现浇式实心板梁纵向裂缝分析及加固措施研究

吴 杰，许 浩

（1.山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250002； 2.丽水学院，浙江 丽水 323000）

1 研究背景

现浇式实心板梁因构造简单、施工方便，是小跨径桥梁中较为常见的桥梁结构形式。20 世纪90 年代设计建造的部分现浇式实心板梁在运营阶段产生了各种病害，其中底板纵向开裂问题在该桥型中具有普遍性。国内外专家学者针对梁体开裂问题进行了大量研究，蒲广宁等[1]对梁端斜向裂缝进行了分析，认为腹板厚度过薄是产生斜向裂缝的原因。何兵[2]对先张法预应力板梁进行研究，认为超载是板梁梁端主拉应力超限的主要原因，并验证了粘贴钢板法的加固效果。林源锋等[3]认为梁体在支座附近底板斜向开裂产生原因为梁端未封锚和汽车超载。张文浩等[4]通过研究发现，施工质量缺陷是PC 板梁底板纵向开裂的必要条件，主要包括底板厚度不足、混凝土强度不足。张巍[5]通过对钢筋混凝土空心板梁进行荷载试验，验证了早期裂缝对其极限承载能力基本没有影响，经封闭处理后能满足正常使用极限状态设计要求。这些研究成果均是针对装配式上部结构开裂问题，而对现浇式板梁的开裂问题鲜有涉及。

2 工程概况

2.1 桥梁概况

潍莱高速公路桥梁修建于1999 年，上部结构设计荷载为汽车-超20、挂车-120。本段高速公路以中小跨径桥梁为主，其中8 m 跨径现浇整体式钢筋混凝土实心板梁，顶板宽12 m，梁高0.4 m。

2.2 病害情况

在定期检测中发现现浇实心板梁底板存在沿跨径方向贯通的纵向裂缝，最大缝宽1.30 mm，且裂缝出现在桥梁中心线附近，主裂缝附近还伴随有与之平行的短裂缝，底板纵向裂缝均存在明显渗水泛白痕迹，见图1。

图1 底板纵向开裂

底板开裂处对应台帽未发现明显病害，基本排除不均匀沉降导致开裂的可能。纵向裂缝进行封闭处理后再次开裂。其横向刚度势必削弱，且外界雨水、空气等不利条件易对开裂处钢筋进行锈蚀，进一步加剧裂缝的发展，危机桥梁结构安全。因此，必须对该桥进行横向补强加固。

3 底板纵向开裂原因分析

根据设计图纸，采用Midas Civil 建立有限元模型进行荷载效应分析计算。鉴于利用传统杆系单元求解二维内力困难，使用板单元模拟上部结构并忽略两侧翼缘影响，计算恒载及活载作用产生的横向弯矩效应。

计算矩形截面受弯构件正截面抗弯承载力：

式中: γ0—桥梁结构重要性系数；Md—弯矩组合设计值；fcd—混凝土轴心抗压强度设计值；fsd、—普通钢筋抗拉、抗压强度设计值；fpd、fpd—预应力钢筋抗拉强度设计值和抗压强度设计值；As、As—受拉区、受压区普通钢筋的截面面积，mm；Ap、—受拉区、受压区预应力钢筋的截面面积，mm；b—矩形截面宽度，mm；h0—截面有效高度，mm；a、—受拉区、受压区普通钢筋和预应力钢筋的合力至受拉区、受压区边缘距离，mm；受压区普通钢筋合力点、预应力钢筋合力点至受压区边缘的距离，mm；受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时预应力钢筋的应力，MPa。

使用Midas Civil 软件计算可知，在恒载与设计荷载汽车-超20、挂车-120 基本组合作用下，板梁最大横向弯矩为81.2 kN·m，恒载与现行公路-Ⅰ级基本组合作用下，板梁最大横向弯矩为105.0 kN·m。根据每延米横向配筋及截面高度，计算可得横向承载能力为33.4 kN·m，即横向弯矩承载能力远小于基本组合荷载作用值。且随着交通量和荷载等级的提升，梁板横向弯矩还会有所增加，加剧底板纵向开裂趋势，与现场病害情况较好吻合。说明仅按照构造要求进行横向配筋并不能满足结构承载需要，梁板横向弯矩抵抗能力不足是纵向开裂的主要原因。

4 加固方法

（1）封闭裂缝处理。对于缝宽较小或因施工等早期原因产生的裂缝适宜用封缝胶进行封闭处理。但对于受力产生的裂缝，仅用此方法处理后会再次开裂，故本桥可辅助使用此处理方法。（2）粘贴加固法。是采用结构胶粘贴补强材料以提高构件承载力的方法。优点是由于侵占梁下高度很小，适用于对净空要求较高时使用；缺点是此加固方法为被动加固，需要构件二次受力才能发挥作用。（3）体外预应力加固法。通过增设体外预应力索对既有混凝土梁体主动施加外力，以改善原结构的受力状态的加固方法。体外索可调可换，控制合适张拉力值可以使既有裂缝闭合，且力矩相较于粘贴钢板法增加，加固效果更加理想。

对粘贴钢板加固试算，每延米长度底板粘贴Q235 钢板，厚8 mm 宽100 mm，横向通长布置。经计算，其横向承载能力为78.2 kN·m，较初始值提升了133%，但低于设计荷载基本组合作用值。如采用体外预应力加固法，每延米选取2 束抗拉强度1 860 MPa 钢绞线，公称直径为15.2 mm（1×7）进行试算，加固后其横向弯矩承载力为151.1 kN·m ，较初始值提升了352%，且满足恒载与现行公路-Ⅰ级基本组合要求。见图2。

图2 沿跨径方向横向弯矩分布

由图2 可知，主梁横向弯矩效应在跨中附近达到最大值，而后向两侧递减。且随荷载等级提升，横向弯矩效应随之增加。粘贴钢板加固对横向抗弯能力提升有限，加固后尚低于设计荷载弯矩效应。采用体外预应力法加固后，主梁横向抗弯能力有明显提升，完全满足现行规范[6]要求且有较大富余量。主动加固对于既有裂缝可在一定程度上起到闭合作用，再配合裂缝封闭处理，可使主梁钢筋免受外界侵蚀，保证结构安全。

5 结语

通过对现浇式实心板梁桥梁底纵向开裂机理进行分析，认为设计时并未充分考虑横向弯矩作用，仅按照构造进行配置横向钢筋不能满足结构承载要求。对比几种加固方法，在对桥梁净空要求较低时，采用体外预应力加固法配合封闭裂缝处理，可有效提升宽幅主梁横向抗弯能力，避免纵向裂缝再次开裂，保护梁内钢筋不受外界侵蚀。