整體式鋼筋混凝土板橋縱向開(kāi)裂成因及其設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

姬兵亮

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 研究背景

由于施工簡(jiǎn)單及造價(jià)低廉，整體式鋼筋混凝土板橋在10 m及10 m以下跨徑的橋梁中占比最大，然而由于設(shè)計(jì)、施工及后期管養(yǎng)等各方面的原因?qū)е逻@類橋型病害較多，在所有病害中，縱向開(kāi)裂最為典型且造成的后果最為嚴(yán)重，因此本文主要針對(duì)整體式鋼筋混凝土板橋縱向裂縫的成因及對(duì)策展開(kāi)研究。

2 檢測(cè)結(jié)果及分析

共檢測(cè)整體式板橋70座，主要分布在山西省太原市、朔州市、臨汾市、忻州市、運(yùn)城市多個(gè)區(qū)域。多為村道、縣鄉(xiāng)道路橋梁，部分為國(guó)省干道和城市橋梁。

在所有檢測(cè)的橋梁中，跨徑在3～5 m（不含5 m）的共8座，占12.8%；跨徑在5～7 m（不含7 m）的共25座，占比35.7%；跨徑在7～8 m（不含8 m）的共26座，占比37.1%；跨徑在8 m以上的共9座，占比12.8%，最大為跨徑10.8 m?？梢?jiàn)8 m及8 m以下跨徑為整體式現(xiàn)澆板常用跨徑，大于8 m往往采用空心板梁。

橋梁寬度在5 m及以下的占14座，占比20%；寬度在5～6 m（含6 m）的共5座，占比7.1%；寬度在6～8 m的共32座，占比45.7%；寬度在8 m以上的共19座，占比27.1%。所檢測(cè)的最寬橋梁寬度為14.6 m。

通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)整體板梁最為普遍和典型的病害為底板縱向裂縫。在所檢測(cè)的70座整體式板橋中，存在縱向裂縫的占39座，占比達(dá)55.7%。大部分裂縫為超限裂縫，開(kāi)裂位置居于板寬1/3～1/2處。最大裂縫寬度達(dá)4 mm以上，甚至縱向斷板，單板受力。裂縫寬度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于《橋規(guī)》所規(guī)定的縱向裂縫容許寬度（0.2 mm），甚至一些新建不久的橋梁也出現(xiàn)了程度不同的縱向裂縫。

縱向開(kāi)裂將會(huì)對(duì)橋梁造成嚴(yán)重后果：

a）縱向裂縫往往伴隨滲水泛堿，主筋銹蝕，部分鋼筋銹斷，橋梁的耐久性大幅降低，見(jiàn)圖1。

圖1 縱向開(kāi)裂、混凝土剝落露筋、銹蝕

b）由于縱向開(kāi)裂造成橋梁整體性降低，嚴(yán)重的沿縱向斷裂，橋梁“單板受力”，橋梁承載能力大幅下降，安全性降低，見(jiàn)圖2。

圖2 底板斷裂

3 縱向開(kāi)裂原因分析[1-2]

3.1 整體式板橋受力特性

現(xiàn)澆鋼筋混凝土板橋一般做成實(shí)體式等厚度的矩形截面或肋板式截面，其跨徑一般在8 m及以下，由于高等級(jí)公路的發(fā)展，橋面寬度往往大于跨徑（最大寬跨比高達(dá)3以上），因此，在荷載作用下，除板的縱向彎曲外，橫向也會(huì)發(fā)生彎曲。對(duì)混凝土板進(jìn)行合理的配筋,是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全和對(duì)鋼筋混凝土橋梁裂縫進(jìn)行控制的前提，也是控制現(xiàn)澆板橋縱向裂縫的重要條件。

理論分析認(rèn)為：小跨徑板橋的橋?qū)捯话悴恍∮? m，寬跨比大于1，在荷載作用下，除了板的縱向發(fā)生彎曲外，橫向也會(huì)發(fā)生彎曲，受力為雙向受力狀態(tài)，且橫向內(nèi)力較大，應(yīng)按雙向受力設(shè)計(jì)。當(dāng)荷載位于橋中線時(shí)，板的正截面內(nèi)將產(chǎn)生正的橫向彎矩；當(dāng)荷載位于板的兩側(cè)邊緣時(shí)，板中部將產(chǎn)生負(fù)的橫向彎矩。即板在車輛荷載作用下垂直主跨方向?qū)a(chǎn)生彎曲（雙向受力），加上荷載的偏載作用，故在垂直于主筋方向，還應(yīng)布置有一定數(shù)量的分布鋼筋。主筋與分布鋼筋構(gòu)成的縱橫鋼筋網(wǎng)還可以防止由于混凝土收縮、溫度變化等引起的裂縫。

因此《公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定：鋼筋混凝土行車道板內(nèi)主筋直徑不小于10 mm，跨中部分的主鋼筋間距不大于20 cm，一般也不宜小于7 cm，主筋與板邊緣凈距不小于2 cm。對(duì)于分布鋼筋，應(yīng)采用直徑不小于6 mm，間距不應(yīng)大于25 cm，同時(shí)在單位板長(zhǎng)上分布鋼筋的截面積一般不應(yīng)小于單位板寬上主筋截面積的15%。

3.2 橋?qū)捙c縱向開(kāi)裂的關(guān)系分析

通過(guò)分析橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)整體板橋縱向開(kāi)裂與橋梁寬度關(guān)系高度相關(guān)。5 m及以下寬度橋梁共14座，縱向開(kāi)裂的橋梁僅1座，占比7.1%；5～6 m寬度的橋梁共5座，縱向開(kāi)裂的橋梁共3座，占比60%；6～8 m寬度的橋梁共32座，縱向開(kāi)裂的橋梁共 18座，占比 56.3%；8 m以上寬度橋梁共19座，縱向開(kāi)裂橋梁共17座，占比89.5%。

通過(guò)以上分析可得出結(jié)論：5 m及以下寬度整體板橋絕大部分不出現(xiàn)縱向開(kāi)裂現(xiàn)象；5～8 m寬度之間整體板橋有60%左右的橋梁出現(xiàn)縱向裂縫，寬度大于8 m時(shí)，則有90%左右的整體式板橋出現(xiàn)縱向裂縫。

3.3 整體式板橋橫向受力分析

為了進(jìn)一步研究現(xiàn)澆板橋縱向開(kāi)裂的成因，以8 m跨徑鋼筋混凝土板橋（C30混凝土，板高0.4 m，縱向配筋20 mm、間距10 cm，橫向配筋10 mm、間距 10 cm）為例，分別以 5 m、7 m、9 m、11 m、13 m、15 m橋梁寬度建立模型，模型采用梁格法空間加載，可比較準(zhǔn)確地計(jì)算出縱向內(nèi)力和橫向內(nèi)力。計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 不同寬度8 m跨徑板橋橫縱向彎矩對(duì)比表

由表1可知，當(dāng)橋梁寬度為5 m時(shí)，在荷載組合下，橫向彎矩與縱向彎矩的比值為14.9%，以往設(shè)計(jì)規(guī)范要求的分布鋼筋與主筋面積之比不低于15%標(biāo)準(zhǔn)基本能滿足橫向受力要求，而標(biāo)準(zhǔn)圖中橫向配筋為縱向配筋面積的25%，可以滿足橫向受力的要求，在檢測(cè)的5 m及5 m以下寬度的板橋中僅有一座出現(xiàn)縱向裂縫也正因?yàn)槿绱?。因? m及5 m以下寬度的整體式板橋按照構(gòu)造和分布鋼筋與主筋面積之比不低于15%的標(biāo)準(zhǔn)雙控進(jìn)行橫向配筋是可以滿足橫向受力要求的。

當(dāng)橋梁寬度大于5 m時(shí)，在荷載組合下橫向彎矩與縱向彎矩的比值大于15%，最大達(dá)到62%，以往設(shè)計(jì)規(guī)范要求的分布鋼筋與主筋面積之比不低于15%的標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)不能滿足橫向受力要求，而標(biāo)準(zhǔn)圖中橫向配筋僅為縱向配筋的25%，不能滿足橫向受力的要求。因此，在檢測(cè)的5 m以上寬度的板橋中相當(dāng)部分的橋梁出現(xiàn)縱向裂縫正是由于橫向彎矩過(guò)大橫向配筋不足造成的。

根據(jù)理論分析及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果分析可以得出結(jié)論：5 m及5 m以下寬度的板橋可以按照構(gòu)造和分布鋼筋與主筋面積之比不低于15%的雙控標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行橫向配筋；5 m以上寬度的板橋中橫向配筋應(yīng)按照構(gòu)造和橫向受力進(jìn)行控制設(shè)計(jì)進(jìn)行配筋，以避免橫向配筋不足縱向開(kāi)裂。

3.4 防撞墻對(duì)縱向開(kāi)裂的影響分析

板橋中大部分橋梁護(hù)欄為輕型護(hù)欄，其中少部分橋梁采用防撞墻，在檢測(cè)的板橋中共有5座采用防撞墻，該5座橋梁均開(kāi)裂且較為嚴(yán)重，其中古交市有4座橋梁建成運(yùn)營(yíng)僅5年左右就嚴(yán)重開(kāi)裂；朔州南邢家河橋經(jīng)過(guò)橋面系及護(hù)欄改造，改造方案為將原有輕型護(hù)欄拆除更換為防撞墻，并重鋪橋面，改造后縱向嚴(yán)重開(kāi)裂，開(kāi)裂寬度達(dá)4 mm，主梁處在單板受力狀態(tài)，被評(píng)定為5類橋梁，拆除重建。

為了探究防撞墻對(duì)橋梁受力的影響，考慮防撞墻與主梁共同作用參與受力，建立有限元模型分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2及表3。

表3 有、無(wú)防撞墻情況下活載橫向彎矩對(duì)比

由表1及表2可以看出，有防撞墻情況下，在荷載組合下橫向彎矩與縱向彎矩的比值均大于15%，最小為25.7%，最大則達(dá)到71%，且較無(wú)防撞墻時(shí)有大幅提高。

由表3可以看出橋?qū)捲?～11 m范圍內(nèi)時(shí)，設(shè)置防撞墻情況下較無(wú)防撞墻活載橫向彎矩大幅提高，最小達(dá)108%，橋?qū)? m時(shí)最大達(dá)196%，橋?qū)挻笥?3 m時(shí)，活載彎矩提高的幅度有限。

在有防撞墻情況下，橋梁橫向彎矩將顯著提高，主要原因?yàn)榉雷矇ν瑯蛄汗餐芰?，橋梁兩?cè)邊緣剛度較橋梁中部剛度大，改變了橋梁的傳力路徑，橋梁雙向板受力特性更具明顯，因此橫向彎矩增大，橫向彎矩所占比例也有一定程度的提高。橋梁寬度大于13 m時(shí)，由于寬跨比的提高，橋梁防撞墻的剛度影響減弱，橋梁受力特性改變，活載彎矩提高效應(yīng)不明顯。

因此，現(xiàn)澆混凝土板橋設(shè)置防撞墻時(shí)應(yīng)考慮防撞墻對(duì)橋梁橫向受力的影響，進(jìn)行綜合分析橫向配筋，避免由于受力分析不充分導(dǎo)致橋梁橫向配筋不足而縱向開(kāi)裂；已運(yùn)營(yíng)橋梁不建議將原有橋梁輕型護(hù)欄改為防撞墻，這種做法可導(dǎo)致橋梁受力特性改變，橫向彎矩大幅增加，縱向裂縫將會(huì)出現(xiàn)惡化，對(duì)橋梁造成大的損傷和承載能力降低。

4 結(jié)論[3]

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果結(jié)合橫向受力分析，對(duì)于整體式混凝土板橋的設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)可以得出結(jié)論：

a）5 m以上寬度的整體式鋼筋混凝土板橋中橫向配筋應(yīng)按照構(gòu)造和橫向受力雙控進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，以避免橫向配筋不足而出現(xiàn)縱向開(kāi)裂。

b）5 m及以下寬度的板橋橫向可按構(gòu)造和配筋率進(jìn)行雙控配筋，具體為：橫向配筋直徑不低于10 mm，間距10 cm，且橫向配筋面積不低于縱向受力鋼筋面積的15%。

c）新建現(xiàn)澆混凝土板橋設(shè)置防撞墻時(shí)應(yīng)考慮防撞墻對(duì)橋梁橫向受力的影響，進(jìn)行綜合分析橫向配筋，避免由于受力分析不充分導(dǎo)致橋梁橫向配筋不足而出現(xiàn)縱向開(kāi)裂。

d）已運(yùn)營(yíng)橋梁不宜將原有橋梁輕型護(hù)欄改造為防撞墻，這種做法可導(dǎo)致橋梁受力特性改變，橫向彎矩大幅增加，縱向裂縫將會(huì)出現(xiàn)發(fā)展惡化，對(duì)橋梁造成大的損傷甚至承載能力降低。

e）本研究主要針對(duì)正交板橋，斜橋受力狀態(tài)復(fù)雜，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)建議嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)配筋，同時(shí)建議進(jìn)行空間受力分析，合理進(jìn)行橫向分布鋼筋的設(shè)置和附加鋼筋（鈍角部位和自由邊部位）的設(shè)置，避免縱向開(kāi)裂和局部受力集中區(qū)域開(kāi)裂。