對正交異性鋼橋面板，大家都很熟悉，這是鋼橋尤其是大跨度鋼橋結(jié)構(gòu)中采用最多的一種橋面板結(jié)構(gòu)形式，也是現(xiàn)代鋼橋結(jié)構(gòu)重要的標(biāo)志性成果之一。但這種橋面結(jié)構(gòu)同時也是鋼橋領(lǐng)域里最令人頭痛的結(jié)構(gòu)之一，可以說是既“讓人愛”又“讓人恨”的一種橋面結(jié)構(gòu)形式。讓人愛，是因為這種結(jié)構(gòu)具有眾多的優(yōu)點，如重量輕、承載力高、適用性強等，是目前為止仍然不能用其他形式橋面板取代的主要結(jié)構(gòu)形式。而讓人恨，則是因為它服役幾十年以來，不斷地出現(xiàn)令人頭痛的疲勞開裂和橋面鋪裝破壞問題，而且成為了一個出現(xiàn)概率很高的普遍性病害、至今也沒有公認(rèn)的既經(jīng)濟又有效的解決措施的病害。
一般的正交異性鋼橋面板指在橋面的面板下面采用縱橫加勁肋加強的構(gòu)造形式，而目前應(yīng)用最為廣泛的正交異性鋼橋面板是采用U形縱向加勁肋的構(gòu)造形式。如圖1所示，它由面板（頂板）、U形縱向加勁肋以及橫向加勁肋或橫隔板組成。目前世界各國已建成的采用正交異性鋼橋面板的各類橋梁已超過1500座，我國正在運營和在建中的該類型橋梁數(shù)量已達(dá)200余座。
兩大病害
最早在大跨度鋼橋上發(fā)現(xiàn)正交異性鋼橋面板疲勞開裂的是英國Severn橋，該橋開通運營僅5年即發(fā)現(xiàn)其正交異性鋼橋面板出現(xiàn)疲勞裂紋。此后，正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)在包括歐洲、美國、日本及我國等世界范圍內(nèi)相繼出現(xiàn)了大量的疲勞開裂案例。例如國內(nèi)某大橋通車數(shù)年后即發(fā)現(xiàn)大量疲勞裂縫，經(jīng)過維修加固，再經(jīng)過幾年的運營，又出現(xiàn)了更多的疲勞開裂。這種現(xiàn)象在很多類似結(jié)構(gòu)的橋面板中出現(xiàn)，給橋梁的安全和耐久性帶來巨大影響。由于橋面鋪裝的存在，這種發(fā)生在橋面板上的裂縫在開裂初期不容易被發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)現(xiàn)就已經(jīng)貫穿頂板了。而且這種裂縫較難修復(fù)加固，多數(shù)情況下必須中斷交通并拆除橋面鋪裝才能進(jìn)行。
根據(jù)日本對東京2條代表性高速公路中約7000個閉口縱肋正交異性鋼橋面板的疲勞病害進(jìn)行的統(tǒng)計分析結(jié)果，主要疲勞裂紋類型及其構(gòu)成如圖1(c)所示。圖中帶圓圈的編號表示疲勞開裂的部位及類型，圓餅圖表示各類型開裂所占的比例。由圖可見，占比例最大的為②、③、④類，分別為縱向U肋與橫隔板、豎向加勁肋與縱腹板以及縱向U肋與頂板的焊縫開裂。其中的第③類開裂對應(yīng)的構(gòu)造現(xiàn)在基本不再采用，所以目前出現(xiàn)最多的是②、④兩類。
除了鋼橋面板開裂以外，這種結(jié)構(gòu)帶來的另一個通病是橋面鋪裝過早損壞（圖2），并成為每座同類橋面板結(jié)構(gòu)的大橋設(shè)計時讓人頗為糾結(jié)的問題。從我國90年代修建的此類結(jié)構(gòu)橋梁的運營情況看，相當(dāng)數(shù)量的橋梁在通車后不到十年就不得不進(jìn)行橋面鋪裝的大修或者更換，因而橋面鋪裝病害也與疲勞開裂一樣，成為正交異性鋼橋面板的兩大主要病害之一。
強度問題還是剛度問題？
發(fā)生上述的兩大病害的最主要原因是什么呢？直觀地看，兩種破損都是由于材料的強度不夠而導(dǎo)致，鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂是因為焊縫的疲勞強度不足所致，橋面鋪裝的破壞是由于鋪裝層的強度不足所致。這沒有錯，材料強度不足是導(dǎo)致其最終破壞的直接原因。但我們所要解決的問題是結(jié)構(gòu)的安全與耐久性問題，因此我們還應(yīng)該從結(jié)構(gòu)的角度來審視問題的整體，而不僅限于材料破壞的局部。
首先，讓我們分析一下正交異性鋼橋面板的受力特征。如圖3所示，在車輪荷載作用下，橋面板會產(chǎn)生縱橫向撓曲。從局部區(qū)域看，由于橋面板幾何構(gòu)造的特點，其剛度分布是非均勻且有突變的，因而其中的橫向撓曲（圖3a）和U肋的畸變（圖3b的所謂歪曲）使U肋與頂板的焊縫局部產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，再加上在焊趾和焊根處可能存在的焊接缺陷，比較高的應(yīng)力幅便會出現(xiàn)在這些區(qū)域，這是引發(fā)頂板與U肋焊縫疲勞開裂的最重要的因素。而在U肋穿過橫隔板的地方（圖3c），由于U肋的縱向彎曲，使橫隔板發(fā)生其面外的變形，從而也加大了此處焊縫的應(yīng)力幅。如果這種由荷載引起的局部變形過大，其引起的應(yīng)力幅也會大大增加。而這種過大的局部變形也使橋面鋪裝層產(chǎn)生很大的彎曲力矩，導(dǎo)致其開裂、剝離及滑移。
這樣的局部變形過大顯然是由于橋面板局部剛度的不足和不均勻所導(dǎo)致。剛度不均勻是鋼結(jié)構(gòu)的固有特點，沒有有效解決辦法，因此從工程的角度看，局部剛度不足是引起較大疲勞應(yīng)力幅的主要原因。
綜上所述，導(dǎo)致正交異性鋼橋面板兩大病害的主要原因有兩個：一是剛度問題，即局部剛度不足；二是強度問題，即焊縫和鋪裝層疲勞強度不足。相比之下，前者影響更大，所以可以說主要是剛度問題，因為如果解決了剛度問題，這里的強度問題就不重要了。
破解之道，重在剛度
如上所述，引起正交異性鋼橋面板疲勞開裂和橋面鋪裝破壞的原因是局部剛度不足和材料的疲勞強度不足，因此目前解決該問題的方法也可以分為兩類，即剛度方法和強度方法。前者包括：加厚頂板，采用UHPC（超高性能混凝土）做鋪裝層（剛度和強度雙重作用），采用HPC（高性能混凝土）或UHPC形成組合結(jié)構(gòu)，加密設(shè)置隔板，在U肋內(nèi)部設(shè)置小橫隔板以減小畸變變形，采用新型加勁肋等等。后者包括：采用新材料（新型鋪裝材料，包括UHPC），采用新型焊接技術(shù)（U肋雙面焊接，單面焊接雙面成型），采用鐓邊U肋（也有雙重作用）等等。
幾個想法
個人認(rèn)為，在這些方法中，以采用UHPC（圖4）和雙面焊接的方法效果比較好，目前發(fā)展的勢頭也較好�？傮w來說，還是應(yīng)該以提高局部剛度的方法為主，因為即使是雙面焊接也只能解決頂板與U肋焊縫的焊根疲勞開裂問題，對于焊趾以及U肋與橫隔板焊縫開裂仍然不能有效解決。剛度方法以改善結(jié)構(gòu)或構(gòu)造的剛度為主，除了UHPC技術(shù)以外，在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的改進(jìn)也是值得深入研究的一條路徑。
本文所說提高剛度是指提高橋面板局部剛度，現(xiàn)在采用如UHPC之類的方法就是提高剛度的思路，而鋼結(jié)構(gòu)本身構(gòu)造方面提高剛度需要深入研究，目前還沒有更好的方案，但將來完全可能有的，就像以前正交異性鋼橋面板沒有出現(xiàn)而后來出現(xiàn)了的情況一樣。
從重載鋼橋面鋪裝的角度，針對鋼橋正交異性鋼橋面板的頂板合度以及加勁肋有幾點意見。第一是頂板厚度一定不能低于14mm，最好設(shè)計16mm以上，第二就是滿足橋梁結(jié)構(gòu)要求指針情況下，加勁肋盡量保證剛度大一點為佳。鋼橋面鋪裝技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)十分成熟了，尤其在重載交通鋼橋面鋪裝技術(shù)方面，我們國家在國際上無論是研究、設(shè)計、材料與施工方面均首屈一指了，目前為止，最長壽面已經(jīng)有超過15年以上的鋼橋面鋪裝，十年以上比比皆是。
細(xì)節(jié)設(shè)計是有效控制正交異性橋成本、保證結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要的步驟。正交異性鋼橋設(shè)計多數(shù)由疲勞極限狀態(tài)控制，局部效應(yīng)是影響疲勞極限狀態(tài)的重要因素，故細(xì)節(jié)設(shè)計顯得尤為重要。細(xì)節(jié)設(shè)計需要考慮如下兩個最重要的問題：(1)焊接拼接還是螺栓拼接；(2)挖空還是縱橫肋圍焊。
縱肋與面板的連接連接焊接：封閉縱肋和面板連接的焊縫細(xì)節(jié)上應(yīng)當(dāng)滿足下面幾個要求：單邊焊，80％（不小于70％）焊透率，無熔穿，以及縱肋與面板焊接前緊密配合，間隙小于0.5mm。關(guān)于正交異性橋面板推薦尺寸如下（美國規(guī)范）：
