引 言
《疲劳纵论-1：正交异性钢桥面板的疲劳特性》总结了正交异性钢桥面板的疲劳特性，指出正交异性钢桥面板的疲劳问题属于典型的结构体系疲劳问题，其疲劳性能由疲劳抗力最差的疲劳易损部位及其疲劳破坏模式决定；正交异性钢桥面板疲劳开裂案例的统计分析表明：疲劳裂纹均发生在焊缝和几何构型不连续等局部应力集中部位，纵肋与横肋交叉部位和纵肋与顶板焊缝部位的疲劳开裂占全部疲劳开裂的比例高达91.2%，是正交异性钢桥面板最为重要的疲劳易损部位；正交异性钢桥面板的疲劳性能评估应在确定控制疲劳易损部位及其主导疲劳破坏模式的条件下，选用适用的疲劳性能评估方法进行。
本文在第一部分内容的基础上，探讨正交异性钢桥面板的疲劳问题研究的发展方向。概括而言，正交异性钢桥面板疲劳研究的发展方向主要面向以下层面：（1）理论研究：主要研究内容为正交异性钢桥面板的疲劳损伤机理；（2）高性能正交异性钢桥面板：主要通过构造细节的优化和改进，提高构造细节的疲劳抗力，通过多个构造细节的系统优化，可望显著提高正交异性钢桥面板的综合疲劳性能。相对于传统正交异性钢桥面板而言，采用多个新型构造细节，经结构体系参数合理匹配和抗疲劳优化设计所确定的正交异性钢桥面板具有更为优良的疲劳性能，可称为高性能正交异性钢桥面板。高性能正交异性钢桥面板是钢桥面板的重要发展方向，新型构造细节的研发是其基础和关键；（3）新型正交异性组合桥面板结构：在正交异性钢桥面板面板上引入混凝土或高性能水泥基结构层，通过剪力键将结构层与正交异性钢桥面板形成组合桥面板体系，增大桥面板的局部刚度进而降低各疲劳易损部位的应力幅，从而为正交异性钢桥面板疲劳开裂和桥面铺装易损提供综合解决方案；（4）疲劳裂纹维修和加固：对于发生疲劳开裂的正交异性钢桥面板，研发适用的加固技术，确定加固后结构的疲劳特性和实际疲劳性能。上述每个层面均涵盖较多内容，此处主要讨论高性能正交异性钢桥面板，其他层面的内容，后续专文论述。
正交异性钢桥面板发展面临的主要矛盾在于：（1）良好的受力性能与高疲劳病害风险之间的矛盾；（2）具有竞争力的建设期经济性和欠佳的全寿命周期性能及成本之间的矛盾。上述主要矛盾的根源在于正交异性钢桥面板的服役条件、独特的结构体系、加工制造技术及由此导致的受力特性。当前常用的闭口纵肋形式和主要板件的设计参数以及典型的构造细节均是对结构受力和疲劳特性长期探索的结果。上篇谈到顶板与纵肋连接构造细节及横肋与纵肋连接构造细节为正交异性钢桥面板疲劳病害最为突出的两个部位，此处针对这两个构造细节，以新型顶板与纵肋连接构造细节为重点，讨论新型构造细节的主要构思。
新型顶板与纵肋连接构造细节
对于顶板与纵肋焊缝构造细节疲劳性能进行的理论和试验研究表明：刚度突变和难以避免的焊接初始缺陷是该细节疲劳问题突出的根本原因；局部轮载作用下纵肋与面板之间较大的面外变形导致该构造细节出现较高的局部弯曲应力，焊接初始缺陷进一步放大应力集中效应，并最终导致该构造细节出现疲劳开裂。因此，提高其疲劳性能的主要途径在于改善焊缝几何构型、增大焊缝局部刚度和控制焊接初始缺陷。引入混凝土或高性能水泥基复合材料结构层发展的正交异性组合桥面板，有助于大幅度提高正交异性钢桥面板结构体系的疲劳性能，对于正交异性组合桥面板后文专门论述，此处主要探讨新型构造细节本身。当前所提出的新型顶板与纵肋构造细节主要包括三类：（1）镦边U肋构造；（2）大焊脚焊缝构造；（3）U肋与顶板双面焊构造，各构造细节示意图如图1所示。
图1 新型顶板与纵肋构造细节
各类顶板与纵肋新型构造细节均通过提高U肋与顶板构造细节的局部横向抗弯刚度，增加可焊面积，改善局部几何构型不连续性并降低疲劳易损部位的局部应力集中程度。当前技术条件下，三类新型构造细节制造加工均可行，需要进一步研究的主要问题在于三类构造的焊接热影响区域及其残余应力分布特性、焊接质量检测技术以及构造细节的疲劳破坏模式和实际疲劳强度。笔者对于新型镦边U肋与顶板连接构造细节进行了足尺试件和足尺节段模型的试验和理论研究，研究结果表明：（1）疲劳性能试验中发现的控制疲劳破坏模式是萌生于焊根并沿顶板开裂的疲劳破坏模式，这一疲劳破坏模式下，新型镦边U肋与顶板连接构造细节的疲劳抗力和传统U肋与顶板连接构造细节的疲劳抗力基本相同，这一破坏模式的试验结果如图2所示；（2）模型试验荷载条件下，距焊趾和焊根5mm的名义应力幅基本相当，而焊根处切口应力约为焊趾处切口应力的1.52倍，如图3所示，显然名义应力法无法判别该构造细节的主导疲劳破坏模式和控制疲劳易损部位；（3）其中一个试件的疲劳抗力远低于其他试件的疲劳抗力，试验完成后对试件进行了切片和分析，发现焊根处存在较小夹渣缺陷，如图4所示，表明焊接缺陷对该构造细节的疲劳抗力影响极为显著。
图2 新型镦边U肋与顶板连接构造细节的模型试验和疲劳破坏模式
图3 新型顶板与纵肋构造细节的局部应力分析结果
图4 焊根处夹渣严重降低构造细节的疲劳抗力
在此基础上，笔者团队基于切口应力法对于U肋与顶板双面焊构造细节进行了理论研究，分析结果如图5所示。研究表明：相对于传统U肋与顶板接构造细节而言，U肋与顶板双面焊构造细节的疲劳开裂控制部位由焊根转移到焊趾，且焊根切口应力最大应力幅由86.4MPa减小到76.2MPa，降低13.4%。因此，U肋与顶板双面焊新型构造细节能够显著提高顶板与纵肋连接构造细节的疲劳性能，是一类具有发展前景的新型构造细节。
图5 U肋与顶板双面焊构造细节的切口应力分析结果
新型横肋与纵肋连接构造细节
横肋与纵肋连接构造细节的受力特性和典型疲劳破坏模式如图6所示，该构造细节的疲劳特性具有以下重要特点：（1）受力复杂。纵向走行的局部轮载作用下，纵肋反复挠曲变形迫使横肋产生反复的面外变形；同时，横肋产生垂直于桥轴方向的竖向挠曲变形，即构造细节各板件既在横肋面外发生不一致变形，也在横肋面内发生不一致的变形，两类不一致变形直接在板件间连接部位导致较大的弯曲次应力和剪应力，这些部位本身即为几何构型不连续部位，应力分布较为复杂且应力集中问题突出；（2）制造和焊接缺陷风险较高。由于空间有限，焊接实施时纵肋和横肋连接焊缝下端焊趾处难以从横肋一侧围焊至另一侧，通常在横肋两侧分别施焊，在最下端相交，导致焊缝下端引入焊接缺陷风险较高；同时，横肋弧形开口处切割时也存在制造缺陷、装配误差等风险，如图7所示。应力集中以及制造和焊接缺陷导致该部位的疲劳开裂既可能出现在横肋弧形开口母材部位，也可能出现在横肋与纵肋连接焊缝部位，表现出典型的多部位、多模式特性，整个构造细节的疲劳性能由疲劳性能最差的疲劳易损部位和疲劳破坏模式决定。因此，系统提升该构造细节的疲劳性能，需从改善局部应力集中程度、降低加工制造缺陷风险等多个方面入手，这也是研发新型横肋与纵肋连接构造细节的根本出发点。
图6 横肋与纵肋连接构造细节的受力特性和典型疲劳破坏模式
图7 横肋与纵肋连接构造细节制作误差和焊接缺陷
当前发展的横肋与纵肋连接新型构造细节主要包括：（1）横肋与纵肋底板焊接；（2）纵肋内置加劲板；（3）横肋与纵肋焊缝下端焊后研磨处理，各构造细节示意图如图8所示。横肋与纵肋底板焊接构造细节主要通过纵肋底板与横肋焊接形成局部固结，以减小纵肋的扭转变形，从而降低纵肋与横肋焊接细节的疲劳应力幅。这一构造细节中纵肋底板与横肋连接焊缝处于受压状态，有助于提高构造细节的疲劳性能。该构造细节在日本朝明川桥（2016年竣工）中得到了成功应用，如图9（a）所示。图8（b）通过优化横肋开孔型式，降低对纵肋竖向弯曲变形的约束，减小横肋面外变形，从而降低弯曲次应力；同时，在纵肋内设置加劲板，通过加劲板减小纵肋扭转变形在焊接端部处的局部弯曲应力，改善纵肋与横肋连接处的局部应力状态，提高构造细节的疲劳性能。这一构造细节在日本东京湾临海大桥（2012年竣工）中得到了成功应用，如图9（b）所示；图8（c）通过设置合理的开孔型式且焊后对于横肋与纵肋焊缝下端焊趾进行研磨匀顺，消除焊接缺陷并大幅度减小局部应力集中程度，从而显著提高纵肋与横肋连接部位的疲劳性能。为防止焊趾端部研磨后出现空隙，焊缝端部一定长度采用开坡口全熔透焊接方式。2016年美国纽约韦拉扎诺海峡桥维修时，全面采用这一新型构造细节以提高正交异性钢桥面板的疲劳性能，如图9（c）所示。以上三座桥纵肋开口宽度均大于传统正交异性钢桥面板通常采用的300mm，同时，当前日本新建桥梁纵肋宽度通常取为400mm~450mm，为典型的大纵肋正交异性钢桥面板。研究表明：相对于传统正交异性钢桥面板，大纵肋正交异性钢桥面板焊缝总长度减少幅度高达30%~40%，能够大幅减少焊接工作量并相应减小焊接缺陷出现的概率，显著提高结构的疲劳性能，在疲劳性能和经济性等方面均具有突出优势，具有广阔的发展和应用前景。
（a）横肋与纵肋底板焊接
（b）纵肋内置加劲板
（c）横肋与纵肋焊缝下端焊后研磨
图8 纵肋与横肋新型构造细节示意图
（a）日本朝明川大桥
b）日本东京湾临海大桥
（c）美国纽约韦拉扎诺海峡桥
图9 新型横肋与纵肋连接构造细节的典型工程应用
结 语
以武汉青山长江大桥、深中通道桥梁等为代表的我国大跨度桥梁，具有日交通量大、重载交通比例高等突出特点，其正交异性钢桥面板疲劳问题突出，疲劳性能需求较高，对于传统正交异性钢桥面板提出了更高的要求和新的挑战。新型构造细节通常仅能改善构造细节本身的疲劳性能，在传统正交异性钢桥面板的基础上，针对多个重要疲劳易损部位的疲劳特性研发并综合应用多种新型构造细节，在此基础上通过结构体系抗疲劳优化设计系统提升正交异性钢桥面板的疲劳性能，才能发展适应现代交通需求的高性能正交异性钢桥面板，为桥梁工程的可持续发展奠定坚实基础。综合应用多种新型构造细节、具有优越疲劳性能的高性能正交异性钢桥面板是桥梁工程下一阶段的重要研究方向。
作者简介：张清华，博士，西南交通大学教授，博士生导师，桥梁工程系副系主任，系党支部书记，长期致力于高性能钢与组合结构桥梁研究。四川省学术及技术带头人后备人选，西南交通大学“竢实之星”。
引 言
《疲劳纵论-1：正交异性钢桥面板的疲劳特性》总结了正交异性钢桥面板的疲劳特性，指出正交异性钢桥面板的疲劳问题属于典型的结构体系疲劳问题，其疲劳性能由疲劳抗力最差的疲劳易损部位及其疲劳破坏模式决定；正交异性钢桥面板疲劳开裂案例的统计分析表明：疲劳裂纹均发生在焊缝和几何构型不连续等局部应力集中部位，纵肋与横肋交叉部位和纵肋与顶板焊缝部位的疲劳开裂占全部疲劳开裂的比例高达91.2%，是正交异性钢桥面板最为重要的疲劳易损部位；正交异性钢桥面板的疲劳性能评估应在确定控制疲劳易损部位及其主导疲劳破坏模式的条件下，选用适用的疲劳性能评估方法进行。
本文在第一部分内容的基础上，探讨正交异性钢桥面板的疲劳问题研究的发展方向。概括而言，正交异性钢桥面板疲劳研究的发展方向主要面向以下层面：（1）理论研究：主要研究内容为正交异性钢桥面板的疲劳损伤机理；（2）高性能正交异性钢桥面板：主要通过构造细节的优化和改进，提高构造细节的疲劳抗力，通过多个构造细节的系统优化，可望显著提高正交异性钢桥面板的综合疲劳性能。相对于传统正交异性钢桥面板而言，采用多个新型构造细节，经结构体系参数合理匹配和抗疲劳优化设计所确定的正交异性钢桥面板具有更为优良的疲劳性能，可称为高性能正交异性钢桥面板。高性能正交异性钢桥面板是钢桥面板的重要发展方向，新型构造细节的研发是其基础和关键；（3）新型正交异性组合桥面板结构：在正交异性钢桥面板面板上引入混凝土或高性能水泥基结构层，通过剪力键将结构层与正交异性钢桥面板形成组合桥面板体系，增大桥面板的局部刚度进而降低各疲劳易损部位的应力幅，从而为正交异性钢桥面板疲劳开裂和桥面铺装易损提供综合解决方案；（4）疲劳裂纹维修和加固：对于发生疲劳开裂的正交异性钢桥面板，研发适用的加固技术，确定加固后结构的疲劳特性和实际疲劳性能。上述每个层面均涵盖较多内容，此处主要讨论高性能正交异性钢桥面板，其他层面的内容，后续专文论述。
正交异性钢桥面板发展面临的主要矛盾在于：（1）良好的受力性能与高疲劳病害风险之间的矛盾；（2）具有竞争力的建设期经济性和欠佳的全寿命周期性能及成本之间的矛盾。上述主要矛盾的根源在于正交异性钢桥面板的服役条件、独特的结构体系、加工制造技术及由此导致的受力特性。当前常用的闭口纵肋形式和主要板件的设计参数以及典型的构造细节均是对结构受力和疲劳特性长期探索的结果。上篇谈到顶板与纵肋连接构造细节及横肋与纵肋连接构造细节为正交异性钢桥面板疲劳病害最为突出的两个部位，此处针对这两个构造细节，以新型顶板与纵肋连接构造细节为重点，讨论新型构造细节的主要构思。
新型顶板与纵肋连接构造细节
对于顶板与纵肋焊缝构造细节疲劳性能进行的理论和试验研究表明：刚度突变和难以避免的焊接初始缺陷是该细节疲劳问题突出的根本原因；局部轮载作用下纵肋与面板之间较大的面外变形导致该构造细节出现较高的局部弯曲应力，焊接初始缺陷进一步放大应力集中效应，并最终导致该构造细节出现疲劳开裂。因此，提高其疲劳性能的主要途径在于改善焊缝几何构型、增大焊缝局部刚度和控制焊接初始缺陷。引入混凝土或高性能水泥基复合材料结构层发展的正交异性组合桥面板，有助于大幅度提高正交异性钢桥面板结构体系的疲劳性能，对于正交异性组合桥面板后文专门论述，此处主要探讨新型构造细节本身。当前所提出的新型顶板与纵肋构造细节主要包括三类：（1）镦边U肋构造；（2）大焊脚焊缝构造；（3）U肋与顶板双面焊构造，各构造细节示意图如图1所示。
图1 新型顶板与纵肋构造细节
各类顶板与纵肋新型构造细节均通过提高U肋与顶板构造细节的局部横向抗弯刚度，增加可焊面积，改善局部几何构型不连续性并降低疲劳易损部位的局部应力集中程度。当前技术条件下，三类新型构造细节制造加工均可行，需要进一步研究的主要问题在于三类构造的焊接热影响区域及其残余应力分布特性、焊接质量检测技术以及构造细节的疲劳破坏模式和实际疲劳强度。笔者对于新型镦边U肋与顶板连接构造细节进行了足尺试件和足尺节段模型的试验和理论研究，研究结果表明：（1）疲劳性能试验中发现的控制疲劳破坏模式是萌生于焊根并沿顶板开裂的疲劳破坏模式，这一疲劳破坏模式下，新型镦边U肋与顶板连接构造细节的疲劳抗力和传统U肋与顶板连接构造细节的疲劳抗力基本相同，这一破坏模式的试验结果如图2所示；（2）模型试验荷载条件下，距焊趾和焊根5mm的名义应力幅基本相当，而焊根处切口应力约为焊趾处切口应力的1.52倍，如图3所示，显然名义应力法无法判别该构造细节的主导疲劳破坏模式和控制疲劳易损部位；（3）其中一个试件的疲劳抗力远低于其他试件的疲劳抗力，试验完成后对试件进行了切片和分析，发现焊根处存在较小夹渣缺陷，如图4所示，表明焊接缺陷对该构造细节的疲劳抗力影响极为显著。
图2 新型镦边U肋与顶板连接构造细节的模型试验和疲劳破坏模式
图3 新型顶板与纵肋构造细节的局部应力分析结果
图4 焊根处夹渣严重降低构造细节的疲劳抗力
在此基础上，笔者团队基于切口应力法对于U肋与顶板双面焊构造细节进行了理论研究，分析结果如图5所示。研究表明：相对于传统U肋与顶板接构造细节而言，U肋与顶板双面焊构造细节的疲劳开裂控制部位由焊根转移到焊趾，且焊根切口应力最大应力幅由86.4MPa减小到76.2MPa，降低13.4%。因此，U肋与顶板双面焊新型构造细节能够显著提高顶板与纵肋连接构造细节的疲劳性能，是一类具有发展前景的新型构造细节。
图5 U肋与顶板双面焊构造细节的切口应力分析结果
新型横肋与纵肋连接构造细节
横肋与纵肋连接构造细节的受力特性和典型疲劳破坏模式如图6所示，该构造细节的疲劳特性具有以下重要特点：（1）受力复杂。纵向走行的局部轮载作用下，纵肋反复挠曲变形迫使横肋产生反复的面外变形；同时，横肋产生垂直于桥轴方向的竖向挠曲变形，即构造细节各板件既在横肋面外发生不一致变形，也在横肋面内发生不一致的变形，两类不一致变形直接在板件间连接部位导致较大的弯曲次应力和剪应力，这些部位本身即为几何构型不连续部位，应力分布较为复杂且应力集中问题突出；（2）制造和焊接缺陷风险较高。由于空间有限，焊接实施时纵肋和横肋连接焊缝下端焊趾处难以从横肋一侧围焊至另一侧，通常在横肋两侧分别施焊，在最下端相交，导致焊缝下端引入焊接缺陷风险较高；同时，横肋弧形开口处切割时也存在制造缺陷、装配误差等风险，如图7所示。应力集中以及制造和焊接缺陷导致该部位的疲劳开裂既可能出现在横肋弧形开口母材部位，也可能出现在横肋与纵肋连接焊缝部位，表现出典型的多部位、多模式特性，整个构造细节的疲劳性能由疲劳性能最差的疲劳易损部位和疲劳破坏模式决定。因此，系统提升该构造细节的疲劳性能，需从改善局部应力集中程度、降低加工制造缺陷风险等多个方面入手，这也是研发新型横肋与纵肋连接构造细节的根本出发点。
图6 横肋与纵肋连接构造细节的受力特性和典型疲劳破坏模式
图7 横肋与纵肋连接构造细节制作误差和焊接缺陷
当前发展的横肋与纵肋连接新型构造细节主要包括：（1）横肋与纵肋底板焊接；（2）纵肋内置加劲板；（3）横肋与纵肋焊缝下端焊后研磨处理，各构造细节示意图如图8所示。横肋与纵肋底板焊接构造细节主要通过纵肋底板与横肋焊接形成局部固结，以减小纵肋的扭转变形，从而降低纵肋与横肋焊接细节的疲劳应力幅。这一构造细节中纵肋底板与横肋连接焊缝处于受压状态，有助于提高构造细节的疲劳性能。该构造细节在日本朝明川桥（2016年竣工）中得到了成功应用，如图9（a）所示。图8（b）通过优化横肋开孔型式，降低对纵肋竖向弯曲变形的约束，减小横肋面外变形，从而降低弯曲次应力；同时，在纵肋内设置加劲板，通过加劲板减小纵肋扭转变形在焊接端部处的局部弯曲应力，改善纵肋与横肋连接处的局部应力状态，提高构造细节的疲劳性能。这一构造细节在日本东京湾临海大桥（2012年竣工）中得到了成功应用，如图9（b）所示；图8（c）通过设置合理的开孔型式且焊后对于横肋与纵肋焊缝下端焊趾进行研磨匀顺，消除焊接缺陷并大幅度减小局部应力集中程度，从而显著提高纵肋与横肋连接部位的疲劳性能。为防止焊趾端部研磨后出现空隙，焊缝端部一定长度采用开坡口全熔透焊接方式。2016年美国纽约韦拉扎诺海峡桥维修时，全面采用这一新型构造细节以提高正交异性钢桥面板的疲劳性能，如图9（c）所示。以上三座桥纵肋开口宽度均大于传统正交异性钢桥面板通常采用的300mm，同时，当前日本新建桥梁纵肋宽度通常取为400mm~450mm，为典型的大纵肋正交异性钢桥面板。研究表明：相对于传统正交异性钢桥面板，大纵肋正交异性钢桥面板焊缝总长度减少幅度高达30%~40%，能够大幅减少焊接工作量并相应减小焊接缺陷出现的概率，显著提高结构的疲劳性能，在疲劳性能和经济性等方面均具有突出优势，具有广阔的发展和应用前景。
（a）横肋与纵肋底板焊接
（b）纵肋内置加劲板
（c）横肋与纵肋焊缝下端焊后研磨
图8 纵肋与横肋新型构造细节示意图
（a）日本朝明川大桥
b）日本东京湾临海大桥
（c）美国纽约韦拉扎诺海峡桥
图9 新型横肋与纵肋连接构造细节的典型工程应用
结 语
以武汉青山长江大桥、深中通道桥梁等为代表的我国大跨度桥梁，具有日交通量大、重载交通比例高等突出特点，其正交异性钢桥面板疲劳问题突出，疲劳性能需求较高，对于传统正交异性钢桥面板提出了更高的要求和新的挑战。新型构造细节通常仅能改善构造细节本身的疲劳性能，在传统正交异性钢桥面板的基础上，针对多个重要疲劳易损部位的疲劳特性研发并综合应用多种新型构造细节，在此基础上通过结构体系抗疲劳优化设计系统提升正交异性钢桥面板的疲劳性能，才能发展适应现代交通需求的高性能正交异性钢桥面板，为桥梁工程的可持续发展奠定坚实基础。综合应用多种新型构造细节、具有优越疲劳性能的高性能正交异性钢桥面板是桥梁工程下一阶段的重要研究方向。
作者简介：张清华，博士，西南交通大学教授，博士生导师，桥梁工程系副系主任，系党支部书记，长期致力于高性能钢与组合结构桥梁研究。四川省学术及技术带头人后备人选，西南交通大学“竢实之星”。