空心板梁桥的底板纵向开裂成因研究和治理措施

孙江波

（河北瑞志交通技术咨询有限公司，石家庄 050091）

1 引言

空心板梁桥由于其结构受力明确、造价低、可工厂批量预制、施工简便等优点，已广泛应用于跨径20m以下的桥梁结构中，是目前我国常用的桥梁型式之一。但是，随着国民经济的发展，交通运输也快速发展，交通荷载和交通量也显著增大，在役桥梁结构中也渐渐产生许多病害，特别是数量众多的装配式空心板梁桥结构中病害更为显著，部分病害已经影响桥梁的安全运营，降低了结构的承载能力与耐久性，增大了运营养护的成本。通过对河北省境内某线公路空心板梁桥调查发现，桥梁在投入运营后，在自然环境、车辆荷载的作用下，设计、施工及养护阶段所存在的缺陷不断暴露，底板出现裂缝、支座出现滑移或失效、桥面铺装层开裂。其中，最典型的是底板纵向开裂，如图1所示[1]。

近年来，一些学者和工程师对空心板梁桥病害提出了许多预防和治理措施，但由于缺少时间证明，一些措施还需要时间去验证。本文基于底板裂缝开展研究，对病害产生的原因进行分析，并结合工程实际对设计、施工及养护提出建议。

图1 空心板梁桥底板裂缝

2 空心板梁桥典型病害特征

根据对某线运营的公路空心板梁桥调查统计，对此类桥梁的病害进行归纳分析，主要的病害有以下5方面：桥面铺装层开裂（约占36%）、桥板渗漏水（约占33%）、支座破坏（约占45%）、铰缝混凝土破坏（约占48%）、底板纵横向裂缝（约占57%）。各种病害占比如图2所示。

图2 空心板梁桥病害占比图

底板纵横向裂缝，是指在跨中部位底板出现开裂现象，裂缝宽度超过限值，且部分横向裂缝贯穿桥梁横截面。纵向裂缝沿着纵向多出现跨中，沿着横向多出现在腹板部位。

3 空心板梁桥底板纵向裂缝成因分析

3.1 设计因素

空心板梁桥底板厚度较薄，一般1m宽预制空心板，底板厚多数在10～12cm，根据施工的经验并从造价角度考虑，常用的做法是增大预制板的宽度代替增加预制板横向数量，进而缩短工期并降低工程造价。随着预制空心板宽度的增加，为降低自重，需要使桥板更加轻量化，使得横截面上空心区域增加，导致顶板、底板、腹板的截面积占比不断降低，进而导致横截面的刚度不断降低，在日益增加的车辆荷载作用下，导致底板开裂。同时，过薄的底板，其截面承载力也会弱化，导致在底板出现纵横组合裂缝[2]。

扁锚体系的应用。由于增大横截面上的空心面积，顶底板、腹板厚度降低，对于使用预应力的空心板梁桥需要应用扁锚体系，但是，宽幅的空心板梁桥使用扁锚体系会存在如管道摩阻系数大、预应力损失大、锚固端应力集中等问题，使得在预应力张拉阶段便在底板产生裂缝。

3.2 施工因素

3.2.1 预应力筋施工误差

预制板在制作阶段，预应力筋张拉时会产生向上的位移，而预应力筋在张拉完成后需要保持直线形态，从而对底板产生向下的作用力，使得底板出现横向变形进而形成纵向裂缝。另一方面由于施工作业不规范，使得预应力筋在张拉完成后不能保持直线状态，而呈现波浪状态，如图3所示。呈现波浪状的钢绞线会对周围混凝土产生向上或者向下的作用力，该部分混凝土会出现横向的变形，进而导致底板出现纵向裂缝。

3.2.2 底板施工质量

底板自身较薄，而且底板钢筋排布密集，还需要给预应力筋预留空间，使得底板混凝土在振捣时无法做到充分振捣，钢筋较密，导致粗骨料较少，使得底板混凝土浇筑质量并不能满足设计强度要求，在荷载作用下易出现开裂。

图3 预应力筋施工误差呈现出的波浪状态

3.3 运营、养护因素

3.3.1 车道分布

根据现在交通布置，大部分小型车多数在超车道及超车道旁边的车道行驶，而载重汽车多在最左侧车道行驶，该车道下的空心板在重载的移动荷载作用下极易出现开裂。

3.3.2 养护管理

桥面出现破坏，在养护维修不及时的情况下，出现排水口堵塞，铺装层开裂，桥面积水渗入到空心板，造成空心板混凝土渗水、析白，由于底板施工质量差，钢筋保护层厚度不满足要求，底板钢筋锈蚀，出现膨胀开裂，导致保护层混凝土开裂。

4 空心板梁桥底板纵向裂缝治理措施

4.1 预防措施

4.1.1 提高板厚

空心板底板的厚度减少导致横截面刚度降低，在自重及车辆荷载作用下，导致底板开裂。对于空心板梁桥，由于自重较小，因而活载占比较大，增大板厚对于恒载影响较小，但是，对于提高承载力和刚度，减少裂缝出现具有很大的作用。

4.1.2 提高底板混凝土浇筑质量

空心板梁桥底板厚度相对较薄，且钢筋分布密集，底板混凝土浇筑过程中困难较多，而底板混凝土浇筑的质量直接影响空心板梁桥的整体质量，因而应对底板浇筑质量进行严格控制，可以采用分层浇筑、分布支模的方式进行，先支底板模板，浇筑底板，再进行腹板、顶板浇筑，但是，需确保分层浇筑时2层之间的连接强度，因而应严格控制内模和侧模的安装时间。

4.2 治理措施

对于运营期的桥梁，从设计和施工角度进行预防已经丧失意义，对于已经处于运营状态的空心板梁桥，应根据病害制定维修加固措施，对于出现病害的空心板梁桥应遵循3个步骤：（1）全面检测，全面了解病害状态，并对其原因进行分析，做到对症下药；（2）通过试验或者专业检测对桥梁的使用性能和承载力进行综合评估，以判断是否有进行加固的必要；（3）对加固方案的制定应从技术、经济等角度进行综合确定。

对于空心板梁桥底板开裂，常用的治理措施有以下5个方面。

4.2.1 表面修补法

底板裂缝较浅，裂缝未达到结构内部，且对桥梁承载力没有影响，可以采取该方法，以阻隔大气等对底板进一步的侵蚀，可以在开裂的底板进行涂刷水泥浆、沥青或者油漆等，对于裂缝宽度＜0.3mm的裂缝可在集中分布的位置粘贴玻璃纤维布，对于＞0.3mm的裂缝，应利用环氧砂浆涂刷。

4.2.2 嵌缝、灌浆法

对于结构完整性或者抗渗性有特殊要求的结构，可采用压力灌浆法，将胶凝材料打入裂缝中，在材料硬化后与原材料形成一体，阻隔环境作用。灌浆法分为水泥灌浆和化学灌浆两种。水泥灌浆适用于裂缝大于0.15mm的裂缝，化学灌浆适用于＜0.15mm的裂缝。嵌缝法是在裂缝位置开槽，填充嵌缝材料，如丁基橡胶、水泥砂浆、塑料油膏等。

4.2.3 扩大截面法

通过扩大横截面面积以增加配筋，提高承载力和刚度，一般在底板上缘扩大，不仅增加厚度，也对裂缝进行封闭。但是，该方法存在工期长、工程量大、加固后自重增加、净空减少等问题。

4.2.4 粘贴法

粘贴的材料主要有钢板和碳纤维2种，原理基本一致，碳纤维抗拉强度极高，更轻量化，耐久性均优于钢板法。但是碳纤维在增强结构刚度上不如钢板明显，造价较高，易被破坏。

4.2.5 体外预应力法

将预应力设置在结构体外侧，并施加预应力，抵消部分自重及外荷载作用在桥梁结构上的内力，同时，对已开裂的裂缝还能起到闭合的作用，减少挠曲变形，提高桥梁的承载力。

5 结语

本文介绍了空心板梁桥的病害分布，从设计、施工、运营等角度对空心板梁桥底板开裂原因进行分析，根据桥梁所处阶段提出了控制措施，即：对于待建桥梁，应适当提高底板厚度，以增加结构的刚度和钢筋布置的空间，并在施工阶段提高底板浇筑的质量；对于运营期的桥梁结构，应根据病害情况从技术、运营、经济等角度制定治理措施。