整體式鋼筋混凝土板橋縱向開裂成因及其設計優化研究

姬兵亮

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 研究背景

由于施工簡單及造價低廉，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，然而由于設計、施工及后期管養等各方面的原因導致這類橋型病害較多，在所有病害中，縱向開裂最為典型且造成的后果最為嚴重，因此本文主要針對整體式鋼筋混凝土板橋縱向裂縫的成因及對策展開研究。

2 檢測結果及分析

共檢測整體式板橋70座，主要分布在山西省太原市、朔州市、臨汾市、忻州市、運城市多個區域。多為村道、縣鄉道路橋梁，部分為國省干道和城市橋梁。

在所有檢測的橋梁中，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? m及8 m以下跨徑為整體式現澆板常用跨徑，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%。所檢測的最寬橋梁寬度為14.6 m。

通過對檢測數據分析，發現整體板梁最為普遍和典型的病害為底板縱向裂縫。在所檢測的70座整體式板橋中，存在縱向裂縫的占39座，占比達55.7%。大部分裂縫為超限裂縫，開裂位置居于板寬1/3～1/2處。最大裂縫寬度達4 mm以上，甚至縱向斷板，單板受力。裂縫寬度已遠遠大于《橋規》所規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了程度不同的縱向裂縫。

縱向開裂將會對橋梁造成嚴重后果：

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，見圖1。

圖1 縱向開裂、混凝土剝落露筋、銹蝕

b）由于縱向開裂造成橋梁整體性降低，嚴重的沿縱向斷裂，橋梁“單板受力”，橋梁承載能力大幅下降，安全性降低，見圖2。

圖2 底板斷裂

3 縱向開裂原因分析[1-2]

3.1 整體式板橋受力特性

現澆鋼筋混凝土板橋一般做成實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，由于高等級公路的發展，橋面寬度往往大于跨徑（最大寬跨比高達3以上），因此，在荷載作用下，除板的縱向彎曲外，橫向也會發生彎曲。對混凝土板進行合理的配筋,是保證橋梁結構安全和對鋼筋混凝土橋梁裂縫進行控制的前提，也是控制現澆板橋縱向裂縫的重要條件。

理論分析認為：小跨徑板橋的橋寬一般不小于7 m，寬跨比大于1，在荷載作用下，除了板的縱向發生彎曲外，橫向也會發生彎曲，受力為雙向受力狀態，且橫向內力較大，應按雙向受力設計。當荷載位于橋中線時，板的正截面內將產生正的橫向彎矩；當荷載位于板的兩側邊緣時，板中部將產生負的橫向彎矩。即板在車輛荷載作用下垂直主跨方向將產生彎曲（雙向受力），加上荷載的偏載作用，故在垂直于主筋方向，還應布置有一定數量的分布鋼筋。主筋與分布鋼筋構成的縱橫鋼筋網還可以防止由于混凝土收縮、溫度變化等引起的裂縫。

因此《公路橋涵設計手冊》規定：鋼筋混凝土行車道板內主筋直徑不小于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。對于分布鋼筋，應采用直徑不小于6 mm，間距不應大于25 cm，同時在單位板長上分布鋼筋的截面積一般不應小于單位板寬上主筋截面積的15%。

3.2 橋寬與縱向開裂的關系分析

通過分析橋梁檢測數據，發現整體板橋縱向開裂與橋梁寬度關系高度相關。5 m及以下寬度橋梁共14座，縱向開裂的橋梁僅1座，占比7.1%；5～6 m寬度的橋梁共5座，縱向開裂的橋梁共3座，占比60%；6～8 m寬度的橋梁共32座，縱向開裂的橋梁共 18座，占比 56.3%；8 m以上寬度橋梁共19座，縱向開裂橋梁共17座，占比89.5%。

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

3.3 整體式板橋橫向受力分析

為了進一步研究現澆板橋縱向開裂的成因，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，可比較準確地計算出縱向內力和橫向內力。計算結果對比見表1。

表1 不同寬度8 m跨徑板橋橫縱向彎矩對比表

由表1可知，當橋梁寬度為5 m時，在荷載組合下，橫向彎矩與縱向彎矩的比值為14.9%，以往設計規范要求的分布鋼筋與主筋面積之比不低于15%標準基本能滿足橫向受力要求，而標準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，在檢測的5 m及5 m以下寬度的板橋中僅有一座出現縱向裂縫也正因為如此。因此5 m及5 m以下寬度的整體式板橋按照構造和分布鋼筋與主筋面積之比不低于15%的標準雙控進行橫向配筋是可以滿足橫向受力要求的。

當橋梁寬度大于5 m時，在荷載組合下橫向彎矩與縱向彎矩的比值大于15%，最大達到62%，以往設計規范要求的分布鋼筋與主筋面積之比不低于15%的標準遠不能滿足橫向受力要求，而標準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，在檢測的5 m以上寬度的板橋中相當部分的橋梁出現縱向裂縫正是由于橫向彎矩過大橫向配筋不足造成的。

根據理論分析及現場檢測結果分析可以得出結論：5 m及5 m以下寬度的板橋可以按照構造和分布鋼筋與主筋面積之比不低于15%的雙控標準進行橫向配筋；5 m以上寬度的板橋中橫向配筋應按照構造和橫向受力進行控制設計進行配筋，以避免橫向配筋不足縱向開裂。

3.4 防撞墻對縱向開裂的影響分析

板橋中大部分橋梁護欄為輕型護欄，其中少部分橋梁采用防撞墻，在檢測的板橋中共有5座采用防撞墻，該5座橋梁均開裂且較為嚴重，其中古交市有4座橋梁建成運營僅5年左右就嚴重開裂；朔州南邢家河橋經過橋面系及護欄改造，改造方案為將原有輕型護欄拆除更換為防撞墻，并重鋪橋面，改造后縱向嚴重開裂，開裂寬度達4 mm，主梁處在單板受力狀態，被評定為5類橋梁，拆除重建。

為了探究防撞墻對橋梁受力的影響，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算，計算結果見表2及表3。

表3 有、無防撞墻情況下活載橫向彎矩對比

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%，最大則達到71%，且較無防撞墻時有大幅提高。

由表3可以看出橋寬在5～11 m范圍內時，設置防撞墻情況下較無防撞墻活載橫向彎矩大幅提高，最小達108%，橋寬7 m時最大達196%，橋寬大于13 m時，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，主要原因為防撞墻同橋梁共同受力，橋梁兩側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，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，活載彎矩提高效應不明顯。

因此，現澆混凝土板橋設置防撞墻時應考慮防撞墻對橋梁橫向受力的影響，進行綜合分析橫向配筋，避免由于受力分析不充分導致橋梁橫向配筋不足而縱向開裂；已運營橋梁不建議將原有橋梁輕型護欄改為防撞墻，這種做法可導致橋梁受力特性改變，橫向彎矩大幅增加，縱向裂縫將會出現惡化，對橋梁造成大的損傷和承載能力降低。

4 結論[3]

根據檢測數據分析結果結合橫向受力分析，對于整體式混凝土板橋的設計及運營可以得出結論：

a）5 m以上寬度的整體式鋼筋混凝土板橋中橫向配筋應按照構造和橫向受力雙控進行配筋設計，以避免橫向配筋不足而出現縱向開裂。

b）5 m及以下寬度的板橋橫向可按構造和配筋率進行雙控配筋，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）新建現澆混凝土板橋設置防撞墻時應考慮防撞墻對橋梁橫向受力的影響，進行綜合分析橫向配筋，避免由于受力分析不充分導致橋梁橫向配筋不足而出現縱向開裂。

d）已運營橋梁不宜將原有橋梁輕型護欄改造為防撞墻，這種做法可導致橋梁受力特性改變，橫向彎矩大幅增加，縱向裂縫將會出現發展惡化，對橋梁造成大的損傷甚至承載能力降低。

e）本研究主要針對正交板橋，斜橋受力狀態復雜，在進行設計時建議嚴格按照規范進行設計配筋，同時建議進行空間受力分析，合理進行橫向分布鋼筋的設置和附加鋼筋（鈍角部位和自由邊部位）的設置，避免縱向開裂和局部受力集中區域開裂。