鋼橋面板的構(gòu)成使它有以下的特點：一是鋼橋面板由各種板類組成，都是很薄的鋼板。所以，與混凝土橋面板相比，其重量輕，能夠減輕恒載以及下部結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，減少下部結(jié)構(gòu)的尺寸。二是這種鋼結(jié)構(gòu)由構(gòu)件組成，可以在工廠加工和組裝，在一定程度上能夠保證質(zhì)量。同時，還可減少工期。但是，從另一方面來說，它的重量輕，剛度比較小，容易變形，造成鋪裝損傷。

此外，鋼橋面板直接承受汽車的車輪荷載，很容易產(chǎn)生疲勞損傷。簡單來說，頂板受到汽車荷載作用后產(chǎn)生變形，閉合截面的U肋對頂板的變形有約束作用，使得頂板和U肋之間的角度發(fā)生變化。在汽車荷載反復(fù)的作用下，該位置不斷張開和閉合，直至產(chǎn)生疲勞，出現(xiàn)損傷。通常由于U肋只是單側(cè)焊接，在焊縫根部肯定有一個縫隙，在前方根部的地方，產(chǎn)生應(yīng)力集中，疲勞損傷就從此處開始。裂縫的擴展有兩種，一個是把頂板貫穿，另一個就是在U肋焊縫擴展。在U肋上產(chǎn)生裂縫，一開始裂縫不是很大，但隨著時間的增長，裂縫也會不斷擴展。

以下主要介紹日本橋梁的疲勞案例。根據(jù)2012年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在日本的橋梁中，橋長超過15米的橋梁為16萬座（如圖1）。大約在50年代中期，日本開始建設(shè)鋼橋，該時期也是日本經(jīng)濟高度成長期。數(shù)據(jù)顯示，日本鋼橋總數(shù)大約有5萬座，占橋梁總數(shù)的30%左右。到現(xiàn)在為止，這些橋梁已服役了40年以上（日本橋梁的設(shè)計使用壽命是50年)。從80年代后期開始，一些鋼橋陸續(xù)出現(xiàn)了疲勞裂縫，并不斷增加，直到2000年，該問題引起了各方的重視。

圖1 日本公路橋梁的經(jīng)年分布（橋長15米以上，總數(shù)為157,230座）

關(guān)于鋼橋疲勞設(shè)計，日本進行了很多工作。1990年，日本土木學(xué)會出版了一本關(guān)于鋼橋面板疲勞的資料，該資料介紹了一些疲勞的現(xiàn)象。1997年，日本道路協(xié)會（負(fù)責(zé)出版設(shè)計規(guī)范的部門）正式出版了《鋼橋的疲勞》一書，該書介紹了日本出現(xiàn)的疲勞損傷的現(xiàn)象，以及一些疲勞損傷修復(fù)的方法。但是，日本此時并沒有對疲勞設(shè)計提出強制性的要求。2002年，日本道路協(xié)會正式出版了《鋼橋的疲勞設(shè)計指針》，同時也把該內(nèi)容加入了橋梁設(shè)計規(guī)范當(dāng)中，作為橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的一部分。2009年，根據(jù)疲勞現(xiàn)象和實驗研究，日本國土交通?。ㄏ喈?dāng)于我國的交通運輸部）發(fā)布通令，要求在使用這種U肋的鋼橋面板中，對于行車道，也就是重車道，要把板厚提高到16毫米。在此之前，日本的鋼橋面板板厚只有12毫米，后來雖然加厚到14毫米，但是從疲勞損傷的情況來看，14毫米仍然不足。為此，該通令要求使用16毫米以上的鋼板，當(dāng)然并不是所有車道都執(zhí)行該要求，而是根據(jù)交通荷載來考慮。

2012年，鋼橋疲勞設(shè)計指針中給出了疲勞曲線，對各種接頭形式進行分類。根據(jù)分類形式和疲勞曲線確定接頭所允許的疲勞應(yīng)力。在疲勞設(shè)計指針中，也對一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)提出了要求，比如說對U肋的焊接，焊縫的熔透厚度要在75%以上，取消了以前經(jīng)常用于頂板位置的橫肋和U肋的過焊孔構(gòu)造。

日本在50年代后期，修建了大量鋼橋，在世界鋼橋中占有很大比重。建設(shè)初期，由于對鋼橋疲勞的考慮不夠周全，以至于疲勞損傷的現(xiàn)象比較多。從檢測的結(jié)果來看，鋼橋面板容易發(fā)生疲勞裂縫的部位主要有以下幾個：1. 縱肋與頂板的焊縫；2.縱肋的對接焊縫；3.豎向加勁肋與頂板的焊縫；4. 縱肋與橫肋（或橫隔板）的焊縫。這些都是疲勞薄弱的部位，檢測中應(yīng)特別注意。

圖2是日本兩個具有代表性都市的橋梁疲勞裂縫統(tǒng)計數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)將疲勞類型一共分為9類，其中，疲勞裂縫數(shù)量最多的是縱肋和橫肋。另一個是頂板和豎向加勁肋的焊縫，這也跟以前的設(shè)計有關(guān)，此后在設(shè)計中進行了改進。此外還有頂板和縱肋的焊縫。以上這三類焊縫損傷占總數(shù)量的90%以上。U肋的對接焊縫所占比例較小，這是因為日本U肋接頭中使用焊接的很少。

圖2 鋼橋面板疲勞裂縫的統(tǒng)計

此外，鋼橋面板的疲勞，不僅和它的構(gòu)造有關(guān)，還和超重、汽車荷載有很大關(guān)系。例如，在東京的一條27公里環(huán)城高速公路上，有12座鋼橋。在一次檢測中發(fā)現(xiàn)，這些鋼橋有2800多處裂縫。并且，這些裂縫都分布在行車道，也就是重車輪跡帶，問題非常突出。

通過檢測發(fā)現(xiàn)，頂板和U肋焊縫位置的損傷占比較大，達到60%到70%以上；橫隔板U肋的位置反而比頂板少一些，占15%到20%。而頂板豎向肋的損傷比例，個別橋梁達到20%。此外，還有些橋梁裂縫多的原因是設(shè)計不夠合理。

在修復(fù)的過程中，根據(jù)損傷情況的不同，其修復(fù)方法也不相同。例如。位于頂板的裂縫，其深度達到8毫米，此時需要通過焊接鋼板，以及在頂板上面加一層鋼板來進行修復(fù)；如果深度小于8毫米，可不修復(fù)頂板，直接采用鋼纖維混凝土鋪裝來進行修復(fù)；如果裂縫長度大于40厘米時，則需要使用裂縫終止孔，在裂縫前端開一個小孔，使得裂縫不再擴張；如果修復(fù)時在U肋上打孔，會造成截面的缺損，因此還要適當(dāng)?shù)丶愉摪暹M行補強。

圖3 現(xiàn)場采取的緊急修復(fù)措施

由于產(chǎn)生裂縫的主要原因是剛度太小，即使進行了修復(fù)，也不能防止裂縫完全終止、不再發(fā)生，不能從根本上解決疲勞的問題。對此，日本采用了一種現(xiàn)在較為普遍的鋼纖維混凝土鋪裝的加固方法，也稱SFRC鋪裝。此方法從2000年開始研究，是使用鋼纖維混凝土進行鋪裝，目的就是加大鋼橋面本身的剛度，減少變形。如果鋪裝厚度是75毫米，相當(dāng)于鋼板被加厚8毫米，這對剛度的提高有很大的改善。

圖4、圖5是由日本土木研究所、一家鋼結(jié)構(gòu)加工公司以及三家鋪裝單位，對鋼纖維混凝土鋪裝加固后的鋼橋面板進行的檢測結(jié)果。該橋梁跨徑為40m+56m+40m，2車道寬7.2m，鋼橋面板厚度為12mm，加固前是瀝青鋪裝，鋪裝層厚度為75mm，SFRC的加固鋪裝也是75mm，具體構(gòu)成為剪力釘+格柵+SFRC(75mm)。從應(yīng)變的變化情況來看，采用了鋼纖維混凝土鋪裝以后，應(yīng)變非常小。以頂板為例，從鋪裝前到鋪裝后，該頂板無論是有橫隔板的位置，還是沒有橫隔板的位置，應(yīng)變都減少了90%。此外，在U肋和頂板焊接處，沒有橫隔板的位置，應(yīng)變減少了70%到80%；在有橫隔板的位置，應(yīng)變降低的效果差一些，只減少了60%到70%。以上結(jié)果充分表明，鋼纖維混凝土鋪裝加固會對應(yīng)變起到很大的緩和作用，對改善鋼橋面疲勞有很大的作用。

圖4 鋪裝加固前后頂板應(yīng)變的變化

圖5 鋪裝加固前后U肋應(yīng)變的變化

在日本，鋼纖維混凝土鋪裝大致分為兩種。一種是只有一層鋪裝，完全是鋼纖維混凝土，通常是75毫米，還需要在鋼橋面板上布置一些剪力釘，防止混凝土收縮徐變對鋼橋面板的影響。另一個就是碳纖維的格柵，通常布置在鋼橋面板容易產(chǎn)生拉力的位置，防止混凝土開裂。后來，這種鋪裝成為一種標(biāo)準(zhǔn)的形式。然而在實際使用之后，也發(fā)現(xiàn)了一些問題。由于混凝土本身不可避免地會出現(xiàn)一些微小的裂縫，雨水經(jīng)這些裂縫滲入以后，會使鋼纖維生銹，造成顏色上的變化，影響景觀。如今，日本通常使用兩層鋪裝。一層是鋼纖維混凝土鋪裝，表層是瀝青混凝土?？紤]到SFRC混凝土容易產(chǎn)生裂縫，在表層瀝青和SFRC混凝土之間還設(shè)置了粘結(jié)防水層，與混凝土橋面板瀝青鋪裝基本相似。

鋼橋面板采用鋼纖維混凝土鋪裝時，也要注意幾個問題。研究發(fā)現(xiàn)，粗骨料的尺寸和鋼纖維長度之間的關(guān)系，對抗彎強度有影響，因此要求粗骨料尺寸不超過鋼纖維長度的2/3，而且不超過鋪裝厚度的1/2.5。考慮到施工的和易性，盡量避免使用碎砂。因為碎砂吸水性比較強，會導(dǎo)致含水量比較大?？紤]到橋梁負(fù)彎矩區(qū)的耐久性，還需要適當(dāng)布置一些碳纖維格柵。此外，還要注意鋼橋面板與鋪裝的粘結(jié)和防水，剪力釘?shù)牟贾煤褪┕?，混凝土配合比（膨脹劑用量等）及養(yǎng)生。通常在日本使用的是規(guī)格為直徑0.6毫米，長度30毫米的鋼纖維。

鋼橋面板的鋪裝施工過程與混凝土橋面較為相似。日本通常用在舊橋的加固上。首先要把原有的鋪裝層清除掉，之后根據(jù)疲勞損傷的情況進行修復(fù)。清除原有鋪裝層以后，需對鋼板進行打砂除銹，這對之后的鋪裝有很大的影響。在日本，要求一級除銹，相當(dāng)于高于SA2.5以上。此后是混凝土和鋼板之間的粘結(jié)層（如需要用格柵的話，還要鋪設(shè)格柵），然后攤鋪鋼纖維混凝土，之后施工防水粘結(jié)層，最后攤鋪瀝青混凝土表層。前文介紹的混凝土和瀝青之間的防水粘結(jié)層，也是日本混凝土橋面板通常使用的一種形式。從理論上來看，這一施工過程并沒有太大的難度，但是施工中采用的材料以及時間掌握，都非常的重要，需要施工單位有更多的研究和實驗。