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60.5?10经过超声波检测，在次就出现了初始裂纹，裂纹逐渐扩展最后击穿桥面。当
桥面裂纹长130mm时，根部裂纹长度530mm。试验表明，裂纹在击穿桥面板之前，要经过很长时间的扩展，但是击穿桥面板后，沿桥纵向扩展很快。但是桥面加上钢纤维混凝土铺装后，肋与桥面板焊缝附近的应力降低明显，U肋外侧从136MPa降到11MPa，U肋内侧从50MPa降到10MPa，在桥面经过4.4?10次循环后仍没有出现疲劳裂纹。
3) 荷兰正交异性钢桥面板加固
荷兰最早进行试验研究是针对1990通车的Van Brienenoord开启桥，桥面仅有5mm的环氧沥青层，1997年发现桥面裂纹，裂纹主要集中在重车道，横梁、U肋与桥面的相交处。为此，1998年荷兰交通部开展了“钢桥面板疲劳问题研究”，对荷兰80多座固定和移动钢桥桥面的疲劳机理进行分析，研究了实际有效的加固方案。在比较加固方案试验中，对加固方案(a)、(d)、(f)进行了比较，结果发现，以轻质高性能混凝土桥面，可以显著的降低桥面板的应力，桥面应力可从124MPa降到28MPa。根据试验对两车道的Caland 桥进行了加固，根据寿命估算，加固后桥梁寿命会增加40年。
Caland桥加固的基本过程如下：除去5cm的旧沥青层，表面进行喷砂处理，对重车道肋与桥面板的焊缝进行检查（超声波检测），如需要修补，可采用埋弧焊进行修补，再进行喷砂处理。在其上铺设2mm厚的环氧粘结层，并喷洒3~6mm的铝土颗粒，使混凝土和钢材之间能更好的粘结。在粘结层上铺设50×100mm的直径8mm的钢筋网，浇注总厚度为50mm的高性能钢纤维混凝土（纤维含量为70kg/m3），最小厚度不小于10mm。
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(a)荷兰的Caland桥 (b) Caland桥桥面加固施工 (c) 混凝土桥面铺装分层示意
图4.4-6 荷兰Caland桥正交异性钢桥面板加固
为了使混凝土层与环氧铝土层更好的粘结，重要的方法是要有足够的压实能量，试验表明60Hz的振动压实机即可满足要求，要求通车前混凝土层的抗压强度达到
50MPa，并且注意养护，使表面平整但是抗滑度要达到要求。 4) 巴西Rio-Niteroi 桥加固
该桥为矩形钢箱梁，正交异性钢桥面板(图4.4-7)，双向4车道，于1974年通车，在通车后的15年中，交通量增加了8.7%，比设计估计量增大了1.5%，并且仅几年重型卡车明显增多。随着桥面疲劳裂纹的增多，2001下半年至2002年初对桥面板进行加固，采用带有剪力钉混凝土组合桥面的方法，加固采用分车道加固，不中断交通的情况下进行的。加固后进行的实测表明效果良好。
图4.4-7 巴西Rio-Niteroi 桥正交异性钢桥面板
5) 丹麦的Far?桥
丹麦的Far?桥修建于1980～1985年，在Far?岛两侧的桥梁，主要为跨度80m的钢箱梁桥，箱梁采用梯形断面，双向4车道，桥面宽19.6m，梁高3.5m(图4.4-8)。从1990～2004年，日交通量从12000辆增加到19000辆，并且重车的增加量很大，因此桥面发生裂纹，因此对疲劳裂纹的加固方式进出了研究，拟采用粘结的方式用混凝土铺装代替原桥面。原设计桥面重1.21kN/㎡,加固后桥面重1.76kN/㎡，增加0.55kN/㎡，相应于Far?桥恒载8.6kN/㎡增加约6.5％。
图4.4-8 丹麦Far?桥正交异性钢桥面板及加固方案
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6) 日本阪神高速公路桥梁
日本阪神高速公路，90％的路段采用高架桥，其中有1347跨为正交异性钢桥面，2007年3月的检查中发现142跨中有疲劳裂纹，主要原因为交通量增加和超载引起的。其中的Shinhamadera桥为尼尔森-洛泽(Nielsen-losle)体系的提篮拱桥，跨度254m，双向4车道。1993年开通，2005年日交通量为75000量，重型车辆占20％。桥面钢板厚12mm，肋厚6mm，近期检查中发现桥面在横梁与桥面、肋与桥面连接处有疲劳裂纹，桥面板下面的裂纹长度要大于桥面板上面的裂纹长度。
对该桥加固时采用粘贴钢板和裂缝端部钻孔的方法。在裂纹处的上下表面都增加钢板，拼接钢板采用和桥面板相同材质、相同厚度的钢板，连接方式采用螺栓连接。拼接板纵向长度为防止应力集中，要全部覆盖负弯矩区（横梁处裂纹）。为避免桥面板厚度突变，桥面拼接板要比桥面下拼接板长240mm。拼接板的宽度要大于两个后轮轮胎的宽度。通过对加固前后肋与桥面板连接处应力测试，加固前后各测72小时，采用雨流计数法计算最大应力幅，在横梁附近最大应力幅由100MPa降低到40MPa，跨中附近200MPa降低到136MPa，说明加固比较有效。
(a) 加固后桥面板表面 (b) 加固后U肋外侧 图4.4-9 日本Shinhamadera桥正交异性钢桥面板加固
4.4.4结论
正交异性钢桥面板的疲劳问题是困扰全世界的难题，对出现疲劳裂纹的正交异性钢桥面板如何进行修补和加固更为困难，世界各国都在进行积极的探索。本文对正交异性刚桥面板的疲劳裂纹的可行性方法进行了总结，比较了各种加固方法的优劣，并介绍了几个典型加固工程。通过以上研究可知：
? 可采用专门的设备，在箱内对焊缝进行修补，提高焊缝的疲劳强度，如Severn桥。 ? 疲劳裂纹紧急修补可以采用铣去裂缝，采用自动埋弧焊的方式进行修补。
? 对裂纹的局部修补，可采用二次粘贴钢板的方法。
? 高性能混凝土铺装层法可以大幅度降低桥面板应力，但是缺点是混凝土易裂，增加了既有桥
面的重量。
4.5 正交异性钢桥面板构造细节疲劳强度的研究 4.5.1 概述
在过去，正交异性桥面板并没有纳入多数桥梁设计规范中，因为焊接连接的疲劳分级和应力分析比较复杂，缺乏桥面焊接连接疲劳失效的经验，尽管修建了很多正交异型钢梁桥，这使得在后期的维修和检测中花费昂贵。
1976年欧洲煤和钢铁执委会（ECSC）F4设立了“桥梁动力荷载”工作组，第一个全面的目标是进行交通荷载对钢桥作用的简化分析，主要目的是抗疲劳设计；第二个目标是进行正交异性钢桥面板的疲劳试验测试。很过国家都进行了同步研究。研究前期的两个阶段是收集和详细制定公路、铁路交通荷载信息和他们在桥梁中产生的应力，为疲劳设计做参考。最终的目标是建立适合正交异型钢桥面办焊接连接的疲劳分级，提出更好的设计细节、给出设计规程。
当前欧洲规范3－钢结构设计－Part 1.9 fatigue(EN 1993-1-9,2005)，对正交异性钢桥面板的详细的疲劳分级就是根据上述研究得到的。在进行结构维修时，我们需要知道既有平均疲劳强度曲线，而不是设计时的疲劳强度曲线。
疲劳试验结果表明，槽形肋和桥面板连接细节由于连接缺陷而疲劳强度低，应当避免二者间隙大于0.5mm，焊喉的厚度必须大于1.1倍的槽形肋壁厚，焊缝的熔透为80％，最小为50%，尽可能自动焊，因为自动焊比手工焊疲劳强度高；槽形肋必需连续通过开槽和横隔板。试验数据统计表明：桥面板的裂纹的疲劳级别为125，焊缝和肋的裂纹的疲劳级别为120。槽形肋的拼接接头和肋与桥面板的焊缝应为现场手工仰焊，槽形肋腹板的斜边bevel edges与桥面板的焊缝应该平滑过渡，作为关键的连接部位，更应该定期检查。
槽形肋的拼接因为是在现场手工仰焊，焊接质量比加工厂差，推荐位置应在肋跨的1/4处，此处的应力谱比跨中小，接头长度至少大于150mm，加劲肋和拼接板及衬板的间隙小于1mm。临时点焊tack weld应该和对接焊接采用一样的质量，加劲肋和拼接板splice plate的根部间隙至少6mm，连接板的梁端必须是倾斜的，并保证焊缝质
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量，推荐焊缝的突起值为焊缝宽度的10％，并向板表面平滑过度（smooth transition），焊缝应全部做无损检测NDT。此处的疲劳级别为100。
横梁的刚度和高度明显影响槽形肋连接处的应力，纵肋可以采用不连续通过横隔板，两侧的对接误差不超过15％的隔板厚，疲劳级别为56；采用连续通过横梁，可以采用带和不带肋下端的帽孔，帽孔适合与横隔梁有足够的高度，此处焊接连接的疲劳级别应为124。裂缝起始帽孔自由边是疲劳级别为125或80，起源于帽孔焊趾时为71，两种情况都依赖于裂缝的起源点。
为避免桥面板出现裂缝，桥面板的厚度与预计的重车数量有关，铺装层可以降低桥面板应力，既有桥面板的应力测试对修正数值模型是很好的工具，可以很好估算铺装层的组合作用，对疲劳裂缝的估算起到很重要的作用。 4.5.2 焊接连接的疲劳评估
1）焊接连接疲劳特点
疲劳－是由于永久结构承受往复变化的荷载（应力和应变），在某一点或某些点发生裂纹，经过一定的循环次数完全断裂的积累过程。（ASTM，1985）。
疲劳的本质：在往复荷载fluctuating load作用下，疲劳发生在应力低于材料的屈服点，和静力允许应力，循环次数达到几百万次，断裂时几乎没有变形。在一个厚板上焊接一薄板的节点断裂时的端口形状如下图所示：以裂源点为中心，形成同心圆，就像海滩标记，这些海滩标记随裂缝的扩展变得粗糙，在高倍电子显微镜下可以看到，每一个应力循环就会引起一个波，最后剩余的断面由于脆性断裂而破坏。
疲劳评估过程：疲劳裂纹一般发生在应力变化的截面或者局部应力高度集中的凹槽处。疲劳裂纹有两个阶段，一是裂纹出现期，二是裂纹扩展期，形成断裂面的波纹。一般讲裂纹出现期长，裂纹扩展时间短。
在焊接连接中，通常在焊趾处小小的缺陷，或许仅有0.1mm，实际产生的应力就非常大，第一次应力循环中裂纹就会扩展，因此在焊接连接中应保持焊接良好的成型质量，避免形成天然的裂源。焊缝的安全寿命一般在2～10×106。在实际的结构中，一般采用Palmgren-Miner线形疲劳积累损伤准则(Palmgren-Miner linear cumulative damage rule)，(Miner,1945)。Miner准则是否能精确评估结构的疲劳寿命，是否安全目前仍在讨论。
较早对焊接疲劳进行分级和给定疲劳设计准则的是英国规范（BS5400：part10，