众所周知，钢桥面板疲劳是各国钢桥中普遍存在的问题，这与钢桥面板的构成有关——钢桥面板由纵、横向互相垂直的加劲肋（纵肋和横肋）连同桥面顶板组成，共同承受车轮荷载作用。这种结构在20世纪30年代用于美国和德国，日本在50年代开始使用钢桥面板。
本文主要介绍了日本钢铁面板疲劳与钢纤维混凝土（SFRC）铺装加固。
钢桥面板的构成使它有以下的特点：一是钢桥面板由各种板类组成，都是很薄的钢板。所以，与混凝土桥面板相比，其重量轻，能够减轻恒载以及下部结构的负担，减少下部结构的尺寸。二是这种钢结构由构件组成，可以在工厂加工和组装，在一定程度上能够保证质量。同时，还可减少工期。但是，从另一方面来说，它的重量轻，刚度比较小，容易变形，造成铺装损伤。
此外，钢桥面板直接承受汽车的车轮荷载，很容易产生疲劳损伤。简单来说，顶板受到汽车荷载作用后产生变形，闭合截面的U肋对顶板的变形有约束作用，使得顶板和U肋之间的角度发生变化。在汽车荷载反复的作用下，该位置不断张开和闭合，直至产生疲劳，出现损伤。通常由于U肋只是单侧焊接，在焊缝根部肯定有一个缝隙，在前方根部的地方，产生应力集中，疲劳损伤就从此处开始。裂缝的扩展有两种，一个是把顶板贯穿，另一个就是在U肋焊缝扩展。在U肋上产生裂缝，一开始裂缝不是很大，但随着时间的增长，裂缝也会不断扩展。
以下主要介绍日本桥梁的疲劳案例。根据2012年的统计数据，在日本的桥梁中，桥长超过15米的桥梁为16万座（如图1）。大约在50年代中期，日本开始建设钢桥，该时期也是日本经济高度成长期。数据显示，日本钢桥总数大约有5万座，占桥梁总数的30%左右。到现在为止，这些桥梁已服役了40年以上（日本桥梁的设计使用寿命是50年)。从80年代后期开始，一些钢桥陆续出现了疲劳裂缝，并不断增加，直到2000年，该问题引起了各方的重视。
图1 日本公路桥梁的经年分布（桥长15米以上，总数为157,230座）
关于钢桥疲劳设计，日本进行了很多工作。1990年，日本土木学会出版了一本关于钢桥面板疲劳的资料，该资料介绍了一些疲劳的现象。1997年，日本道路协会（负责出版设计规范的部门）正式出版了《钢桥的疲劳》一书，该书介绍了日本出现的疲劳损伤的现象，以及一些疲劳损伤修复的方法。但是，日本此时并没有对疲劳设计提出强制性的要求。2002年，日本道路协会正式出版了《钢桥的疲劳设计指针》，同时也把该内容加入了桥梁设计规范当中，作为桥梁设计标准的一部分。2009年，根据疲劳现象和实验研究，日本国土交通省（相当于我国的交通运输部）发布通令，要求在使用这种U肋的钢桥面板中，对于行车道，也就是重车道，要把板厚提高到16毫米。在此之前，日本的钢桥面板板厚只有12毫米，后来虽然加厚到14毫米，但是从疲劳损伤的情况来看，14毫米仍然不足。为此，该通令要求使用16毫米以上的钢板，当然并不是所有车道都执行该要求，而是根据交通荷载来考虑。
2012年，钢桥疲劳设计指针中给出了疲劳曲线，对各种接头形式进行分类。根据分类形式和疲劳曲线确定接头所允许的疲劳应力。在疲劳设计指针中，也对一些结构细节提出了要求，比如说对U肋的焊接，焊缝的熔透厚度要在75%以上，取消了以前经常用于顶板位置的横肋和U肋的过焊孔构造。
日本在50年代后期，修建了大量钢桥，在世界钢桥中占有很大比重。建设初期，由于对钢桥疲劳的考虑不够周全，以至于疲劳损伤的现象比较多。从检测的结果来看，钢桥面板容易发生疲劳裂缝的部位主要有以下几个：1. 纵肋与顶板的焊缝；2.纵肋的对接焊缝；3.竖向加劲肋与顶板的焊缝；4. 纵肋与横肋（或横隔板）的焊缝。这些都是疲劳薄弱的部位，检测中应特别注意。
图2是日本两个具有代表性都市的桥梁疲劳裂缝统计数据。该数据将疲劳类型一共分为9类，其中，疲劳裂缝数量最多的是纵肋和横肋。另一个是顶板和竖向加劲肋的焊缝，这也跟以前的设计有关，此后在设计中进行了改进。此外还有顶板和纵肋的焊缝。以上这三类焊缝损伤占总数量的90%以上。U肋的对接焊缝所占比例较小，这是因为日本U肋接头中使用焊接的很少。
图2 钢桥面板疲劳裂缝的统计
此外，钢桥面板的疲劳，不仅和它的构造有关，还和超重、汽车荷载有很大关系。例如，在东京的一条27公里环城高速公路上，有12座钢桥。在一次检测中发现，这些钢桥有2800多处裂缝。并且，这些裂缝都分布在行车道，也就是重车轮迹带，问题非常突出。
通过检测发现，顶板和U肋焊缝位置的损伤占比较大，达到60%到70%以上；横隔板U肋的位置反而比顶板少一些，占15%到20%。而顶板竖向肋的损伤比例，个别桥梁达到20%。此外，还有些桥梁裂缝多的原因是设计不够合理。
在修复的过程中，根据损伤情况的不同，其修复方法也不相同。例如。位于顶板的裂缝，其深度达到8毫米，此时需要通过焊接钢板，以及在顶板上面加一层钢板来进行修复；如果深度小于8毫米，可不修复顶板，直接采用钢纤维混凝土铺装来进行修复；如果裂缝长度大于40厘米时，则需要使用裂缝终止孔，在裂缝前端开一个小孔，使得裂缝不再扩张；如果修复时在U肋上打孔，会造成截面的缺损，因此还要适当地加钢板进行补强。
图3 现场采取的紧急修复措施
由于产生裂缝的主要原因是刚度太小，即使进行了修复，也不能防止裂缝完全终止、不再发生，不能从根本上解决疲劳的问题。对此，日本采用了一种现在较为普遍的钢纤维混凝土铺装的加固方法，也称SFRC铺装。此方法从2000年开始研究，是使用钢纤维混凝土进行铺装，目的就是加大钢桥面本身的刚度，减少变形。如果铺装厚度是75毫米，相当于钢板被加厚8毫米，这对刚度的提高有很大的改善。
图4、图5是由日本土木研究所、一家钢结构加工公司以及三家铺装单位，对钢纤维混凝土铺装加固后的钢桥面板进行的检测结果。该桥梁跨径为40m+56m+40m，2车道宽7.2m，钢桥面板厚度为12mm，加固前是沥青铺装，铺装层厚度为75mm，SFRC的加固铺装也是75mm，具体构成为剪力钉+格栅+SFRC(75mm)。从应变的变化情况来看，采用了钢纤维混凝土铺装以后，应变非常小。以顶板为例，从铺装前到铺装后，该顶板无论是有横隔板的位置，还是没有横隔板的位置，应变都减少了90%。此外，在U肋和顶板焊接处，没有横隔板的位置，应变减少了70%到80%；在有横隔板的位置，应变降低的效果差一些，只减少了60%到70%。以上结果充分表明，钢纤维混凝土铺装加固会对应变起到很大的缓和作用，对改善钢桥面疲劳有很大的作用。
图4 铺装加固前后顶板应变的变化
图5 铺装加固前后U肋应变的变化
在日本，钢纤维混凝土铺装大致分为两种。一种是只有一层铺装，完全是钢纤维混凝土，通常是75毫米，还需要在钢桥面板上布置一些剪力钉，防止混凝土收缩徐变对钢桥面板的影响。另一个就是碳纤维的格栅，通常布置在钢桥面板容易产生拉力的位置，防止混凝土开裂。后来，这种铺装成为一种标准的形式。然而在实际使用之后，也发现了一些问题。由于混凝土本身不可避免地会出现一些微小的裂缝，雨水经这些裂缝渗入以后，会使钢纤维生锈，造成颜色上的变化，影响景观。如今，日本通常使用两层铺装。一层是钢纤维混凝土铺装，表层是沥青混凝土。考虑到SFRC混凝土容易产生裂缝，在表层沥青和SFRC混凝土之间还设置了粘结防水层，与混凝土桥面板沥青铺装基本相似。
钢桥面板采用钢纤维混凝土铺装时，也要注意几个问题。研究发现，粗骨料的尺寸和钢纤维长度之间的关系，对抗弯强度有影响，因此要求粗骨料尺寸不超过钢纤维长度的2/3，而且不超过铺装厚度的1/2.5。考虑到施工的和易性，尽量避免使用碎砂。因为碎砂吸水性比较强，会导致含水量比较大。考虑到桥梁负弯矩区的耐久性，还需要适当布置一些碳纤维格栅。此外，还要注意钢桥面板与铺装的粘结和防水，剪力钉的布置和施工，混凝土配合比（膨胀剂用量等）及养生。通常在日本使用的是规格为直径0.6毫米，长度30毫米的钢纤维。
钢桥面板的铺装施工过程与混凝土桥面较为相似。日本通常用在旧桥的加固上。首先要把原有的铺装层清除掉，之后根据疲劳损伤的情况进行修复。清除原有铺装层以后，需对钢板进行打砂除锈，这对之后的铺装有很大的影响。在日本，要求一级除锈，相当于高于SA2.5以上。此后是混凝土和钢板之间的粘结层（如需要用格栅的话，还要铺设格栅），然后摊铺钢纤维混凝土，之后施工防水粘结层，最后摊铺沥青混凝土表层。前文介绍的混凝土和沥青之间的防水粘结层，也是日本混凝土桥面板通常使用的一种形式。从理论上来看，这一施工过程并没有太大的难度，但是施工中采用的材料以及时间掌握，都非常的重要，需要施工单位有更多的研究和实验。
人们所熟知的东京彩虹大桥，以及东京市内的大桥，都在钢桥面板上采用了钢纤维混凝土的加固修复。湘南大桥是1986年通车，2006年3月加固施工。
1989年建成的横滨海湾大桥，是主跨460米的斜拉桥。通车时，只开通了上层的高速公路，下层的普通道路没有开通，直到2004年才开通下层的两个车道。由于该桥是1989年以前设计的，钢桥面板厚度只有12毫米，不可避免会发生疲劳损伤，所以在铺装上采用了75毫米的钢纤维混凝土，表层没有采用沥青。铺装以后检测应力产生的变化，最大应力在顶板位置下降了70%、横肋位置下降了50%。可见，采用钢纤维混凝土铺装效果非常明显。
随着年代的变化，铺装过程也会出现一些变化。日本目前普遍使用2层铺装构成，底层为钢纤维混凝土铺装（40mm—50mm），表层为沥青混凝土铺装（30mm—35mm）。这样使得行车更为舒适。
图6 横滨海湾大桥
作者单位：日本长大株式会社
编辑：王硕
美编：欣钰
审校：廖玲
选自《桥梁》2017年第4期 总第78期
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