钢正交异性板是由面板、纵肋和横肋组成，三者互为垂直，焊接成一体而共同工作。由于钢正交异性板在相互垂直方向的刚度不同，造成受力行为上的差异，故称为正交异性板。

正交异性板虽然具有重量轻（板薄、用钢量少）、承载能力大的优点，但在垂直的集中荷载作用下，会产生较大的局部鼓曲状变形，而且任一部件的竖向挠曲变形都将引起与之相邻部件的面外挠曲变形，在焊缝约束处产生弯曲次应力。而且，汽车轮载在桥梁使用寿命（≥100年）内的作用次数很多，一旦产生裂纹，又直接导致桥面铺装层的损伤，故而，正交异性钢桥面板的疲劳问题备受关注。

我国正交异性钢桥面板的应用起步较晚但发展势头迅猛。已采用正交异性钢桥面板的大跨度钢桥有南京二桥、虎门大桥、军山大桥等。目前，正交异性钢桥面板的钢桥梁中已观察到不同程度的病害。根据近五年钢桥梁病害维修加固项目不完全统计，正交异性板焊缝裂纹占钢箱梁总病害比例36%，正交异性板母材裂纹占钢箱梁总病害40%，其他病害占钢箱梁总病害18%。正交异性板疲劳裂纹占钢箱梁病害之高，对其维修加固方法及措施引起广泛的关注。

钢桥面板疲劳裂纹加固原则主要有以下几点：

● 钢桥面疲劳损伤修复的复杂性、零散性、困难性，目前尚没有通用的修复方法；

● 钢桥面板疲劳损伤修复应恢复结构的耐久性外，还需改善桥面板的刚度，以利于提升桥面铺装层的抗裂性；

● 修复应避免附近产生新的疲劳裂纹；

● 成桥处于受力状态，发生裂纹后，可能使结构或连接产生变位、错位，应借助构件支撑等方法，使之复位，并尽可能使局部修复部位处于无应力或低应力状态。

U肋母材裂纹

U肋母材裂纹一般萌生横隔板上过焊孔U肋侧焊缝端部（图1）或者萌生横隔板弧形切口焊缝端部（图2）。

图1 U肋母材裂纹萌生于横隔板上过焊孔处

图2 U肋母材裂纹萌生横隔板弧形切口处

原因分析

力学因素：当轮载作用在横肋上方时，由于横肋竖向弯曲变形，U 肋侧板产生面外变形，受两者之间角焊缝的约束，在围焊端趾部产生很大的次弯曲应力。

构造因素：通常纵肋贯通，横肋上设置弧形切口，横肋与U肋两侧用角焊缝连接，这种几何形状造成很高的应力集中，而且组装精度和窄小的过焊孔和弧形切口的围焊等，确保焊接质量难度较大。

在荷载作用下并受到焊缝缺陷影响，很容易从弧形切口和过焊孔的焊缝围焊端的焊趾处萌生裂纹，并逐渐扩展到U肋母材。

维修加固方法

1.当裂纹长度较短，在裂纹尖端钻制止裂孔，限制裂纹继续开裂。

2.当裂纹长度较长，在裂纹尖端钻制止裂孔。由于裂纹沿焊缝发展后拐向 U 肋母材，位于焊缝位置的裂纹段应先气刨并采用焊接修补处理，位于 U 肋母材上的裂纹采用栓接钢板的方式对 U 肋进行补强。维修加固后照片见图3。

图3 横隔板过焊孔及弧形切口处U肋母材裂纹

U肋焊缝裂纹

U肋焊缝裂纹萌生于U肋与桥面板焊缝焊趾或焊根处(图4),对于部分焊缝裂纹甚至会延伸至U肋母材上(图5）。

图4 U肋焊缝裂纹

图5 U肋焊缝裂纹延伸至U肋母材

原因分析

力学因素：当车辆沿 U 肋行走时，在纵肋与面板连接处承受相互平衡的3 个弯矩的共同作用，当纵肋内侧的弯矩大于外侧的弯矩时，会在焊趾处产生较大拉应力；当纵肋外侧的弯矩大于内侧的弯矩会在焊根处产生较大拉应力。

构造因素：实桥中常见焊趾处缺陷如咬边等未进行锤击处理，焊根处未采用坡口焊、熔透深度不足或熔透过深，这些构造缺陷造成的小间隙或根部熔穿会引起应力集中。

维修加固方法

1.U肋焊裂纹修复时，应先进行气刨清除裂纹，再进行焊接修补。

2.U肋焊缝裂纹延伸至U肋母材时，采用上述第一种方法修复U肋焊缝裂纹，在裂纹尖端钻制止裂孔，采用高强螺栓拧紧，并在裂纹拐向U肋母材拐点处切割U型孔，同时栓接钢板的方式对 U 肋进行补强，并用高强螺栓沿裂纹位置进行夹紧。修复后效果图见图6。

图6 U肋焊缝裂纹裂至U肋母材修复后照片

横隔板母材裂纹

横隔板母材裂纹萌生于横隔板上过焊孔处(图7)和横隔板弧形切口处(图8)。

图7 横隔板裂纹萌生于上过焊孔

图8 横隔板裂纹萌生于弧形切口处

原因分析

力学因素：钢桥面板和纵向U肋可视为弹性连续支承在横梁上的连续梁，在纵向移动的汽车轮载作用下，纵向U肋反复挠曲变形迫使横梁产生面外反复变形，当该面外变形受到约束时，将在弧形切口及上过焊孔处产生很大的次弯曲应力，约束刚度越大，次弯曲应力越大；横梁在正上方汽车荷载的作用下，将产生垂直于桥轴方向的竖向挠曲变形，在弧形切口周边及过焊孔焊缝端部产生较大的面内弯曲应力和剪应力。

构造因素：弧形切口尺寸设计不合理会导致过大的应力集中；并且弧形切口及过焊孔因为空隙较小，该处进行焊接时往往因为焊接水平较低导致焊缝缺陷，或者切割时产生焰切缺陷，弧形切口割焰边倒圆不够，产生应力集中。

维修加固方法

1.萌生于横隔板上过焊孔处横隔板母材裂纹长度较短时，采用在裂纹尖端钻设螺栓孔，之后用高强螺栓拧紧，限制裂纹继续开裂；当裂纹长度较长，采用高强螺栓在横隔板双面栓接加强钢板的方式进行横隔板加固，并在裂纹尖端用高强螺栓夹紧。

2.萌生与弧形切口处横隔板母材裂纹裂纹长度较短时，可通过扩孔将裂纹切除。由于扩孔使横肋接板面外刚度降低，因此为补强接板，在接板中央位置栓接加强钢板进行补偿；当裂纹长度较长时，通过上述扩孔无法完全切除裂纹，此时可以增大开孔样式和补强钢板进行修复处理。如通过开孔无法将裂纹完全切除时，可以在裂纹尖端钻设螺栓孔并用高强螺栓拧紧，起到限制裂纹发展的作用。裂纹尖端螺栓孔可通过适当调整原有固定螺栓位置实现。

碳纤维板加固

对于横钢板母材裂纹可以采用粘贴碳纤维板的工艺进行维修加固，将横隔板母材裂纹两侧油漆打磨清除，在开裂处粘贴碳纤维板。此方法不对原结构造成新的损伤和引起新的残余应力，不引入新的疲劳源，提高疲劳强度。

粘贴弯曲钢板加固

对于U肋焊裂纹的修复可采用粘贴弯曲钢板进行加固，在U肋焊缝裂纹端头开设U型止裂孔，并在U肋两侧粘贴弯曲钢板，弯曲钢板与U肋共同受力。横桥向的车辆荷载作用下，将桥面荷载直接传至 U 肋母材受力，改善顶板与 U 肋的焊缝受力情况，并且保证原有的受力体系不发生大的转变。

图9 弯曲钢板加固U肋焊缝裂纹示意图

本文结合数年对钢桥梁病害检测及钢桥梁病害维修加固现场施工的经验，分析了三类正交异性钢桥面板疲劳裂纹产生的原因，并对各类型疲劳裂纹做到有针对性的维修加固，以延长桥梁的使用寿命，从而提高行车安全性和舒适性。