4.4 正交异性钢桥面疲劳裂纹加固方法研究
正交异性钢桥面板目前被广泛用于大跨度钢桥中，但是随着交通流量增大和车辆轴重增加，全世界范围内都出现正交异性钢桥面板疲劳开裂问题。最早出现疲劳裂纹的是英国的Seven桥[1]，1966年建成通车，1971年和1977年就发现了疲劳裂缝。在日本、美国、法国、荷兰、巴西等世界各国都发现了钢桥疲劳开裂问题。
我国自上世纪90年代以来，大跨度及超大跨度钢桥广泛修建，如苏通长江大桥(1088m)、南京长江三桥(648m)、舟山西堠门大桥(1650m)，润扬长江大桥(1490)、江阴长江大桥(1385m)、虎门大桥(888m)等均采用正交异性钢桥面板。在铁路钢桥建设中，也逐渐采用正交异性钢桥面板系，如京沪高速铁路天兴洲大桥，大胜关长江大桥等。在这些桥梁建设之前，就列专项课题对正交异性桥面板进行疲劳试验研究，如苏通长江大桥就专门对正交异性钢桥面板关键构造细节进行了疲劳试验，得出在现有工艺条件下构造细节的疲劳强度。但是随着交通量增大和轴重增大，我国钢桥正交异性桥面板的疲劳问题也会日益突出。 4.4.1 桥面疲劳裂缝的位置和形式
正交异性钢桥面板出现疲劳裂纹的机理比较复杂，但普遍认为有以下几个方面原因形成的：1）交通流量逐年增大，重载车辆所占比重较大并且超载严重；2）在车轮的反复作用，各种焊接细节的应力影响线短，一辆车经过时可能形成多次应力循环；3）桥面板构造中应力分布复杂，各焊接细节的应力集中比较严重，远远超过了其应有的疲劳强度。
根据大量的疲劳开裂实例和细节疲劳试验可知，正交异性钢桥面板疲劳裂缝主要出现在重载车道附近，主要有两类焊接细节的疲劳裂纹：1）纵肋与桥面板的焊接连接；2）横梁（横隔板）与桥面的焊接连接处。
图4.4-1 肋与桥面板连接处的疲劳裂缝
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图4.4-1显示了桥面与纵肋焊缝连接的可能裂缝形式。桥面疲劳裂缝可以发生在焊缝趾部，如裂缝1和裂缝3分别击穿桥面板和肋壁；也可发生在焊缝根部，如裂缝2和裂缝4分别击穿桥面板和焊缝。影响开裂面位置是加载的位置，焊缝的质量和有效厚度t等因素。裂缝4可以采用加大焊缝厚度来避免。桥面裂纹可引起桥面铺装层开裂失效，使桥面板直接承受车轮的冲击，增大桥面板的弯曲应力，加剧裂缝的扩展。 4.4.2桥面疲劳裂纹加固的方法 1) 疲劳裂纹加固的技术要求
由于每座桥梁的重要性不同，出现疲劳裂纹时的使用年限不同，对修复后的预期使用寿命要求不同，因此修复的原则和方法也有差异。一般来说，总选择最为经济和有效的加固方法。加固主要是从桥面板的使用寿命、安全性耐久性、受力性能、所需时间、交通组织和加固维修费用等方面综合考虑。因此维修加固要求如下：（1）总体要求：既有桥面尽可能不被破坏，加固方案要满足现有规范；（2）寿命延长和耐久性要求：要求尽可能增加桥面板的刚度，降低关键焊接细节的应力幅；（3）受力性能要求：维修引起的额外附加重量要尽可能小，使加固后桥梁各部分受力满足既有规范的要求；（4）安全性要求：桥面抗滑性要满足要求，桥面尽可能平直；（5）可行性和交通分流要求：加固所需的时间尽可能短，减少道路封闭的时间。 2) 局部桥面疲劳裂纹维修加固
对于已经击穿桥面板的疲劳裂纹，可以用简单的方法进行维修，提高连接部位的强度。如果桥面裂缝单一，不长不宽、没有不平整的边缘，可以采用下列方式进行维修：(1) 除去裂缝上方的铺装层；(2)确定裂缝长度，将裂缝加工成船型；(3)用全熔透对接焊重新焊接，打磨焊缝使之与两侧齐平；(4) 重新检测并恢复桥面铺装。如图4-2所示。这种修复裂缝的方法，并没有减少该处连接所受的弯曲应力，但是将产生裂纹的初始缺陷消除了。
图4.4-2 桥面疲劳裂纹的简易加固方法
3) 桥面疲劳裂纹加固的方法
对于桥面发生较多的疲劳裂纹，对每条裂缝都进行上述方法进行修补，修补工作量大，而且对桥面的受力性能没有得到根本的改善，没有降低使用状态下桥面焊接细节的应力幅。如何进行大面积加固，人们进行了很多方法进行尝试。根据总的加固原则，加固方案主要从几种关键的技术条件进行考虑：（1）旧桥面是否更替，传统的正交异性钢桥面板上铺50mm厚的粘性沥青层；（2）既有裂缝是否进行修补，裂缝修补后再进行加固，会使桥面板的寿命增大；（3）材料选择，一般为混凝土、钢材、压型铝板，纤维混凝土塑料等；（4）结构形式：板式、压型板材、浇注层、夹层板(Sandwich Plate System )等；（5）连接方式：粘结连接和螺栓连接。（5）受力方式：无相互作用、部分相互作用和完全相互作用。
目前应用较多的为高性能混凝土重做铺装层法[8]，在荷兰、巴西、日本已经有成功的应用。预制夹层板法目前在德国也正在进行试验研究，他是采用两层钢板中间加一层橡胶的做法，见图4.4-3。
图 4.4-3 夹层板系统(SPS)，1-钢板，2-橡胶层
下面介绍几种可行的维修方法。图4.4-4为6种加固方法，表4.4-1和表4.4-2分别对这六种加固方法进行技术指标和优劣比较。
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图4.4-4 正交异性钢桥面板疲劳裂纹加固方法
表4.4-1 正交异性钢桥面板加固方法比较
技术参数
加固方式
(a) 高性能混凝土 (b) 压型铝板加固 (c) 压型钢板加固 (d) 二层钢板加固 (e) 预制夹层板加固 (f) 肋内填充混凝土
除去 除去 除去 除去 除去 不除去
不修补 不修补 不修补 不修补 不修补 不修补
混凝土 铝板 钢板 钢板 预制板 混凝土
旧桥面
既有裂缝
材料
结构形式 浇注层 板式 板式 板式 板式 浇注
连接方式 粘结
粘结/螺栓 粘结/螺栓 粘结 粘结 粘结
受力方式 完全组合 部分组合 部分组合 完全组合 完全组合 部分组合
备注 SPS
在重车道下
表4.4-2 正交异性钢桥面板加固方法优缺点比较
加固方式 (a) 高性能混凝土组合桥面
优点 对桥面不平顺不敏感；显著增加桥面刚度；较为理想的加固方法。
缺点 混凝土易开裂；
(b) 压型铝板加固
(c) 压型钢板加固 (d) 二层钢板加固 (e) 预制夹层板加固 (f) 肋内填充混凝土
铝和钢的温度膨胀系数不同；二者的电腐蚀性不
可用于局部加固，重车道的横梁处；
同；钢梁防腐问题；粘结层的寿命有限并且缺少
减少桥面板的应力；
经验。
可用于局部加固，重车道的横梁处；连接缺少经验；粘结层是不连续的；桥面不平顺减少桥面板的应力； 误差影响大。 桥面附加高度小；桥面不平影响小； 缺少粘结经验，粘结层寿命有限。
预制板的疲劳和耐久性要求高；缺少粘结经验；
夹层板可以预制；
预制板不一定适合桥面不平顺；
在桥面下进行加固；减少交通分流； 肋间桥面没有加固；很难保证桥面和混凝土密贴；
4.4.3实际加固案例 1) 英国Severn桥加固
1966年通车的英国Severn桥渡，包括中跨988m的Severn悬索桥，中跨234.7m的Wye斜拉桥，和跨度61.7~64.0m的连续梁，其中钢梁全部采用正交异性钢桥面板的单室单箱截面梁。
在肋与桥面连接处原采用角焊缝，焊脚长度6mm，通车11年后发现此处有裂纹。按原构件制成疲劳试件，试验结果表明其抗力为F级（BS5400规范）。若将现有角焊缝铣去，在纵肋壁开坡口，用多趟仰焊，让角焊缝焊脚达9mm，有效厚度（喉深）达7.5mm，则所得构造的疲劳抗力能越过D级，可满足要求。
按上述方法进行加固时采用了专门的设备，如图4.4-5所示。在箱梁内底板上架设门架，其立柱的长度可用汽缸调节，在门架上设置轨道，轨道上安装载有机具的跑车，让机具通过可调节的球面支撑抵紧桥面板和纵肋，而铣削深度都是以相对桥面板和纵肋来决定。这套设备在实验室和实桥中反复调试并修改后，用于Severn桥渡的加固中。其铣削的速度是20mm/min，对每一长为4.57m的纵肋，需要40个工时。
图4.4-5 英国Severn桥桥面与肋的板焊缝加固
2) 日本Maihama桥加固
日本首都高速公路上的Maihama桥，为正交异性桥面板钢箱梁，于1978年通车运营，日交通量为80000辆，大型卡车占15％，目前在重车道发现很多桥面疲劳裂缝。
在进行桥面加固之前，选取了三种加固方法进行足尺寸试件，在实际车辆作用下试验。（1）直接粘12mm厚的第二层钢板（方法d），主要用于开裂区的临时修补；（2）上铺钢纤维混凝土，直接形成组合桥面系统（方法a），该法能明显降低桥面板应力，2004年用于加固Yokohama海湾大桥；（3）U肋内填充轻质混凝土（方法f），这种方法的加固效果仅体现在U肋内填充混凝土的区域，其它部分的应力反而增加。
疲劳试验时，专门加工了串连式两橡胶轮小车，车轮间距为1.4m，前后往复移动3m，每对轮的竖向力为69kN，相当于后轮为350kN级卡车。在原始桥面进行疲劳试验，试验车往复循环1.45?10次，即桥面经过5.8?10循环后，桥面出现疲劳裂纹。
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