正交异性钢桥面的耐久性挑战
正交异性钢桥面的耐久性挑战文/J.W. Fisher，S. Roy翻译/郭佳如果经过恰当的设计和制作，正交异性钢桥面可能是唯一兼具耐久性和全生命周期费用效益的桥面系统。然而，焊缝连接不太理想的抗疲劳性能、桥面耐磨铺装的频繁失效，以及精细制作带来的相对高的初始成本费用，都成为推广正交异性钢桥面的重要挑战。在过去的20年里，里海大学ATLSS工程研究中心开展了实验室足尺试验和现场试验，帮助开发抗疲劳性能优越的耐久性正交异性钢桥面。这些钢桥面由16mm厚的桥面板、纵向封闭肋拱腹下横梁肋板处的附加切口构成。
降低疲劳开裂的可能性
桥面系统的时变劣化是美国高速公路基础设施面临的主要挑战。桥面系统直接承受车辆的反复加载，车辆荷载还带有磨损性。此外，桥面还要受到天气、除冰盐腐蚀等等影响。混凝土桥面系统难以抵御腐蚀，需要频繁地维护甚至更换，这就会影响交通、增加维护费用，严重影响桥梁的全寿命周期费用。相反，服役表现以及实验室测试均表明，恰当地设计并精细制作的正交异性钢桥面是唯一能够提供超过100年服役寿命的桥面系统。由于自重轻，正交异性钢桥面提升了结构效率，降低恒载，因而显著延长了寿命。此外，钢桥面板铺装的薄覆盖层降低了应力，提升了行车舒适性。这些因素都提升了耐久性，有助于实现全生命周期费用效益。然而，由于缺乏规范标准，精细化制作需要更高的初始费用、焊接连接在服役期间的断裂破坏、桥面铺装的频繁失效，都阻碍了正交异性钢桥面的广泛使用。现代正交异性钢桥面通常采用相对薄的U形纵向封闭肋（rib），以及更厚的桥面板，降低局部应力，提升耐久性。U形封闭肋跨越桥面板的连接处， 在U形封闭肋拱腹下面的桥面横梁肋板处留有弧形切口(cut-out)，并在内部设有舱壁端板或者加劲肋。U形封闭肋-横梁肋板连接处，U形封闭肋-舱壁端板连接处受力最为复杂，承受着局部面内和面外弯曲应力的复杂组合，从而无法应用基于名义应力的疲劳设计方法。而基于精细化分析与局部应力的疲劳设计方法也缺乏统一的应用框架，因此正交异性钢桥面的疲劳性能通常采用足尺试验进行评估。在过去的20年里，里海大学ATLSS工程研究中心开展了足尺室内试验和现场试验。鉴于欧洲、澳大利亚、日本等地的正交异性钢桥出现了大量的疲劳开裂，里海大学的试验目的在于降低疲劳开裂的可能性。U形纵向封闭肋-横梁肋板（rib-to-diaphragm）的焊缝连接承受着局部面内和面外弯曲应力的复杂组合，容易发生疲劳裂缝。给Williamsburg桥提供修复服务的Steinman-Boynton-Gronquist-Birdsall咨询公司提出了一种替代方案，提升疲劳抗裂性能：首先在横梁肋板与U形封闭肋的连接处，采用完全熔透坡口焊，并用背角焊缝覆盖在坡口焊上。这种组合焊接（对比试验表明普通的角焊缝抗疲劳性很低）在横梁肋板接头处延伸25mm，焊接衬垫随后被打磨成光滑的弧形过渡到U形封闭肋，弧形半径为13mm。另外一处调整是在横梁肋板处对应设置内部舱壁端板，有效降低了肋板的平面外畸变，并将横梁肋板的力传递到U形肋板壁。第二组实验室和现场原形试验是在Bronx-Whitestone桥的正交异性钢桥面开展的。在概念设计中，Weidlinger事务所（Associates）修改了U形封闭肋-横梁肋板的连接，去掉了端板，取而代之的是两块内部加劲肋。横梁肋板和U形封闭肋之间采用完全融透坡口焊，内部加劲肋降低了通过U形封闭肋传递的力，并且控制了封闭肋壁的畸变。近期，Verrazano Narrows桥的替代钢桥面方案的足尺原型在ATLSS的实验室进行了疲劳测试。与传统的钢桥面不同，由Parsons交通集团设计的方案中，横梁肋板与面板框架系统融合在一起，具备横向荷载分布能力。U形肋-横梁肋板（次横梁肋板连接）连接，采用了与Williamsburg桥类似的焊接。然而，为了容纳高应力集中，设置了38mm的过渡半径。另外一个与Williamsburg桥的区别是新月形切口以及设置了内部端板，用于传递次横梁肋板中的剪力，降低应力集中。此外，在22mm厚的桥面板与U形纵向封闭肋的焊接中，除了端头处的102mm采用完全连接熔透焊以外，其余均采用部分连接熔透焊（PJP）。目前还在进行一种升降桥的正交异性钢桥面的足尺原型试验。这个提案采用弯曲纵向封闭肋，外包横梁肋板， 没有额外的附加切口，与上部形成整体，从而使得纵向弯曲封闭肋形成箱梁，横梁肋板分布横向荷载。桥面板厚19mm，横梁肋板厚12mm，远远大于纵向弯曲封闭肋的高度。由于没有任何接头处理，费用相对低廉，纵向肋-桥面板采用角焊缝连接（如图1）。
原型实验室试验与远程监控
Williamsburg桥、Bronx-Whitestone桥、Verrazano Narrows桥的试验时间，分别是在1995至1998年、2001至2002年，2009至2011年。Williamsburg桥和Bronx-Whitestone桥是悬索桥，上部结构是高度很大的纵向加劲桁架和梁体系，横梁肋板按照6m间距分布，用以支撑路面。Verrazano Narrows桥的正交异性钢桥面是用于替代含有加劲桁架作为面板梁的既有混凝土填充网格桥面板。桥面板是用结构钢板制作，其中包含面板、纵向封闭肋、横梁肋板或者次横梁肋板、中间加劲横条、加劲延长板等等。连续的封闭肋是用横梁肋板或者次横梁肋板在桥面板的接缝处支撑的，并将荷载从桥面传递到上部结构。图2和图3展示了桥梁上部结构在维修加固完工后的截面图，以及试验中的足尺路面截面布置。类似于Verranzano Narrows桥面板，升降桥的面板梁与箱梁形成整体，并通过剪切传递面板上的荷载。图4是桥面板试验布置的3D渲染图。
在对桥面进行设计的过程中发现，横隔板或横梁肋板与纵向封闭肋之间的焊缝连接，对疲劳断裂非常敏感， 类似的疲劳断裂现象在几座在役桥梁上均有发现。试验中16mm的桥面板上没有铺装，以便于安装应变片，同时可以对疲劳裂缝进行直接观察。1998年8月开始，研究人员针对Williamsburg桥实施了长达数月的监控。结果表明：在多轴荷载作用下，临近切口处横隔板以及靠近纵向封闭肋的横向桥面板应变片的应力幅值的变化范围超出了AASHTO LRFD桥梁设计规范（AASHTO2012）对该部位的规定值。有效应力范围Sre为40MPa，而最大应力范围达到140MPa。现场实测结构表明， 对于横隔板-封闭肋连接应该按照3倍有效应力范围的疲劳应力极限进行设计。其余部位符合ASSHTO LRFD疲劳极限应力状态的范围，可按照2倍有效应力范围进行设计，如桥面板-封闭肋连接等。鉴于规范是针对主要桥梁构件如主梁、面板等制定的，而试验监控结果表明：对于细部设计的疲劳极限状态荷载需要进行规范修订。
制作与桥面铺装问题
1.制作上的问题正交异性桥面板需要精细制作，以实现焊缝连接处的耐疲劳性能，这需要较高的初始成本费用。在美国目前的实践中，rib-to-deck焊缝指定为最低80％的PJP。然而在里海大学制作试验原型的时候，最低80％的渗透率从未持续实现过。考虑到PJP焊接目标熔透深度的变化，日本允许75％的目标熔透，最低60％，最高为100％。里海大学试验和其他研究均表明，PJP焊缝的熔透程度变化并没有产生不利于耐疲劳性能的影响。实验研究已经证明，只要焊喉等于或超过封闭肋的壁厚，封闭肋-桥面板PJP焊缝就能达到C 级抗疲劳性能。2.桥面铺装问题水泥混凝土、沥青混凝土/聚合物改性沥青混凝土、环氧混凝土、甲基丙烯酸甲酯混凝土、混合环氧-氨基甲酸乙酯聚合、聚氨酯-骨料和聚酯-砂等，各种材料均被试验或实际应用于正交异性钢桥面上。与混凝土桥面相比，钢板桥面的刚度更小、变形更大，因而导致了更高的疲劳荷载，进而使得桥面铺装处于更不利的受力状态中。从60年代到90年代早期，50至70mm厚的沥青混凝土被用作桥面铺装。结果发现，由于脱落、起皱和出现车辙等问题，沥青混凝土铺装仅能服役3到4年。1989—1991年， Missouri-Columbia大学开展了一个试验项目来寻找性能更好的替代铺装材料，包括变温度疲劳试验、芯拉拔试验（测量铺装材料和钢板的粘结性能），电阻测试（评估损伤导致的铺装材料渗透性变化）。同时开展了正常使用状态下的桥面应变测试。1992年，在Poplar街桥上应用了环氧混凝土材料进行铺装。环氧混凝土铺装后的第1年，局部出现了纵向疲劳裂缝，宽度在1.5到3毫米之间。维修人员用甲基丙烯酸甲酯进行了填充。类似的裂缝在之后的3至4年间陆续出现，但是这些裂缝并没有导致铺装的脱落。直到服役第11年，也就是2003年，才出现铺装脱落；服役第13年（2005年）， 出现了大面积的铺装脱落。此后，维修人员开始对脱落部位进行维修。2006年，整个旧铺装被去除干净，并用相同的T-48环氧混凝土进行重新铺装。由于桥面板只有14毫米厚，2013年疲劳裂纹又再次导致严重的铺装脱落。Bronx Whitestone桥的桥面铺装现场原型采用了TRANSPO T-48和Polycarb Flexogrid两种环氧混凝土材料进行对比。经过现场原型试验后，有着16mm厚桥面板的Bronx Whitestone桥，在2005年进行了Polycarb Flexogrid环氧混凝土铺装。2012年，因为疲劳开裂和铺装脱落，维修人员使用斯特林桥梁大师——劳氏船级社甲基丙烯酸甲酯混凝土进行了重铺。采用薄厚度铺装如环氧混凝土铺装的一个主要优点是，即便铺装脱落或者人为故意留空不铺，也不至于影响使用者的驾乘舒适性。
精细制作可提升耐久性
桥面板厚度大于等于16mm的正交异性钢桥面是唯一可能满足100年服役要求的桥面系统。正交异性钢桥面对疲劳断裂最敏感的部位是封闭肋-横隔板间的连接，面内和面外局部弯曲应力的复杂组合导致该部位容易产生疲劳开裂。现场的测量表明，封闭肋-横隔板间的连接设计应该按照活荷载应力谱的有效应力范围的3倍确定疲劳极限状态应力范围。为封闭肋-桥面板的PJP焊接指定最低80％的熔透率不现实。在生产中，焊缝的熔透率在53%和100％的区间变化，并没有产生不利于耐疲劳性能的影响。实验研究已经证明，只要焊喉等于或超过封闭肋的壁厚，封闭肋-桥面板PJP焊缝就能达到C级抗疲劳性能。正交异性钢桥面采用薄厚度的铺装覆盖层即可满足要求。这是由于铺装脱落导致的路面不平整，不会引起道路使用者的察觉，从而可以在方便的情形下进行维修。最小桥面板厚度是必要的，以减少铺装覆盖层的局部应力，从而限制疲劳开裂、提升耐久性。（作者单位：美国里海大学ATLSS工程研究中心) （译者单位：中国交通运输部公路科学研究所)
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