整体式钢筋混凝土板桥纵向开裂成因及其设计优化研究

姬兵亮

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 研究背景

由于施工简单及造价低廉，整体式钢筋混凝土板桥在10 m及10 m以下跨径的桥梁中占比最大，然而由于设计、施工及后期管养等各方面的原因导致这类桥型病害较多，在所有病害中，纵向开裂最为典型且造成的后果最为严重，因此本文主要针对整体式钢筋混凝土板桥纵向裂缝的成因及对策展开研究。

2 检测结果及分析

共检测整体式板桥70座，主要分布在山西省太原市、朔州市、临汾市、忻州市、运城市多个区域。多为村道、县乡道路桥梁，部分为国省干道和城市桥梁。

在所有检测的桥梁中，跨径在3～5 m（不含5 m）的共8座，占12.8%；跨径在5～7 m（不含7 m）的共25座，占比35.7%；跨径在7～8 m（不含8 m）的共26座，占比37.1%；跨径在8 m以上的共9座，占比12.8%，最大为跨径10.8 m。可见8 m及8 m以下跨径为整体式现浇板常用跨径，大于8 m往往采用空心板梁。

桥梁宽度在5 m及以下的占14座，占比20%；宽度在5～6 m（含6 m）的共5座，占比7.1%；宽度在6～8 m的共32座，占比45.7%；宽度在8 m以上的共19座，占比27.1%。所检测的最宽桥梁宽度为14.6 m。

通过对检测数据分析，发现整体板梁最为普遍和典型的病害为底板纵向裂缝。在所检测的70座整体式板桥中，存在纵向裂缝的占39座，占比达55.7%。大部分裂缝为超限裂缝，开裂位置居于板宽1/3～1/2处。最大裂缝宽度达4 mm以上，甚至纵向断板，单板受力。裂缝宽度已远远大于《桥规》所规定的纵向裂缝容许宽度（0.2 mm），甚至一些新建不久的桥梁也出现了程度不同的纵向裂缝。

纵向开裂将会对桥梁造成严重后果：

a）纵向裂缝往往伴随渗水泛碱，主筋锈蚀，部分钢筋锈断，桥梁的耐久性大幅降低，见图1。

图1 纵向开裂、混凝土剥落露筋、锈蚀

b）由于纵向开裂造成桥梁整体性降低，严重的沿纵向断裂，桥梁“单板受力”，桥梁承载能力大幅下降，安全性降低，见图2。

图2 底板断裂

3 纵向开裂原因分析[1-2]

3.1 整体式板桥受力特性

现浇钢筋混凝土板桥一般做成实体式等厚度的矩形截面或肋板式截面，其跨径一般在8 m及以下，由于高等级公路的发展，桥面宽度往往大于跨径（最大宽跨比高达3以上），因此，在荷载作用下，除板的纵向弯曲外，横向也会发生弯曲。对混凝土板进行合理的配筋,是保证桥梁结构安全和对钢筋混凝土桥梁裂缝进行控制的前提，也是控制现浇板桥纵向裂缝的重要条件。

理论分析认为：小跨径板桥的桥宽一般不小于7 m，宽跨比大于1，在荷载作用下，除了板的纵向发生弯曲外，横向也会发生弯曲，受力为双向受力状态，且横向内力较大，应按双向受力设计。当荷载位于桥中线时，板的正截面内将产生正的横向弯矩；当荷载位于板的两侧边缘时，板中部将产生负的横向弯矩。即板在车辆荷载作用下垂直主跨方向将产生弯曲（双向受力），加上荷载的偏载作用，故在垂直于主筋方向，还应布置有一定数量的分布钢筋。主筋与分布钢筋构成的纵横钢筋网还可以防止由于混凝土收缩、温度变化等引起的裂缝。

因此《公路桥涵设计手册》规定：钢筋混凝土行车道板内主筋直径不小于10 mm，跨中部分的主钢筋间距不大于20 cm，一般也不宜小于7 cm，主筋与板边缘净距不小于2 cm。对于分布钢筋，应采用直径不小于6 mm，间距不应大于25 cm，同时在单位板长上分布钢筋的截面积一般不应小于单位板宽上主筋截面积的15%。

3.2 桥宽与纵向开裂的关系分析

通过分析桥梁检测数据，发现整体板桥纵向开裂与桥梁宽度关系高度相关。5 m及以下宽度桥梁共14座，纵向开裂的桥梁仅1座，占比7.1%；5～6 m宽度的桥梁共5座，纵向开裂的桥梁共3座，占比60%；6～8 m宽度的桥梁共32座，纵向开裂的桥梁共 18座，占比 56.3%；8 m以上宽度桥梁共19座，纵向开裂桥梁共17座，占比89.5%。

通过以上分析可得出结论：5 m及以下宽度整体板桥绝大部分不出现纵向开裂现象；5～8 m宽度之间整体板桥有60%左右的桥梁出现纵向裂缝，宽度大于8 m时，则有90%左右的整体式板桥出现纵向裂缝。

3.3 整体式板桥横向受力分析

为了进一步研究现浇板桥纵向开裂的成因，以8 m跨径钢筋混凝土板桥（C30混凝土，板高0.4 m，纵向配筋20 mm、间距10 cm，横向配筋10 mm、间距 10 cm）为例，分别以 5 m、7 m、9 m、11 m、13 m、15 m桥梁宽度建立模型，模型采用梁格法空间加载，可比较准确地计算出纵向内力和横向内力。计算结果对比见表1。

表1 不同宽度8 m跨径板桥横纵向弯矩对比表

由表1可知，当桥梁宽度为5 m时，在荷载组合下，横向弯矩与纵向弯矩的比值为14.9%，以往设计规范要求的分布钢筋与主筋面积之比不低于15%标准基本能满足横向受力要求，而标准图中横向配筋为纵向配筋面积的25%，可以满足横向受力的要求，在检测的5 m及5 m以下宽度的板桥中仅有一座出现纵向裂缝也正因为如此。因此5 m及5 m以下宽度的整体式板桥按照构造和分布钢筋与主筋面积之比不低于15%的标准双控进行横向配筋是可以满足横向受力要求的。

当桥梁宽度大于5 m时，在荷载组合下横向弯矩与纵向弯矩的比值大于15%，最大达到62%，以往设计规范要求的分布钢筋与主筋面积之比不低于15%的标准远不能满足横向受力要求，而标准图中横向配筋仅为纵向配筋的25%，不能满足横向受力的要求。因此，在检测的5 m以上宽度的板桥中相当部分的桥梁出现纵向裂缝正是由于横向弯矩过大横向配筋不足造成的。

根据理论分析及现场检测结果分析可以得出结论：5 m及5 m以下宽度的板桥可以按照构造和分布钢筋与主筋面积之比不低于15%的双控标准进行横向配筋；5 m以上宽度的板桥中横向配筋应按照构造和横向受力进行控制设计进行配筋，以避免横向配筋不足纵向开裂。

3.4 防撞墙对纵向开裂的影响分析

板桥中大部分桥梁护栏为轻型护栏，其中少部分桥梁采用防撞墙，在检测的板桥中共有5座采用防撞墙，该5座桥梁均开裂且较为严重，其中古交市有4座桥梁建成运营仅5年左右就严重开裂；朔州南邢家河桥经过桥面系及护栏改造，改造方案为将原有轻型护栏拆除更换为防撞墙，并重铺桥面，改造后纵向严重开裂，开裂宽度达4 mm，主梁处在单板受力状态，被评定为5类桥梁，拆除重建。

为了探究防撞墙对桥梁受力的影响，考虑防撞墙与主梁共同作用参与受力，建立有限元模型分析计算，计算结果见表2及表3。

表3 有、无防撞墙情况下活载横向弯矩对比

由表1及表2可以看出，有防撞墙情况下，在荷载组合下横向弯矩与纵向弯矩的比值均大于15%，最小为25.7%，最大则达到71%，且较无防撞墙时有大幅提高。

由表3可以看出桥宽在5～11 m范围内时，设置防撞墙情况下较无防撞墙活载横向弯矩大幅提高，最小达108%，桥宽7 m时最大达196%，桥宽大于13 m时，活载弯矩提高的幅度有限。

在有防撞墙情况下，桥梁横向弯矩将显著提高，主要原因为防撞墙同桥梁共同受力，桥梁两侧边缘刚度较桥梁中部刚度大，改变了桥梁的传力路径，桥梁双向板受力特性更具明显，因此横向弯矩增大，横向弯矩所占比例也有一定程度的提高。桥梁宽度大于13 m时，由于宽跨比的提高，桥梁防撞墙的刚度影响减弱，桥梁受力特性改变，活载弯矩提高效应不明显。

因此，现浇混凝土板桥设置防撞墙时应考虑防撞墙对桥梁横向受力的影响，进行综合分析横向配筋，避免由于受力分析不充分导致桥梁横向配筋不足而纵向开裂；已运营桥梁不建议将原有桥梁轻型护栏改为防撞墙，这种做法可导致桥梁受力特性改变，横向弯矩大幅增加，纵向裂缝将会出现恶化，对桥梁造成大的损伤和承载能力降低。

4 结论[3]

根据检测数据分析结果结合横向受力分析，对于整体式混凝土板桥的设计及运营可以得出结论：

a）5 m以上宽度的整体式钢筋混凝土板桥中横向配筋应按照构造和横向受力双控进行配筋设计，以避免横向配筋不足而出现纵向开裂。

b）5 m及以下宽度的板桥横向可按构造和配筋率进行双控配筋，具体为：横向配筋直径不低于10 mm，间距10 cm，且横向配筋面积不低于纵向受力钢筋面积的15%。

c）新建现浇混凝土板桥设置防撞墙时应考虑防撞墙对桥梁横向受力的影响，进行综合分析横向配筋，避免由于受力分析不充分导致桥梁横向配筋不足而出现纵向开裂。

d）已运营桥梁不宜将原有桥梁轻型护栏改造为防撞墙，这种做法可导致桥梁受力特性改变，横向弯矩大幅增加，纵向裂缝将会出现发展恶化，对桥梁造成大的损伤甚至承载能力降低。

e）本研究主要针对正交板桥，斜桥受力状态复杂，在进行设计时建议严格按照规范进行设计配筋，同时建议进行空间受力分析，合理进行横向分布钢筋的设置和附加钢筋（钝角部位和自由边部位）的设置，避免纵向开裂和局部受力集中区域开裂。