因形状都雅，施工工期短等特点，钢构造桥梁近年来在海内备受青睐，许多大跨径桥梁在培植中均选用钢构造。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，已成为终年夜桥梁首选的桥面板构造，在环球范围内得到运用。随着交通流量的大幅上升，桥面逐日所承受的荷载也在不断增加，钢桥面板的疲倦问题开始凸显。此外，构造的检测与监测、桥面铺装、维修加固及防堕落等问题都给钢桥面板的养护带来一系列的寻衅。
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构造桥梁线上论坛，就钢构造桥梁养护和管理的干系问题，本刊采访了几位在论坛上进行专题演讲的中外专家，并对他们的不雅观点和建议加以梳理，在此与读者分享。
揭开“疲倦开裂”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，国内外展开了不少干系的研究，得到一些成果。疲倦问题一贯是此类桥面板最大的“软肋”，那疲倦问题又是如何涌现的呢？
据日本东京都邑大学校长三木千寿先容：“正交异性钢桥面板较薄，当车辆等荷载在桥上通畅时，桥面的位移和应力会发生繁芜的变革，因其构造反复承受车轮荷载重量，易产生变形，引发疲倦征象。”他还强调，“浸染在车轮上的荷载是导致桥面板涌现疲倦征象的核心成分。”美国新泽西州交通厅桥梁及构造工程师程小华博士又作了详细解释，她阐明道：“钢桥面板的疲倦问题一样平常涉及三方面的成分。首先是设计缘故原由，即构件之间的连接处和开洞处产生高变形和高应力，或利用疲倦强度低的构造细节等所致；其次，在加工制造过程中，因焊接哀求不明确或质量掌握未能知足设计哀求，也可能由于无焊接检讨标准或检讨标准较低，使得产品带有内在毛病而造成；末了则是在管养方面，例如对重型车辆数量或位置掌握不力、桥梁和铺装定期检讨不到位等情形亦会导致疲倦开裂。”
有关易于产生裂纹的部位，帕迪尔工程咨询有限公司首席实行官Amin Ghafooripour博士从力学角度，进行了描述。他说：“当应力集中发生时，随着荷载的浸染,疲倦效应始现。紧张是由于钢材的原子晶体形式涌现变形,才会产生裂纹。钢构造中任何不连续的布局会导致在焊缝处、连接处及任一焊接构件中变形的原子晶体相连,该点若受到荷载的浸染，并涌现应力集中时，极易涌现疲倦裂纹”。
根据长沙理工大学土木工程学院院长李传习总结，六种位置随意马虎发生疲倦开裂，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；六是阔别Ｕ肋焊缝下真个弧形切口起弧点附近区域横隔板母材开裂。
钢桥随意马虎疲倦开裂的部位
此外，经研究创造，钢桥面板的焊接部分存在许多会产生疲倦的点，特殊是焊缝等连接处，其根部涌现焊接毛病的征象难以得到掌握。
由于采取薄板设计，早期正交异性钢桥常日会在服役5-8年之后，涌现疲倦问题，如英国的赛文桥（Severn Bridge）、德国的Polar桥等。东京都邑大学校长三木千寿指出，日本较早利用正交异性钢桥，上世纪60年代建成的桥，一样平常在通车10年旁边会被检测出第一条疲倦裂纹。美国加利福尼亚州交通厅产权容许办公室主任Ajay Sehgal谈到，美国对利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常日为开口肋桥面板形式，因其布局比较合理，有关部门又对重载车辆加以限定，故而较少涌现疲倦问题。1967年建成的圣马特奥-海沃德大桥，在主车道采取19毫米厚的桥面板，迄今未涌现严重的疲倦开裂，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
在日常的钢构造桥梁养护过程中，人们希望能尽早创造疲倦裂纹，才能采纳有效的补救方法。虽然构造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办法。
钢桥日常巡检
三木千寿坦言，对检测工程师进行培训，让他们熟习疲倦裂纹的类型和紧张涌现的位置，是非常必要的。然而，由于早期疲倦裂纹常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：“日本目前运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，但对付桥面板内部一些隐蔽的裂纹，效果并不理想。”此外，他还特殊指出，在桥面板和纵肋间的焊缝根部易产生疲倦裂纹，而因其并不在表面扩展，比较难以创造。他的团队在日本研究利用增强型超声检测(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，对付钢桥面板而言，肉眼无法不雅观测到的地方，则需借助TOFT、相控阵等超声检测方法。但利用这些方法最紧张的问题是，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见告：“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担保，由于这与操作设备的检测职员密切干系。而对付增强型的超声检测，现在也难以断言，它优于传统的检测方法，厥后果不仅取决于仪器的技能水平，还涉及技能职员的操作技能等成分。”当然，随着无人机、智能机器人等技能的推广遍及，疲倦开裂的检测效果，将有可能发生质的飞跃。
钢构造桥梁智能监测系统的运用也处于低级阶段，碰着不少困难与寻衅。Robert J.Connor认为，坚持系统运营的高昂本钱和有效监测数据的匮乏，使监测事情的前景不容乐不雅观，而对付传感器的利用效果，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，并在有效范围内履行准确的监测，我们又如何确信传感器能一贯长期服役，它的数据采集系统始终正常事情，并且能和未来的技能体系兼容？”另据理解，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倦损伤，因测试结果不尽如人意，并未投入实际运用中。由此看来，对付钢桥面板疲倦开裂的监测依然任重道远，须要进一步完善技能，重视研究与运用的结合。
日本钢桥图
维修加固 对症处治
正交异性钢桥面板构造涌现疲倦等病害后，常日管养单位采纳维修或加固的方法，国内外均不乏成功的案例，加固效果亦比较空想。而对付在役桥梁涌现大量疲倦开裂的环境，程小华博士认为，首先要找到病害的真正缘故原由再对症下药。她进一步剖析道：“正交异性钢桥面板的很多疲倦问题都是由于薄板相对变形而引起，疲倦损伤加固该当从这方面入手，而纯挚的钻孔修理只是临时性方法。从长久考虑，须要增加整体的刚度。目前在疲倦开裂处增贴新钢板加固或以焊接修复的办法比较范例，近年来利用钢纤维混凝土加销钉以加强桥面铺装的办法也相称有效。”
日本东京都邑大学校长三木千寿赞许程小华的不雅观点，亦主见在确定疲倦成因的根本上，制订有针对性的维修或加固方案，设法肃清裂纹。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涌现的疲倦问题，处理里面的裂纹并不大略。为了提升全体钢板的刚度，可以采纳增加横肋或纵肋数量的办法，或对它们进行加固；若桥面板的表面发生疲倦开裂，目前紧张的维修方法便是通过重焊打消裂纹，来提高疲倦强度，也可以考虑超声冲击的办法。”他谈道：“然而，要肃清根部的裂纹，通过重新焊接提升疲倦强度的办法，颇为困难,我们正在研究得当的维修方案，考试测验通过激光复合焊修补源于根部并扩散到桥面板以及涌如今焊缝内的裂纹，但目前还未得以运用。”
美国研发的无线传感器
智能化监测检测
为了有效地办理钢板的疲倦开裂问题，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利用前辈的技能，高效地履行钢板的制作，在技能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，技能职员利用激光丈量和机器人焊接技能来处理断裂的底梁，而从肋到底梁的细部布局中须要避免采取内部隔板。”美国加利福尼亚州交通厅产权容许办公室主任Ajay Sehgal见告。
目前，海内正在兴起有关正交异性钢桥面板疲倦加固研究的高潮，在新材料和新工艺方面有所打破，对付抑制疲倦裂纹起到一些浸染。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肋裂纹处治采取的刚性铺装法（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利用粘贴CFRP法，都是很好的考试测验，有较为空想的效果。“在实践中必须秉承辩证施治、对症下药的原则，选择经由科学验证的加固补强或处治的方法，而对付粘贴CFRP法,担保粘胶剂性能和加固工艺符合哀求,是确保加固效果的关键。”
正交异性钢桥的维修加固事情，都已达到一定的施工规模，因逐日通过桥梁的车流量较大，会使施工受到制约，因此在订定履行策略时，应先理解桥梁可通畅的车辆类型，必须方案交通管控方案，以降落施工对正常交通的影响。
此外，在钢桥的维修加固过程中，还有一些问题该当予以重视。Amin Ghafouripour博士建议，在修复中不再利用任何新的焊接件。在他看来，如何保持得当的焊接温度，并进行预热，以及实行标准的焊接与修复程序，都将使施工方面临一系列寻衅。多数情形下，最紧张的寻衅则来自因修复程序所限，在维修或加固后会产生新的疲倦应力。因此，技能职员须要重新建立更为精确的有限元模型，得以在钢桥修复后创造新的疲倦热点。而根据三木千寿校长的不雅观点，许多涌如今焊缝根部的疲倦裂痕，既不随意马虎在早期创造，又难以在维修时彻底拔除，因此在设计修复方案时，大量须要处治的裂痕等病害是重点考虑的成分。
裂纹补焊技能
铺装得法 防腐有道
钢桥面铺装一贯是海内大跨径桥梁养护的重点和难点。在交通荷载、繁芜景象等成分的影响下，钢桥面的铺装性能会持续退化，随意马虎涌现网裂、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，而采取双层铺装构造较为普遍。以泰州大桥为例，其“下层浇筑+上层环氧”构造体系为天下创始，通车8年来一贯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毛病，养护技能职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，并履行掌握桥面温度等养护方法，基本杜绝了严重开裂等征象。
泰州大桥钢桥面铺装构造
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运用后，在办理钢桥面铺装和钢箱梁疲倦病害方面的效果得到专家的认可。
据理解，美国已利用混凝土桥面铺装体系对5座桥梁进行改造，所有这些改造履行还未超过10年，铺装的耐久性究竟如何，还有待韶光的进一步考验。据加利福尼亚州交通厅产权容许办公室主任Ajay Sehgal先容，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落桥面板的应力数值，有效抑制疲倦裂纹的产生或扩展。
耐堕落性能差也是钢构造桥的紧张缺陷之一。特殊在冷热、干湿交替的沿海地区，因海洋盐雾的含碱量较高，对钢材的堕落颇为严重，会危及桥梁的构造与运营安全。目前海内传统上采取环氧富锌和电弧锌铝合金加油漆的防腐工艺，近年来通过技能上的创新，钢桥的防堕落效果得到一定程度的改进。美国在防腐方面也积累了一些宝贵的履历，加利福尼亚州交通厅产权容许办公室主任Ajay Sehgal表示：“一个开裂的桥面板，无论是采取混凝土材料，还是用正交异性钢构造，都有可能发生堕落征象。大多数的正交异性桥梁都会在其构造表面利用涂料，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利用可肃清堕落的材质，作为钢构造桥防腐的空想方案，而针对易堕落的环境，他也推举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；二是桥面板构造构件利用耐候钢加三层涂层，能够延长其防腐韶光；三是定期检讨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
作为当代陆路交通的紧张特色，重载、高速和大流量，都会让钢构造桥的管养面临严厉的磨练，亦使钢桥面板的疲倦问题愈发突出。程小华博士指出，面对这种形势，在设计阶段应对未来可能涌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办法，加大钢桥面板厚度和整体刚度，改进焊接细部的疲倦强度及制造质量，并充分利用与混凝土的复合浸染来加以办理。此外，她还给出了新的思路：“根据美国的履历，部分终年夜桥梁目前利用横梁纵梁加混凝土桥面板形式，并利用PPC和UHPC等材料，改进桥面板的铺装处理，延长其利用寿命。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磋商外,还从管理的角度提出了建议。加利福尼亚州交通厅产权容许办公室主任Ajay Sehgal发起，应由公路主管部门承担起紧张的任务,依照有关的交通法规，通过采纳相应的方法,严格管理货车超载、限定车速并掌握流量,减少重载及较高车速产生的冲击荷载对钢桥面板的影响。他还举例加以解释:“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,并提示交通司法部门,让这些车辆去称重台丈量重量,并由他们终极确认车辆是否超载。”
随着工程技能的不断进步以及钢材产能的适度开释，未来将有更多的钢构造桥梁运用于我国的公路和铁路交通中。与它突出的优点一样，其缺陷也非常明显，给后期的管理养护带来不少麻烦。结合国内外的履历来看，钢构造桥的养护该当是一项系统性事情。一方面，桥梁管养单位针对桥面板疲倦开裂、易受堕落等问题，利用新工艺、新材料、新技能，开展检测监测及履行维修加固等项对策；另一方面，设计、制造、交通司法等部门也必须扮演好各自的角色，努力填补钢构造桥梁的毛病，为其充分“减负”，才能让它保持无缺的形态，在当代交通中发挥更为主要的浸染。
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
