因外形美觀，施工工期短等特點，鋼結構橋梁近年來在國內備受青睞，許多大跨徑橋梁在建設中均選用鋼結構。正交異性鋼橋面板則具有自重較輕、承載力高、便於工廠化製造等優點，已成為長大橋梁首選的橋面板結構，在全球範圍內得到應用。隨著交通流量的大幅上升，橋面每日所承受的荷載也在不斷增加，鋼橋面板的疲勞問題開始凸顯。此外，結構的檢測與監測、橋面鋪裝、維修加固及防腐蝕等問題都給鋼橋面板的養護帶來一系列的挑戰。
2020年7月16-17日，《橋梁》雜誌社聯合多家單位共同舉辦國際正交異性橋梁及鋼結構橋梁線上論壇，就鋼結構橋梁養護和管理的相關問題，本刊記者採訪了幾位在論壇上進行專題演講的中外專家，並對他們的觀點和建議加以梳理，在此與讀者分享。
揭開「疲勞開裂」之謎
自上世紀以來，正交異性鋼橋面板逐漸進入人們的視野。近年來，國內外展開了不少相關的研究，獲得一些成果。疲勞問題一直是此類橋面板最大的「軟肋」，那疲勞問題又是如何出現的呢？
據日本東京都市大學校長三木千壽介紹：「正交異性鋼橋面板較薄，當車輛等荷載在橋上通行時，橋面的位移和應力會發生複雜的變化，因其結構反覆承受車輪荷載重量，易產生變形，引發疲勞現象。」他還強調，「作用在車輪上的荷載是導致橋面板出現疲勞現象的核心因素。」美國新澤西州交通廳橋梁及結構工程師程小華博士又作了詳細說明，她解釋道：「鋼橋面板的疲勞問題一般涉及三方面的因素。首先是設計原因，即構件之間的連接處和開洞處產生高變形和高應力，或使用疲勞強度低的結構細節等所致；其次，在加工製造過程中，因焊接要求不明確或質量控制未能滿足設計要求，也可能由於無焊接檢查標準或檢查標準較低，使得產品帶有內在缺陷而造成；最後則是在管養方面，例如對重型車輛數量或位置控制不力、橋梁和鋪裝定期檢查不到位等情況亦會導致疲勞開裂。」
有關易於產生裂紋的部位，帕迪爾工程諮詢有限公司執行長Amin Ghafooripour博士從力學角度，進行了描述。他說：「當應力集中發生時，隨著荷載的作用,疲勞效應始現。主要是由於鋼材的原子晶體形式出現變形,才會產生裂紋。鋼結構中任何不連續的構造會導致在焊縫處、連接處及任一焊接構件中變形的原子晶體相連,該點若受到荷載的作用，並出現應力集中時，極易出現疲勞裂紋」。
根據長沙理工大學土木工程學院院長李傳習總結，六種位置容易發生疲勞開裂，一是頂板與縱向U肋焊縫位置；二是縱肋接頭位置焊縫 ；三是Ｕ肋間橋面板與橫隔板焊縫；四是Ｕ肋與橫隔板連接焊縫處；五是腹板垂直加勁肋與面板連接焊縫；六是遠離Ｕ肋焊縫下端的弧形切口起弧點附近區域橫隔板母材開裂。
鋼橋容易疲勞開裂的部位
此外，經研究發現，鋼橋面板的焊接部分存在許多會產生疲勞的點，特別是焊縫等連接處，其根部出現焊接缺陷的現象難以得到控制。
由於採用薄板設計，早期正交異性鋼橋通常會在服役5-8年之後，出現疲勞問題，如英國的賽文橋（Severn Bridge）、德國的Polar橋等。東京都市大學校長三木千壽指出，日本較早使用正交異性鋼橋，上世紀60年代建成的橋，一般在通車10年左右會被檢測出第一條疲勞裂紋。美國加利福尼亞州交通廳產權許可辦公室主任Ajay Sehgal談到，美國對使用正交異性橋梁非常謹慎，起初只在有限的幾個州試建。密西根州曾因一座用於試驗的橋梁的橋面板開裂，從此在全州範圍內禁止再建該類橋梁；為安全起見，加利福尼亞州的鋼橋面板厚度則不小於16毫米。美國的正交異性橋梁通常為開口肋橋面板形式，因其構造比較合理，有關部門又對重載車輛加以限制，故而較少出現疲勞問題。1967年建成的聖馬特奧-海沃德大橋，在主車道採用19毫米厚的橋面板，迄今未出現嚴重的疲勞開裂，算是一個奇蹟。
美國聖馬特奧-海沃德大橋
檢測與監測的無奈
在日常的鋼結構橋梁養護過程中，人們希望能儘早發現疲勞裂紋，才能採取有效的補救措施。雖然結構檢測和監測已逐漸成為橋梁養護的新熱點，但在幾位專家眼中，人工巡檢依然是目前最有效的方式。
鋼橋日常巡檢
三木千壽坦言，對檢測工程師進行培訓，讓他們熟悉疲勞裂紋的類型和主要出現的位置，是非常必要的。然而，由於早期疲勞裂紋經常產生於正交異性鋼板各種焊趾處，通過目測難以將其檢測出來。他說：「日本目前應用許多無損檢測方法，如磁粉檢測(MT)、滲透檢測(PT)和渦流檢測(ECT)等，它們能檢測出正交異性鋼橋面板表面的一些裂紋，但對於橋面板內部一些隱藏的裂紋，效果並不理想。」此外，他還特別指出，在橋面板和縱肋間的焊縫根部易產生疲勞裂紋，而因其並不在表面擴展，比較難以發現。他的團隊在日本研究使用增強型超聲檢測(PAUT)方法檢測此類裂紋，取得一定進展。長沙理工大學土木工程學院院長李傳習同樣認為，對於鋼橋面板而言，肉眼無法觀測到的地方，則需藉助TOFT、相控陣等超聲檢測方法。但使用這些方法最主要的問題是，必須將橋面鋪裝去除才能進行，對正在運營的橋梁而言，難度較大。
任教於美國普度大學萊爾斯土木工程學院的Robert J. Connor告訴記者：「在美國，除了人工巡檢之外，磁粉檢測、滲透檢測等檢測手段也頗為常見。」但他又無奈地表示：「無損檢測的精確度目前尚難以保證，因為這與操作設備的檢測人員密切相關。而對於增強型的超聲檢測，現在也難以斷言，它優於傳統的檢測方法，其效果不僅取決於儀器的技術水平，還涉及技術人員的操作技能等因素。」當然，隨著無人機、智慧機器人等技術的推廣普及，疲勞開裂的檢測效果，將有可能發生質的飛躍。
鋼結構橋梁智能監測系統的應用也處於初級階段，遇到不少困難與挑戰。Robert J.Connor認為，維持系統運營的高昂成本和有效監測數據的匱乏，使監測工作的前景不容樂觀，而對於傳感器的使用效果，他也表達了一些困惑。「目前沒有充分的數據表明，一個身處比較惡劣環境下的鋼橋傳感器在安裝10年後仍能正常地運轉，並在有效範圍內實施準確的監測，我們又如何確信傳感器能一直長期服役，它的數據採集系統始終正常工作，並且能和未來的技術體系兼容？」另據了解，三木千壽和他的日本團隊研製了不同類型的傳感器，用於監測正交異性鋼橋面板的疲勞損傷，因測試結果不盡如人意，並未投入實際應用中。由此看來，對於鋼橋面板疲勞開裂的監測依然任重道遠，需要進一步完善技術，重視研究與應用的結合。
日本鋼橋圖
維修加固 對症處治
正交異性鋼橋面板結構出現疲勞等病害後，通常管養單位採取維修或加固的方法，國內外均不乏成功的案例，加固效果亦比較理想。而對於在役橋梁出現大量疲勞開裂的情形，程小華博士認為，首先要找到病害的真正原因再對症下藥。她進一步分析道：「正交異性鋼橋面板的很多疲勞問題都是由於薄板相對變形而引起，疲勞損傷加固應該從這方面入手，而單純的鑽孔修理只是臨時性措施。從長久考慮，需要增加整體的剛度。目前在疲勞開裂處增貼新鋼板加固或以焊接修復的方式比較典型，近年來利用鋼纖維混凝土加銷釘以加強橋面鋪裝的方式也相當有效。」
日本東京都市大學校長三木千壽贊同程小華的觀點，亦主張在確定疲勞成因的基礎上，制定有針對性的維修或加固方案，設法消除裂紋。多年來，他帶領團隊對橋面板不同位置的裂紋進行了研究，總結出一些有效的方法。「關於橫肋和縱肋的截面出現的疲勞問題，處理裡面的裂紋並不簡單。為了提升整個鋼板的剛度，可以採取增加橫肋或縱肋數量的方式，或對它們進行加固；若橋面板的表面發生疲勞開裂，目前主要的維修方法就是通過重焊清除裂紋，來提高疲勞強度，也可以考慮超聲衝擊的方式。」他談道：「然而，要消除根部的裂紋，通過重新焊接提升疲勞強度的辦法，頗為困難,我們正在研究合適的維修方案，嘗試通過雷射複合焊修補源於根部並擴散到橋面板以及出現在焊縫內的裂紋，但目前還未得以應用。」
美國研發的無線傳感器
智能化監測檢測
為了有效地解決鋼板的疲勞開裂問題，焊接機器人開始用於製造與施工中。「生產企業通過由焊接機器人使用先進的技術，高效地實施鋼板的製作，在技術環節中還必須包括可靠度較高的測試流程，來確保橋面板和加勁肋之間的焊接連接質量。此外，技術人員利用雷射測量和機器人焊接技術來處理斷裂的底梁，而從肋到底梁的細部構造中需要避免採用內部隔板。」美國加利福尼亞州交通廳產權許可辦公室主任Ajay Sehgal告訴記者。
目前，國內正在興起有關正交異性鋼橋面板疲勞加固研究的高潮，在新材料和新工藝方面有所突破，對於抑制疲勞裂紋起到一些作用。長沙理工大學土木工程學院院長李傳習給記者舉例時談到，湖北軍山大橋頂板U肋裂紋處治採用的剛性鋪裝法（橫鋪鋼板條+STC），佛山平勝大橋鋼箱梁橫隔板切口母材裂紋處治則使用粘貼CFRP法，都是很好的嘗試，有較為理想的效果。「在實踐中必須秉承辯證施治、對症下藥的原則，選擇經過科學驗證的加固補強或處治的方法，而對於粘貼CFRP法,保證粘膠劑性能和加固工藝符合要求,是確保加固效果的關鍵。」
正交異性鋼橋的維修加固工作，都已達到一定的施工規模，因每日通過橋梁的車流量較大，會使施工受到制約，因此在制訂實施策略時，應先了解橋梁可通行的車輛類型，必須規劃交通管控方案，以降低施工對正常交通的影響。
此外，在鋼橋的維修加固過程中，還有一些問題應該予以重視。Amin Ghafouripour博士建議，在修復中不再使用任何新的焊接件。在他看來，如何保持合適的焊接溫度，並進行預熱，以及執行標準的焊接與修復程序，都將使施工方面臨一系列挑戰。多數情況下，最主要的挑戰則來自因修復程序所限，在維修或加固後會產生新的疲勞應力。因此，技術人員需要重新建立更為精確的有限元模型，得以在鋼橋修復後發現新的疲勞熱點。而根據三木千壽校長的觀點，許多出現在焊縫根部的疲勞裂縫，既不容易在早期發現，又難以在維修時徹底根除，因此在設計修複方案時，大量需要處治的裂縫等病害是重點考慮的因素。
裂紋補焊技術
鋪裝得法 防腐有道
鋼橋面鋪裝一直是國內大跨徑橋梁養護的重點和難點。在交通荷載、複雜氣候等因素的影響下，鋼橋面的鋪裝性能會持續退化，容易出現網裂、坑洞、脫落，以及鋪裝層與橋面板分離等多種病害。目前鋼橋面板的鋪裝材料以瀝青混凝土為主，而採用雙層鋪裝結構較為普遍。以泰州大橋為例，其「下層澆築+上層環氧」結構體系為世界首創，通車8年來一直保持良好的服役狀態。但該體系存在鋪裝下層瀝青混凝土易於高溫下變形，使上層產生應力集中的缺陷，養護技術人員有針對性地建立了橋面系一體化聯動感知系統，對其進行溫度監測，通過每月一至兩次的常規檢測，及時處理異物及化學汙染品，並實施控制橋面溫度等養護措施，基本杜絕了嚴重開裂等現象。
泰州大橋鋼橋面鋪裝結構
作為一種新型材料，超高性能混凝土（以下簡稱UHPC）自問世以來，在經歷了大量的試驗和多座橋梁的工程應用後，在解決鋼橋面鋪裝和鋼箱梁疲勞病害方面的效果得到專家的認可。
據了解，美國已利用混凝土橋面鋪裝體系對5座橋梁進行改造，所有這些改造實施還未超過10年，鋪裝的耐久性究竟如何，還有待時間的進一步檢驗。據加利福尼亞州交通廳產權許可辦公室主任Ajay Sehgal介紹，以鋼纖維高性能混凝土取代瀝青作為鋪裝材料，經實踐證明，能夠在某種程度上降低橋面板的應力數值，有效抑制疲勞裂紋的產生或擴展。
耐腐蝕性能差也是鋼結構橋的主要缺點之一。特別在冷熱、乾濕交替的沿海地區，因海洋鹽霧的含鹼量較高，對鋼材的腐蝕頗為嚴重，會危及橋梁的結構與運營安全。目前國內傳統上採用環氧富鋅和電弧鋅鋁合金加油漆的防腐工藝，近年來通過技術上的創新，鋼橋的防腐蝕效果得到一定程度的改善。美國在防腐方面也積累了一些寶貴的經驗，加利福尼亞州交通廳產權許可辦公室主任Ajay Sehgal表示：「一個開裂的橋面板，無論是採用混凝土材料，還是用正交異性鋼結構，都有可能發生腐蝕現象。大多數的正交異性橋梁都會在其結構表面使用塗料，鍍鋅則比塗料的耐久性更高。」任教於普度大學的Robert J. Connor則把適當的橋面鋪裝及使用可消除腐蝕的材質，作為鋼結構橋防腐的理想方案，而針對易腐蝕的環境，他也推薦在鋼橋面板上塗噴不易生鏽的金屬的方法。程小華博士的幾條建議則更為全面，一是強調鋼橋面鋪裝及防水層類型的選擇與施工質量最為關鍵，能有效地防止其開裂剝落及漏水；二是橋面板結構構件使用耐候鋼加三層塗層，能夠延長其防腐時間；三是定期檢查排水口和合理設計橋面排水系統的方法也可以避免積水，減少鏽蝕的產生。
防腐處理
多管齊下治頑疾
作為現代陸路交通的主要特徵，重載、高速和大流量，都會讓鋼結構橋的管養面臨嚴峻的考驗，亦使鋼橋面板的疲勞問題愈發突出。程小華博士指出，面對這種形勢，在設計階段應對未來可能出現的管養方面的問題加以全面考慮和權衡，結合正交異性鋼板本身的特性，通過減小橫隔板間距等方式，加大鋼橋面板厚度和整體剛度，改善焊接細部的疲勞強度及製造質量，並充分利用與混凝土的複合作用來加以解決。此外，她還給出了新的思路：「根據美國的經驗，部分長大橋梁目前運用橫梁縱梁加混凝土橋面板形式，並利用PPC和UHPC等材料，改善橋面板的鋪裝處理，延長其使用壽命。正交異性鋼板雖然具有不少優點，但在交通大流量的趨勢下，橋面板亦可考慮其他的形式。」
關於這一話題,美國的專家除了從設計和養護方面進行探討外,還從管理的角度提出了建議。加利福尼亞州交通廳產權許可辦公室主任Ajay Sehgal提議，應由公路主管部門承擔起主要的責任,依照有關的交通法規，通過採取相應的措施,嚴格治理貨車超載、限制車速並控制流量,減少重載及較高車速產生的衝擊荷載對鋼橋面板的影響。他還舉例加以說明:「美國的每輛貨車都裝有收發器，通過車載收發器和高速公路上安裝的計數器之間的發射頻率的差異,來識別出疑似超載的貨車,並提示交通執法部門,讓這些車輛去稱重臺測量重量,並由他們最終確認車輛是否超載。」
隨著工程技術的不斷進步以及鋼材產能的適度釋放，未來將有更多的鋼結構橋梁應用於我國的公路和鐵路交通中。與它突出的優點一樣，其缺點也非常明顯，給後期的管理養護帶來不少麻煩。結合國內外的經驗來看，鋼結構橋的養護應該是一項系統性工作。一方面，橋梁管養單位針對橋面板疲勞開裂、易受腐蝕等問題，利用新工藝、新材料、新技術，開展檢測監測及實施維修加固等項對策；另一方面，設計、製造、交通執法等部門也必須扮演好各自的角色，努力彌補鋼結構橋梁的缺陷，為其充分「減負」，才能讓它保持完好的形態，在現代交通中發揮更為重要的作用。
本文刊載 / 《大橋養護與運營》雜誌 2020年 第4期 總第12期
本刊記者 / 陳暉