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国内外工程经验表明，大多承受重交通荷载运行的钢桥，其钢桥面板在使用数年或十几年后相继出现了疲劳破坏问题，因此解决钢桥面板疲劳开裂问题势在必行。

图1 正交异性钢桥面板疲劳易损部位示意

疲劳开裂的典型问题

纵肋与顶板焊接处疲劳裂纹

在直接承受竖向轮压荷载情况下，纵肋的挠曲变形导致桥面板的面外变形，进而在桥面板与U肋焊缝的焊趾、焊根处产生弯矩。在弯矩作用下，顶板与纵肋焊根、焊趾处产生较大的弯曲应力并形成局部应力集中，因此疲劳裂缝容易产生并进一步扩展。从构造上看，由于纵肋（U肋）腹板倾斜，桥面板与U肋在焊接时会出现缝隙，因此产生初始缺陷。除此之外，焊接时温度很高，焊接完成后会在焊缝周边产生焊接残余拉应力场。

图2 纵肋与顶板焊接处疲劳裂纹形态

图3 纵向加劲肋与顶板相交位置残余应力场

钢桥面板顶板疲劳裂纹

在局部轮载直接作用下，当纵肋内侧的弯矩小于外侧的弯矩时，焊根处产生较大的应力集中，裂纹在此萌生并沿顶板向上发展，最终穿透面板。由于是桥面板的负弯矩导致的损伤，所以桥面板的刚度不足和超载车辆的通行，是导致产生这类裂纹的主要原因。除此之外，残余应力和焊接初始缺陷同样也是产生此类裂纹的原因。

横隔板与顶板连接处疲劳裂纹

在局部轮载直接作用下，桥面板发生鼓曲状变形。在横隔板与顶板相互连接并相互约束的部位，因几何不连续、刚度突变出现应力集中。反复荷载作用下，疲劳裂纹在上述部位出现并迅速扩展。此外，纵肋过焊孔处横隔板容易出现应力集中，在活载的反复作用下，最终导致疲劳破坏。 

纵肋对接拼接疲劳裂纹

纵肋是弹性支承在横隔板上的连续梁，在较大的竖向轮压荷载作用下，会在纵肋上产生纵向弯矩。而纵肋嵌补段的竖向裂纹，主要由于纵桥向弯矩产生的循环主应力引起的。一般纵肋工地对接位置可以采用焊接和栓接两种形式。当采用焊接形式时，通常采用钢衬垫板辅助焊接。由于加工偏差，安装钢衬垫板往往与同样较薄的纵肋壁板不密贴，容易导致定位焊缝里存在焊接缺陷，并且在焊根处产生较大的应力集中。此外，嵌补段的焊接工艺一般为仰焊，焊接质量不容易保证。该对接焊缝位置裂纹形态可能会有两种，如图5。

图4 纵肋对接受力状态和现场组装间隙示意图

图5 闭口加劲肋工地对接焊缝位置裂纹形态

纵肋与横隔板焊接处疲劳裂纹

从正交异形板的第二体系来看，纵肋和顶板可以视作弹性连续支承在横梁上的连续梁。在车辆轮胎荷载的作用下，顶板和纵肋发生挠曲变形，变形协调带动横隔板产生纵向面外变形和横向面内变形。因为纵肋侧壁腹板局部受到约束，引起与横隔板开孔相交处局部应力集中，进而产生疲劳开裂。

横隔板弧形切口母材处疲劳裂纹

为了释放纵肋挠曲带来的横隔板约束变形，在横隔板纵肋通过的下方设置弧形切口。但是，开孔后使得横隔板上弧形切口边缘容易形成应力集中部位，进而造成该处母材疲劳开裂（如图6）。除此之外，焊接残余应力也是影响疲劳开裂的重要因素。有关文献表明，横隔板挖孔边缘处存在切向的残余拉应力，峰值能达到200MPa。

图6 横隔板弧形开口受力状态及实际开裂情况

疲劳裂纹修复技术

钻孔止裂法

相关研究指出，在一定孔径范围内，止裂效果随着止裂孔孔径的增大而变好。另外，附加孔能明显延长结构疲劳寿命，但不会改变裂纹扩展速率。

国内学者付炳宁对足尺钢桥面板模型的某一U肋拼接段疲劳裂纹，进行止裂孔修复试验研究，通过释放裂纹尖端的应力水平，达到阻止疲劳裂纹扩展。此外，Duprat等提出，对止裂孔进行冷扩处理或往孔内植入直径稍大于孔径的栓钉，可以延缓疲劳裂缝再次萌生。日本学者Uchida提出，在孔中置入螺栓，通过预紧力降低止裂孔附近的峰值应力，可提高裂缝修复效果。

但是,钻孔止裂会削弱原构件截面,进而可能造成强度破坏。Choi等在相关实验中,仅进行1.5万次循环荷载,便发现新的疲劳裂纹在止裂孔边萌生并扩展,止裂效果较差。

加补强钢板法

对于钢桥面板U肋与顶板焊缝开裂，国内外学者提出在相邻U肋间设置装配式倒U形构件或角钢进行加固，增加横桥向刚度，降低此连接处的应力幅值。其他学者则在横隔板与U肋侧边粘贴角钢，或在U肋底边与横隔板螺栓连接角钢，用以固定U肋与横隔板之间的切口，控制该部位的变形，进而提高修复效率。而针对横隔板弧形开口处疲劳裂纹，国内学者李传习等提出，弧形切口优化＋双面补强钢板的方案。有限元分析表明，弧形切口及横隔板与U肋连接处应力有明显改善作用，且对补强以外稍远部位应力影响可忽略，补强钢板尺寸可统一，其边缘距U肋宜取30mm，其厚度宜取4mm。

采用高强摩擦螺栓连接可提高开裂位置与补强板的整体性，双面加固不仅提高结构的刚度，还可避免不平衡受力对结构造成影响。但在原结构上增加补强钢板会造成端部截面刚度变化不连续，且螺栓制孔会引入新的应力集中。此外，若疲劳裂缝较多，采用钢板补强会增加额外恒重。

热修复方法

部分学者根据疲劳试验提出，TIG重熔法修复深度小于5～6mm的焊趾疲劳裂纹能取得较好的修复效果，TIG熔修处理后的疲劳强度提高70%，疲劳寿命提高5～8倍。然而，焊接法是现场施焊，其焊接质量及焊接后的焊缝处理不及工厂操作，最终留存的复杂残余应力容易引起局部蠕变损伤和应力腐蚀开裂。

机械修复法

在超声波冲击法(UIT)研究方面,Sougata等对18个全尺寸W27×129轧制梁试件进行了超声冲击处理，使焊接横向加强筋和盖板细部疲劳性能得到增强。国内学者王丽等对铁路大跨度斜拉桥中两种新型构造细节,进行不同应力幅下的疲劳试验。结果表明,经超声波锤击后,试件的200万次疲劳强度有明显提高,为原状试件的2倍以上。

在裂纹闭合冲击改进技术（ICR）方面，日本学者提出了采用设备冲击疲劳裂缝以及裂缝两端，使裂缝闭合的技术。袁周致远等通过开展钢箱梁疲劳裂纹冲击裂缝闭合修复试验（如图7）提出，ICR修复后能够降低裂纹沿深度和长度方向的扩展速率，对遏止疲劳裂纹扩展起到促进作用。然而其验证和应用仍存在不足，尤其冲击力度和次数尚无可靠依据。

图7 ICR试验设备与冲击步骤

钢纤维混凝土铺装改进法

针对顶板与U肋焊缝处产生的疲劳裂缝，可采用加筋水泥基材料或者高性能混凝土，作为钢桥面铺装层进行修复，替代原有刚度较小的沥青混凝土铺装层，通过剪力钉或结构胶与下层既有钢桥面板形成组合桥面板共同受力，以期降低焊缝处疲劳应力幅。基于此理念，荷兰代尔夫特理工大学提出采用加筋高性能混凝土（RHPC），日本学者提出钢纤维增强混凝土（SFRC），两种铺装体系均得到了较好的应用。国内学者邵旭东等提出，采用正交异性钢板一薄层超韧性混凝土（STC）组合桥面板结构（如图8），对钢桥面板进行修复加固。通过对混凝土的高温蒸养消除混凝土收缩带来的不利影响，可使焊缝处疲劳应力幅大幅降低。该技术已应用于多座钢桥面修复工程中。

图8 STC组合桥面体系

夹芯板（SPS）结构体系法

夹芯板加固结构体系（SPS）是将新钢板通过一层环氧树脂或聚氨酯材料,粘贴在既有正交异性钢桥板上,以修复疲劳裂纹。目前已有一些桥梁采用此方法。国内学者崔春雷等的研究表明,与加固前相比,在不产生新的焊接残余应力的情况下，SPS加固桥面的抗疲劳性能明显提高。然而,高温会对夹层材料与钢板之间的粘结性能产生不利影响。

纤维增强复合材料加固法

相较于普通碳纤维（CFRP）修复疲劳裂纹，采用高弹性模量甚至超高模量的CFRP覆盖裂纹表面更具优势，而且随着粘贴层数的增加，疲劳修复效率也随之提高。需要指出的是，CFRP—钢粘结接头仍是发生失效的最薄弱环节，其胶层耐久性问题必须高度重视。然而对于这种非预应力粘结加固体系中，恒载并不传递到CFRP板上，只有一部分活载传递到CFRP板上。而预应力CFRP加固钢结构在力学上比非预应力加固更有优势，因为它们能够减小钢构件中的永久拉应力，通过降低平均应力水平进而增加被加固构件的疲劳寿命。然而，尽管如此，却很少有人尝试用预应力粘结加固（PBR）体系。这是因为该体系中的预应力水平不能过高，否则纤维材料就会与钢构件之间过早地发生粘结失效。

作为PBR的替代方案，瑞士Ghafoori等提出一种使用机械端锚的预应力无粘结加固（PUR）体系。研究表明，预应力碳纤维板完全阻止了疲劳裂纹扩展，并且在750万次荷载循环后，既未观察到机械夹具的滑移，也未观察到任何预应力损失。而且他们进行了两种体系加固受损钢梁的疲劳试验，发现PBR体系中碳纤维板存在局部应力集中，而PUR体系中碳纤维板具有均匀的应变分布。可见，预应力无粘结加固体系可以在较高的预应力水平下表现出更好的疲劳性能，且会大幅降低延性。

Bassetti等从一座91年历史的拆除桥梁上取下三根铆接十字梁，通过在横梁下翼缘上表面粘贴2块CFRP板和在下表面锚固预应力CFRP板来进行加固（如图9所示），有效抑制了钢梁铆钉孔微裂纹的疲劳扩展。Miller等利用CFRP板对既有钢桥主梁进行加固，经荷载试验，锈蚀钢梁的整体刚度提高了11.6%。

图9 铆接钢梁桥主梁试验加载示意与截面加固状况

Sen等利用试验和有限元分析，验证了CFRP环氧树脂复合板加固钢混组合梁的可行性，并且能够提高疲劳寿命。Moy等采用超高模量CFRP板成功加固伦敦地铁阿克顿桥后，测得活载应力降低了24%。Ghafoori等用预应力无粘结加固体系（PUR），对瑞士一座120年历史铁路铆接钢梁桥进行加固。测试结果表明，预应力碳纤维板降低了活载的平均应力，并且环境温度的升高将导致碳纤维板的应力水平增大，但增幅不大。Hosseini等在澳大利亚Diamond Creek公路桥监测无应力粘结系统（BR）加固效果。经过现场车载试验，横梁底部拉应力减少了15%。

图10 瑞士Münchenstein铁路桥和PUR实际加固横梁情况（单位：m）

图11 Diamond Creek公路桥与BR实际加固横梁情况

由于钢材和碳纤维布热膨胀系数不匹配，无预应力粘结碳纤维布板的温度变化会引起明显的热应力循环。在设计实际粘结碳纤维加固方案时，必须考虑这些循环应力。在正交异性钢桥面板疲劳加固方面，尚未有实桥应用，但存在理论与试验研究。李传习等对粘贴CFRP板加固，及未加固的含人工缺陷弧形缺口细节的疲劳性能进行比较研究。结果表明，若以疲劳裂纹长度6.5mm作为损伤容限，单面粘贴CFRP加固含缺陷弧形切口的疲劳寿命为未加固切口的8～15倍。王秋东等针对钢箱梁顶板与竖向加劲肋焊接接头疲劳细节，选取了3个已有焊趾疲劳裂纹的局部足尺试件作为研究对象。结果表明，CFRP补强法可显著提高疲劳裂纹的扩展寿命；在CFRP补强的基础上进行钻孔或裂纹焊合处理，可进一步降低疲劳裂纹的扩展速率。综上可见，采用CFRP加固钢结构疲劳裂纹有很好的效果，可为加固正交异性钢桥面板疲劳裂纹提供一定参考。

图12 CFRP加固机理

引入形状记忆合金的可行性研究

虽然CFRP已被证实有效，但在一些情况下施加预应力需要空间和设备（例如液压驱动装置），因此人们考虑引入形状记忆合金来提供预应力。

最早被土木工程领域关注的是镍钛形状记忆合金（NiTi SMA）。Shimamoto等将预紧的SMA纤维嵌入到一侧有裂纹的环氧树脂片材中，并加热SMA。SMA产生的恢复应力可以通过增加环氧树脂的压应力来减小裂纹尖端应力。Tsoi等初步得出了该复合材料能产生115MPa的恢复应力。休斯顿大学El-Tahan等开发了一种用于修复疲劳损伤钢构件的SMA-CFRP补片。试验表明，对预应变为0.11的SMA金属丝加热至记忆形变完全释放后冷却至室温，能够得到约390MPa的稳定预应力，且40℃内的冷热循环对预应力几乎无影响。随后El-Tahan和Dawood发现，由预应力和外荷载在SMA丝产生的最大应力，低于SMA从CFRP脱胶的最大应力。在经过应力幅为预应力20 MPa、50 MPa和80 MPa的200万次循环荷载后，其预应力水平分别下降了8%、12%和23%。相对于其他预应力修复技术而言，该方法不需要安装锚固装置或千斤顶，通过对SMA加热或通电即可施加预应力。然而，该系统的完整性和有效性，依赖于SMA丝与CFRP贴片、CFRP贴片与钢板表面之间的有效粘结。

近年来，铁基形状记忆合金（Fe-SMA）逐渐受到重视。瑞士Empa发明了一种新型Fe-SMA筋和钢带（Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni-1(V,C)）。随后Ghafoori研究发现，在经过高周疲劳荷载后，这种合金的刚度保持稳定不变。在循环荷载下，经过200万次循环后，SMA的恢复应力从359MPa下降到284MPa（约下降20%）。此外，Hosseini等研究了Fe-SMA在不同约束条件下的恢复应力演化规律以及二次激励下的循环行为。结果表明，尽管循环加载过程中恢复应力减小，但第二次热激活可以恢复大部分的放松恢复力。目前，关于Fe-SMA的研究主要集中在混凝土结构中，涉及钢结构疲劳修复较少。Izadi和Ghafoori等利用Fe-SMA条加固含裂纹钢板的试件。经高周疲劳荷载试验表明，激活温度为260℃时，Fe-SMA中的预应力水平范围能达330-410MPa，并且在损伤钢板中产生35-72MPa的压应力。此外，SMA中的恢复力在循环荷载下会损失17-20%，经过二次热激励后能恢复大部分损失的预应力。试验结果表明，激活的Fe-SMA条能够为开裂钢板提供足够的压应力，从而减少了钢板受拉应力和裂纹尖端应力强度因子。Izadi和Hosseini等对由Fe-SMA加固的长6.4m的钢梁进行了一系列静力和疲劳四点弯曲试验。结果表明，在100℃、160℃、260℃的活化温度下，恢复应力大约分别为160 MPa、330 MPa和430 MPa。而且由此在下翼缘产生的压应力范围为10-30 MPa，并可以多次被激活，甚至达到更高温度(比初始激活温度)，这将产生更高的预应力水平。此外，激活温度为260℃的Fe-SMA加固钢梁能稳定承受200万次高周疲劳荷载，试验测试机械锚固无滑移现象。

目前，虽然在正交异性钢桥面板中尚未有实际应用，但通过这一系列基础性能研究可以看出，采用形状记忆合金进行疲劳加固具有较好的应用前景，有必要在构造上和耐久性问题上进行深入研究。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志

2021年 第1期 总第13期

作者 / 吕志林 姜旭 强旭红

作者单位 / 同济大学土木工程学院 

编辑 / 王硕

美编 / 赵雯

责编 / 周洋

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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