐蚀的环境，他也推荐在钢桥面板上涂喷不易生锈的金属的方法。
程小华博士的几条建议则更为全面，一是强调钢桥面铺装及防水层类型的选择与施工质量最为关键，能有效地防止其开裂剥落及漏水；二是桥面板结构构件使用耐候钢加三层涂层，能够延长其防腐时间；三是定期检查排水口和合理设计桥面排水系统的方法也可以避免积水，减少锈蚀的产生。

防腐处理

多管齐下治顽疾

作为现代陆路交通的主要特征，重载、高速和大流量，都会让钢结构桥的管养面临严峻的考验，亦使钢桥面板的疲劳问题愈发突出。
程小华博士指出，面对这种形势，在设计阶段应对未来可能出现的管养方面的问题加以全面考虑和权衡，结合正交异性钢板本身的特性，通过减小横隔板间距等方式，加大钢桥面板厚度和整体刚度，改善焊接细部的疲劳强度及制造质量，并充分利用与混凝土的复合作用来加以解决。
此外，她还给出了新的思路：“根据美国的经验，部分长大桥梁目前运用横梁纵梁加混凝土桥面板形式，并利用PPC和UHPC等材料，改善桥面板的铺装处理，延长其使用寿命。
正交异性钢板虽然具有不少优点，但在交通大流量的趋势下，桥面板亦可考虑其他的形式。
”

关于这一话题,美国的专家除了从设计和养护方面进行探讨外,还从管理的角度提出了建议。
加利福尼亚州交通厅产权许可办公室主任Ajay Sehgal提议，应由公路主管部门承担起主要的责任,依照有关的交通法规，通过采取相应的措施,严格治理货车超载、限制车速并控制流量,减少重载及较高车速产生的冲击荷载对钢桥面板的影响。
他还举例加以说明:“美国的每辆货车都装有收发器，通过车载收发器和高速公路上安装的计数器之间的发射频率的差异,来识别出疑似超载的货车,并提示交通执法部门,让这些车辆去称重台测量重量,并由他们最终确认车辆是否超载。
”

随着工程技术的不断进步以及钢材产能的适度释放，未来将有更多的钢结构桥梁应用于我国的公路和铁路交通中。
与它突出的优点一样，其缺点也非常明显，给后期的管理养护带来不少麻烦。
结合国内外的经验来看，钢结构桥的养护应该是一项系统性工作。
一方面，桥梁管养单位针对桥面板疲劳开裂、易受腐蚀等问题，利用新工艺、新材料、新技术，开展检测监测及实施维修加固等项对策；另一方面，设计、制造、交通执法等部门也必须扮演好各自的角色，努力弥补钢结构桥梁的缺陷，为其充分“减负”，才能让它保持完好的形态，在现代交通中发挥更为重要的作用。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志 2020年 第4期 总第12期

本刊 / 陈晖