近年来，得益于国家宏观政策的引导以及全社会的关注和投入，我国桥梁养护技术得到了快速提升和发展。从初期的“重建轻养”到目前的“建养并重”，迎来了新的发展局面。目前，我国长大桥梁管养工作仍面临一系列矛盾和挑战。一方面，日益快速增长的交通量与桥梁养护技术的研发相对滞后之间，矛盾问题突出；另一方面，我国桥梁的“老龄化”问题将会随着桥梁建造数量和服役时间的增加，逐步凸显。今后，如何养好一座大桥，充分发挥桥梁的社会经济价值，降低桥梁全寿命周期养护成本，是桥梁养护管理工作者目前面临的重大技术挑战。

在我国目前建成的长大桥梁中，钢箱梁因其卓越的受力性能，在桥梁主梁截面形式中得到了广泛应用。然而，钢箱梁长期承受车辆荷载的直接作用，在风、温度等环境因素的耦合影响下，难以避免地会产生涂层劣化、腐蚀、疲劳开裂等系列病害。其中，疲劳裂纹的产生，不仅影响结构局部的正常受力，特殊情况下，还会降低铺装层结构的耐久性，造成铺装层开裂、钢箱梁渗水锈蚀等系列次生病害。因此，对于长大桥钢箱梁养护而言，我们应重点关注钢箱梁疲劳损伤问题，通过采取及时有效的维护措施或手段，提升钢箱梁抗疲劳性能，提高钢箱梁结构的耐久性，确保钢箱梁结构运营安全。

钢箱梁疲劳裂纹成因复杂，其种类、数量、分布特点与桥梁结构形式、交通量情况、服役年限等直接相关。悬索桥、斜拉桥由于结构体系、钢箱梁构造特征的差异，其钢箱梁疲劳开裂特征亦存在明显的区别。悬索桥钢箱梁主要承受吊杆传来的竖向力，钢桥面板开裂较严重；斜拉桥钢箱梁存在纵向水平力，内部常采用纵隔板进行刚度加强与内力分布的调整，桁架式纵隔板为疲劳裂纹萌生热点部位之一。桁架式纵隔板裂纹亦为斜拉桥钢箱梁特有的疲劳裂纹之一。但总体而言，目前，长大桥梁钢箱梁的典型疲劳裂纹主要可分为5类（见图1）——Ⅰ顶板与纵肋焊缝裂纹；Ⅱ纵肋对接焊缝裂纹；Ⅲ纵肋与横隔板焊缝裂纹；Ⅳ 横隔板弧形缺口裂纹；Ⅴ纵隔板焊缝裂纹。各类裂纹特征及成因见表1所示。

图1 长大桥梁钢箱梁主要疲劳裂纹类型

钢箱梁养护的特殊性

长大桥梁钢箱梁因其特殊的结构特点和受力特征，与目前中小跨径桥梁钢箱梁存在较大差异，主要体现在——

① 体量大。钢箱梁的主体结构由横向、纵向构件通过焊接手段组合而成，对于千米级大跨桥梁而言，其整体的焊缝数量众多，焊缝总长度可以达到十几万米，现场养护工作量巨大。

② 构造复杂。为了保证钢箱梁的整体受力性能，在其局部的构造中均设置了不同的加劲肋，使得原有的受力结构更为复杂，病害的成因和发展更难预测。

③ 可操作空间小。钢箱梁自身的结构体系庞大，内部空间宽敞，但由于局部构造众多且复杂，实际的可操作空间仍比较小，大型养护设备及专业养护技术难以适应狭小的操作空间，制约了先进技术手段的应用。

④ 交通量大。大跨径桥梁往往处于交通咽喉地段，交通量巨大。相比于中小型桥梁的可中断交通养护，大跨径桥梁难以采取此类的养护策略。这也进一步制约了大型、先进的技术装备的现场应用。

以上的这些差异性决定了钢箱梁养护工作的开展，必须立足于其自身的客观条件和现场的特殊需求，开展针对性养护。

焊缝检查

由于钢箱梁内部可视范围小、视线阻挡严重，图像识别技术难以开展实桥应用。目前，钢箱梁内部的焊缝检查仍以人工目视检测和磁粉检测为主。磁粉探伤重点针对人工观测有疑问的部位进行确认，但受制于技术的局限性仅适用于表面裂纹，难以发现钢箱梁焊缝的隐蔽裂纹，如图2所示。同时，在当前钢箱梁焊缝检查工作中，通常仅关注有无裂纹以及裂纹长短，尚未针对裂纹尖端进行精确检测，难以有针对性地开展维修工作。对于图2中的隐蔽裂纹，通过常规检测技术仅能确定肉眼可见的裂纹尖端，但这样的检测结果与裂纹实际尖端存在较大误差，容易导致裂纹维修后短时间内产生二次开裂。根据现场裂纹维修及跟踪观测，大部分维修后裂纹的二次扩展与裂纹尖端的判断错误有关。相比于目视检测、磁粉检测技术，超声波检测技术在隐性裂纹检测方面具有较好的可行性。但目前超声波检测技术仅能应用于U肋对接焊缝等简单构造细节处疲劳裂纹的检测工作，尚难以应用于复杂构造细节裂纹的检测工作。除此之外，钢箱梁焊缝检查效率的提升、检查流程的标准化、检查辅助工具的研发等，均是当前钢箱梁养护工作的重点之一。

图2(a）表面裂纹

图2(b）隐蔽裂纹

疲劳维护

钢箱梁焊缝的维护可根据疲劳裂纹产生的前后，进一步分为开裂前的疲劳性能提升，以及开裂后的维修，开裂前的疲劳性能提升也可称之为钢箱梁疲劳损伤预防性养护。对于尚未建设的桥梁，可通过改善结构构造细节和制造工艺等手段，提升焊缝的抗疲劳性能，如加设内衬板、单侧全熔透焊、双面焊等。对于已建桥梁，焊缝的疲劳性能提升往往通过外部的技术手段开展，比如焊缝磨削、设置局部加劲肋、FRP补强、冲击技术等。但目前钢箱梁预防性养护工作仍处于起步阶段，江苏省内的江阴大桥、泰州大桥等开展了钢箱梁焊缝预防性养护工作，但仍处于探索阶段。

在以往的钢箱梁焊缝疲劳裂纹维护工作中，“逢裂必修”的观念根深蒂固，这一方面增加了维护成本，另一方面容易对结构造成二次损伤。针对该问题，部分大桥钢箱梁养护工作中则采用了“部分维修，部分跟踪观测”的策略，即保留一部分短裂纹持续观察，当裂纹进入快速扩展阶段时，再考虑采用合理的维修对策。以往的疲劳裂纹维修技术主要集中在钻孔止裂和裂纹补焊两个方面，但现场实施严重依赖经验，技术实施缺乏合理依据，现场维修操作不规范，导致维修效果参差不齐。如图3所示，由于焊合质量较差，补焊处产生了二次开裂；由于钻孔不规范，止裂孔偏离了裂纹尖端，未起到止裂效果。研究疲劳裂纹维护技术的技术参数及工艺流程，开发新的裂纹修复技术，是当前全面提升钢箱梁养护水平的必要途径。

图3 部分不规范维修实例——

(a) 重焊质量差，短时间二次开裂

图3 部分不规范维修实例——

(b）孔位偏离，裂纹继续扩展

超声波检测疲劳裂纹

对于疲劳裂纹而言，长度、深度、角度是其主要特征参数，通过有效的检测手段获取裂纹长度、深度、角度值，即可重现疲劳裂纹三维特征形态，有利于裂纹维修工作的高效开展。同时，通过裂纹三维特征的可视化，可精确确定裂纹尖端位置，避免对裂纹尖端的误判，提高裂纹维修质量。图4为顶板与竖向加劲肋焊缝裂纹三维特征的超声波检测结果，基于检测结果的裂纹三维特征与裂纹实际特征吻合较好。

图4 裂纹三维特征检测结果对比

对于钢箱梁顶板与U肋裂纹而言，若裂纹萌生于焊根，在裂纹扩展初期则为隐蔽裂纹。尽管当裂纹扩展至一定长度后，可从焊趾侧观察到裂纹，但肉眼可见的裂纹尖端并非真实裂纹尖端（见图2b）。由于顶板与U肋焊缝细节构造复杂，传统的单探头超声波检测技术具有较大的局限性，难以适用于该细节。而基于双探头的超声波检测技术，具备检测焊根隐蔽裂纹的可行性，如图5所示。目前正基于理论及试验研究，确定基于双探头的超声波检测的技术参数，并依托代表性桥梁工程开展实桥应用验证。

图5 基于双探头的超声波检测技术

钻孔止裂

钻孔止裂技术是目前应用最为广泛的钢箱梁疲劳裂纹临时止裂措施，但由于缺乏标准的钻孔技术参数、流程等，实际止裂效果并不理想。针对钻孔止裂技术开展了深入的研究，围绕顶板与竖向加劲肋、平板、横隔板与U肋、顶板与U肋四种试件，开展了钻孔止裂试验，并结合有限元技术研究了钻孔止裂技术对不同类型裂纹的止裂效果。针对钻孔孔径、孔位、角度等参数开展了针对性的研究，优化了钻孔技术参数。例如，在钢箱梁早期维护工作中，采用的止裂孔孔径为6或8mm，但实际止裂效果不理想。目前，已采用推荐的10或12mm孔径（见图6）。3年的跟踪结果表明，止裂效果较好，但具体参数仍在进一步优化中。早期的钻孔要求止裂孔位置距离裂纹尖端5mm，现已根据分析结果改进为距离裂纹尖端0.5D（D为止裂孔孔径）。同时，允许的钻孔偏心距离不超过5mm，以确保较好的止裂效果。

图6 止裂孔孔径的改进

同时，对钻孔设备、工艺、流程进行了改进，以提高打孔质量和效率。首先，对钻头尺寸进行了改进，以适应钢箱梁狭小的操作空间。其次，考虑到在钢箱梁表面钻大孔径止裂孔容易打滑，提出了改进的打孔工艺，即先用小直径钻头钻定位孔，再用目标直径钻头钻孔。在此过程中，舍弃了原先使用的手持式钻机，改用小型磁座钻，提高打孔精度。最后，统一了钻孔实施流程，便于维护信息的档案化管理，如图7所示。基于改进的钻孔止裂技术，实施后持续跟踪2年多以来，近90%的裂纹止裂效果较好，部分扩展裂纹主要归因于孔位偏离裂纹尖端。

图7 改进的钻孔流程

气动冲击 阻裂扩展

相比于钻孔止裂、裂纹焊合等传统维护技术，气动冲击技术具有维修速度快、效率高，设备便捷、实用性强，对母材破坏小等优点。该技术通过反复冲击使裂纹开口产生接触闭合（见图8），并引入残余压应力（见图9），从而降低疲劳裂纹尖端应力强度因子，提高疲劳裂纹扩展寿命，起到大幅延缓，甚至阻止疲劳裂纹继续扩展的效果。围绕该技术理论、试验效果、工艺参数等方面开展了针对性研究，初步探明了技术原理，建议了主要关键技术参数，并评估了该技术对不同构造细节裂纹的实施效果。对比试验结果表明，实施气动冲击维修的疲劳裂纹，其扩展速率显著降低，剩余疲劳寿命显著提高。

图8 气动冲击作用下的裂纹闭合

图9 气动冲击引入残余压应力

考虑到室内试验和理论，难以准确模拟现场复杂受力环境，为了进一步评估该技术的现场适用性、维修效率、便携性，依托实桥开展了裂纹的气动冲击维护工作，目前90%以上的裂纹尚未产生明显扩展，阶段性效果显著。

长期观测裂纹

由于桥位环境、实际运营环境，以及钢箱梁结构的复杂性，钢箱梁的病害成因及发展规律仍具有较大的不确定性，无法通过现有研究手段准确揭示其作用机理：一方面，现有的有限元分析手段，仍无法精确模拟实际结构的裂纹萌生及发展过程；另一方面，试验研究手段仅能够考虑结构自身特性，而无法反映复杂运营环境的影响。因此，针对钢箱梁疲劳裂纹开展现场跟踪工作，是目前研究疲劳裂纹发展规律最直接、最有效的手段。如图10所示，依据目前统计结果，疲劳裂纹的长期跟踪应持续3～4年，基于大量基础跟踪数据的总结，有利于形成科学、客观的结论，为钢箱梁养护决策提供充分、可靠的依据。在开展钢箱梁养护新技术试验性应用的同时，通过开展应用效果的长期跟踪观测评估，可为相关技术的改进提供有效的依据，形成“试应用—跟踪—评估—改进—再应用”的良性循环。

图10 疲劳裂纹二次扩展时间对比

对于大跨径桥梁而言，钢箱梁箱室高度一般为3m左右，检修人员需借助人字梯才能贴近顶板焊缝进行检测，不仅费时费力，高空操作时还存在人员安全隐患。为提高钢箱梁现场跟踪效率、确保工作人员安全，研发了钢箱梁高空检视简易装置（专利号：201820011286.7；201721246548.X），并依托实桥开展了现场应用。结果表明，应用该装置可显著提升日常检查效率40%以上。

图11 钢箱梁高空检视简易装置应用

钢箱梁养护工作的精细化，是当前养护工作进一步提升水平的需求，也是新形势下钢箱梁养护的发展方向。精细化养护可有效推动养护工作由粗放型向节约型、由被动向主动转变，实现养护工作的新跨越，提升养护技术精度，也必然提升养护管理效果。钢箱梁养护涉及众多因素，通过养护的信息化和精细化，提升养护管理和服务水平，降低运营成本，实现钢箱梁养护成本控制和技术效果提升的协调发展。积极吸收最新的信息化和精细化管理技术，如BIM技术、物联网技术等，实现养护环节的信息化管理，以及大数据挖掘技术实现信息化评估和预测等。

钢箱梁养护规范性文件是开展精细化养护工作的重要依据及支撑。目前，我国钢箱梁养护的标准化工作，仍有许多方面有待进一步加强。交通部编制修订的《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTGT J21-2011），对于大跨钢箱梁的针对性不足。《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004）、《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011）主要针对中小桥梁的养护工作，对长大缆索桥梁的适用性不足。

基于江阴大桥20年管养经验，编制出版了国内首部钢箱梁养护蓝皮书——《江阴长江公路大桥钢箱梁养护报告（1999-2017）》（见图12），以及全桥养护蓝皮书——《江阴长江公路大桥养护运营报告（1999-2019）》，全面梳理总结了当前钢箱梁养护的优势与不足。基于研究成果，编制了江苏省地方标准《公路桥梁钢箱梁疲劳裂纹检测、评定与维护技术规范》和《公路桥梁钢箱梁预防养护技术规范》。

图12 《江阴长江公路大桥钢箱梁养护报告

（1999-2017）》

我国大跨钢桥的整体规模位居世界前列。随着桥梁运营时间的增长，钢箱梁疲劳病害逐渐凸显，养护问题已成为我国桥梁工程界面临的一大挑战。受桥梁结构体系、运营环境、复杂构造等的影响，钢箱梁疲劳裂纹类型众多，裂纹特征、受力各不相同，需开展针对性的养护。我国钢箱梁养护历程较短、养护经验不足，尽管近年来围绕钢箱梁养护工作初步取得了部分研究成果，但仍难以满足实际养护需求。在现有养护技术积累的基础上，进一步完善现有技术参数及工艺，实现新技术的研发及应用，建立养护工作的长期观测评估机制，加快推进养护技术的工程标准化工作，有助于我国钢箱梁整体管养水平的提升。