鋼正交異性板是由面板、縱肋和橫肋組成，三者互為垂直，焊接成一體而共同工作。由於鋼正交異性板在相互垂直方向的剛度不同，造成受力行為上的差異，故稱為正交異性板。
正交異性板雖然具有重量輕（板薄、用鋼量少）、承載能力大的優點，但在垂直的集中荷載作用下，會產生較大的局部鼓曲狀變形，而且任一部件的豎向撓曲變形都將引起與之相鄰部件的面外撓曲變形，在焊縫約束處產生彎曲次應力。而且，汽車輪載在橋樑使用壽命（≥100年）內的作用次數很多，一旦產生裂紋，又直接導致橋面鋪裝層的損傷，故而，正交異性鋼橋面板的疲勞問題備受關注。
正交異性鋼橋面板裂紋種類
我國正交異性鋼橋面板的應用起步較晚但發展勢頭迅猛。已採用正交異性鋼橋面板的大跨度鋼橋有南京二橋、虎門大橋、軍山大橋等。目前，正交異性鋼橋面板的鋼橋樑中已觀察到不同程度的病害。根據近五年鋼橋樑病害維修加固項目不完全統計，正交異性板焊縫裂紋占鋼箱梁總病害比例36%，正交異性板母材裂紋占鋼箱梁總病害40%，其他病害占鋼箱梁總病害18%。正交異性板疲勞裂紋占鋼箱梁病害之高，對其維修加固方法及措施引起廣泛的關注。
鋼橋面板疲勞裂紋加固原則主要有以下幾點：
● 鋼橋面疲勞損傷修復的複雜性、零散性、困難性，目前尚沒有通用的修複方法；
● 鋼橋面板疲勞損傷修復應恢復結構的耐久性外，還需改善橋面板的剛度，以利於提升橋面鋪裝層的抗裂性；
● 修復應避免附近產生新的疲勞裂紋；
● 成橋處於受力狀態，發生裂紋後，可能使結構或連接產生變位、錯位，應藉助構件支撐等方法，使之復位，並儘可能使局部修復部位處於無應力或低應力狀態。
常見鋼橋面板疲勞裂紋產生的原因及修複方法
U肋母材裂紋
U肋母材裂紋一般萌生橫隔板上過焊孔U肋側焊縫端部（圖1）或者萌生橫隔板弧形切口焊縫端部（圖2）。
圖1 U肋母材裂紋萌生於橫隔板上過焊孔處
圖2 U肋母材裂紋萌生橫隔板弧形切口處
原因分析
力學因素：當輪載作用在橫肋上方時，由於橫肋豎向彎曲變形，U 肋側板產生面外變形，受兩者之間角焊縫的約束，在圍焊端趾部產生很大的次彎曲應力。
構造因素：通常縱肋貫通，橫肋上設置弧形切口，橫肋與U肋兩側用角焊縫連接，這種幾何形狀造成很高的應力集中，而且組裝精度和窄小的過焊孔和弧形切口的圍焊等，確保焊接質量難度較大。
在荷載作用下並受到焊縫缺陷影響，很容易從弧形切口和過焊孔的焊縫圍焊端的焊趾處萌生裂紋，並逐漸擴展到U肋母材。
維修加固方法
1.當裂紋長度較短，在裂紋尖端鑽制止裂孔，限制裂紋繼續開裂。
2.當裂紋長度較長，在裂紋尖端鑽制止裂孔。由於裂紋沿焊縫發展後拐向 U 肋母材，位於焊縫位置的裂紋段應先氣刨並採用焊接修補處理，位於 U 肋母材上的裂紋採用栓接鋼板的方式對 U 肋進行補強。維修加固後照片見圖3。
圖3 橫隔板過焊孔及弧形切口處U肋母材裂紋
U肋焊縫裂紋
U肋焊縫裂紋萌生於U肋與橋面板焊縫焊趾或焊根處(圖4),對於部分焊縫裂紋甚至會延伸至U肋母材上(圖5）。
圖4 U肋焊縫裂紋
圖5 U肋焊縫裂紋延伸至U肋母材
原因分析
力學因素：當車輛沿 U 肋行走時，在縱肋與面板連接處承受相互平衡的3 個彎矩的共同作用，當縱肋內側的彎矩大於外側的彎矩時，會在焊趾處產生較大拉應力；當縱肋外側的彎矩大於內側的彎矩會在焊根處產生較大拉應力。
構造因素：實橋中常見焊趾處缺陷如咬邊等未進行錘擊處理，焊根處未採用坡口焊、熔透深度不足或熔透過深，這些構造缺陷造成的小間隙或根部熔穿會引起應力集中。
維修加固方法
1.U肋焊裂紋修復時，應先進行氣刨清除裂紋，再進行焊接修補。
2.U肋焊縫裂紋延伸至U肋母材時，採用上述第一種方法修復U肋焊縫裂紋，在裂紋尖端鑽制止裂孔，採用高強螺栓擰緊，並在裂紋拐向U肋母材拐點處切割U型孔，同時栓接鋼板的方式對 U 肋進行補強，並用高強螺栓沿裂紋位置進行夾緊。修復後效果圖見圖6。
圖6 U肋焊縫裂紋裂至U肋母材修復後照片
橫隔板母材裂紋
橫隔板母材裂紋萌生於橫隔板上過焊孔處(圖7)和橫隔板弧形切口處(圖8)。
圖7 橫隔板裂紋萌生於上過焊孔
圖8 橫隔板裂紋萌生於弧形切口處
原因分析
力學因素：鋼橋面板和縱向U肋可視為彈性連續支承在橫樑上的連續梁，在縱向移動的汽車輪載作用下，縱向U肋反覆撓曲變形迫使橫樑產生面外反覆變形，當該面外變形受到約束時，將在弧形切口及上過焊孔處產生很大的次彎曲應力，約束剛度越大，次彎曲應力越大；橫樑在正上方汽車荷載的作用下，將產生垂直於橋軸方向的豎向撓曲變形，在弧形切口周邊及過焊孔焊縫端部產生較大的面內彎曲應力和剪應力。
構造因素：弧形切口尺寸設計不合理會導致過大的應力集中；並且弧形切口及過焊孔因為空隙較小，該處進行焊接時往往因為焊接水平較低導致焊縫缺陷，或者切割時產生焰切缺陷，弧形切口割焰邊倒圓不夠，產生應力集中。
維修加固方法
1.萌生於橫隔板上過焊孔處橫隔板母材裂紋長度較短時，採用在裂紋尖端鑽設螺栓孔，之後用高強螺栓擰緊，限制裂紋繼續開裂；當裂紋長度較長，採用高強螺栓在橫隔板雙面栓接加強鋼板的方式進行橫隔板加固，並在裂紋尖端用高強螺栓夾緊。
2.萌生與弧形切口處橫隔板母材裂紋裂紋長度較短時，可通過擴孔將裂紋切除。由於擴孔使橫肋接板面外剛度降低，因此為補強接板，在接板中央位置栓接加強鋼板進行補償；當裂紋長度較長時，通過上述擴孔無法完全切除裂紋，此時可以增大開孔樣式和補強鋼板進行修復處理。如通過開孔無法將裂紋完全切除時，可以在裂紋尖端鑽設螺栓孔並用高強螺栓擰緊，起到限制裂紋發展的作用。裂紋尖端螺栓孔可通過適當調整原有固定螺栓位置實現。
鋼橋面板疲勞裂紋修復新工藝
碳纖維板加固
對於橫鋼板母材裂紋可以採用粘貼碳纖維板的工藝進行維修加固，將橫隔板母材裂紋兩側油漆打磨清除，在開裂處粘貼碳纖維板。此方法不對原結構造成新的損傷和引起新的殘餘應力，不引入新的疲勞源，提高疲勞強度。
粘貼彎曲鋼板加固
對於U肋焊裂紋的修復可採用粘貼彎曲鋼板進行加固，在U肋焊縫裂紋端頭開設U型止裂孔，並在U肋兩側粘貼彎曲鋼板，彎曲鋼板與U肋共同受力。橫橋向的車輛荷載作用下，將橋面荷載直接傳至 U 肋母材受力，改善頂板與 U 肋的焊縫受力情況，並且保證原有的受力體系不發生大的轉變。
圖9 彎曲鋼板加固U肋焊縫裂紋示意圖
本文結合數年對鋼橋樑病害檢測及鋼橋樑病害維修加固現場施工的經驗，分析了三類正交異性鋼橋面板疲勞裂紋產生的原因，並對各類型疲勞裂紋做到有針對性的維修加固，以延長橋樑的使用壽命，從而提高行車安全性和舒適性。
本文刊載 / 《大橋養護與運營》雜誌 2019年 第4期 總第8期
作者 / 劉志剛 杜偉 吳江波
作者單位 / 中鐵寶橋集團有限公司