空心板梁橋的底板縱向開裂成因研究和治理措施

孫江波

（河北瑞志交通技術咨詢有限公司，石家莊 050091）

1 引言

空心板梁橋由于其結構受力明確、造價低、可工廠批量預制、施工簡便等優點，已廣泛應用于跨徑20m以下的橋梁結構中，是目前我國常用的橋梁型式之一。但是，隨著國民經濟的發展，交通運輸也快速發展，交通荷載和交通量也顯著增大，在役橋梁結構中也漸漸產生許多病害，特別是數量眾多的裝配式空心板梁橋結構中病害更為顯著，部分病害已經影響橋梁的安全運營，降低了結構的承載能力與耐久性，增大了運營養護的成本。通過對河北省境內某線公路空心板梁橋調查發現，橋梁在投入運營后，在自然環境、車輛荷載的作用下，設計、施工及養護階段所存在的缺陷不斷暴露，底板出現裂縫、支座出現滑移或失效、橋面鋪裝層開裂。其中，最典型的是底板縱向開裂，如圖1所示[1]。

近年來，一些學者和工程師對空心板梁橋病害提出了許多預防和治理措施，但由于缺少時間證明，一些措施還需要時間去驗證。本文基于底板裂縫開展研究，對病害產生的原因進行分析，并結合工程實際對設計、施工及養護提出建議。

圖1 空心板梁橋底板裂縫

2 空心板梁橋典型病害特征

根據對某線運營的公路空心板梁橋調查統計，對此類橋梁的病害進行歸納分析，主要的病害有以下5方面：橋面鋪裝層開裂（約占36%）、橋板滲漏水（約占33%）、支座破壞（約占45%）、鉸縫混凝土破壞（約占48%）、底板縱橫向裂縫（約占57%）。各種病害占比如圖2所示。

圖2 空心板梁橋病害占比圖

底板縱橫向裂縫，是指在跨中部位底板出現開裂現象，裂縫寬度超過限值，且部分橫向裂縫貫穿橋梁橫截面?？v向裂縫沿著縱向多出現跨中，沿著橫向多出現在腹板部位。

3 空心板梁橋底板縱向裂縫成因分析

3.1 設計因素

空心板梁橋底板厚度較薄，一般1m寬預制空心板，底板厚多數在10～12cm，根據施工的經驗并從造價角度考慮，常用的做法是增大預制板的寬度代替增加預制板橫向數量，進而縮短工期并降低工程造價。隨著預制空心板寬度的增加，為降低自重，需要使橋板更加輕量化，使得橫截面上空心區域增加，導致頂板、底板、腹板的截面積占比不斷降低，進而導致橫截面的剛度不斷降低，在日益增加的車輛荷載作用下，導致底板開裂。同時，過薄的底板，其截面承載力也會弱化，導致在底板出現縱橫組合裂縫[2]。

扁錨體系的應用。由于增大橫截面上的空心面積，頂底板、腹板厚度降低，對于使用預應力的空心板梁橋需要應用扁錨體系，但是，寬幅的空心板梁橋使用扁錨體系會存在如管道摩阻系數大、預應力損失大、錨固端應力集中等問題，使得在預應力張拉階段便在底板產生裂縫。

3.2 施工因素

3.2.1 預應力筋施工誤差

預制板在制作階段，預應力筋張拉時會產生向上的位移，而預應力筋在張拉完成后需要保持直線形態，從而對底板產生向下的作用力，使得底板出現橫向變形進而形成縱向裂縫。另一方面由于施工作業不規范，使得預應力筋在張拉完成后不能保持直線狀態，而呈現波浪狀態，如圖3所示。呈現波浪狀的鋼絞線會對周圍混凝土產生向上或者向下的作用力，該部分混凝土會出現橫向的變形，進而導致底板出現縱向裂縫。

3.2.2 底板施工質量

底板自身較薄，而且底板鋼筋排布密集，還需要給預應力筋預留空間，使得底板混凝土在振搗時無法做到充分振搗，鋼筋較密，導致粗骨料較少，使得底板混凝土澆筑質量并不能滿足設計強度要求，在荷載作用下易出現開裂。

圖3 預應力筋施工誤差呈現出的波浪狀態

3.3 運營、養護因素

3.3.1 車道分布

根據現在交通布置，大部分小型車多數在超車道及超車道旁邊的車道行駛，而載重汽車多在最左側車道行駛，該車道下的空心板在重載的移動荷載作用下極易出現開裂。

3.3.2 養護管理

橋面出現破壞，在養護維修不及時的情況下，出現排水口堵塞，鋪裝層開裂，橋面積水滲入到空心板，造成空心板混凝土滲水、析白，由于底板施工質量差，鋼筋保護層厚度不滿足要求，底板鋼筋銹蝕，出現膨脹開裂，導致保護層混凝土開裂。

4 空心板梁橋底板縱向裂縫治理措施

4.1 預防措施

4.1.1 提高板厚

空心板底板的厚度減少導致橫截面剛度降低，在自重及車輛荷載作用下，導致底板開裂。對于空心板梁橋，由于自重較小，因而活載占比較大，增大板厚對于恒載影響較小，但是，對于提高承載力和剛度，減少裂縫出現具有很大的作用。

4.1.2 提高底板混凝土澆筑質量

空心板梁橋底板厚度相對較薄，且鋼筋分布密集，底板混凝土澆筑過程中困難較多，而底板混凝土澆筑的質量直接影響空心板梁橋的整體質量，因而應對底板澆筑質量進行嚴格控制，可以采用分層澆筑、分布支模的方式進行，先支底板模板，澆筑底板，再進行腹板、頂板澆筑，但是，需確保分層澆筑時2層之間的連接強度，因而應嚴格控制內模和側模的安裝時間。

4.2 治理措施

對于運營期的橋梁，從設計和施工角度進行預防已經喪失意義，對于已經處于運營狀態的空心板梁橋，應根據病害制定維修加固措施，對于出現病害的空心板梁橋應遵循3個步驟：（1）全面檢測，全面了解病害狀態，并對其原因進行分析，做到對癥下藥；（2）通過試驗或者專業檢測對橋梁的使用性能和承載力進行綜合評估，以判斷是否有進行加固的必要；（3）對加固方案的制定應從技術、經濟等角度進行綜合確定。

對于空心板梁橋底板開裂，常用的治理措施有以下5個方面。

4.2.1 表面修補法

底板裂縫較淺，裂縫未達到結構內部，且對橋梁承載力沒有影響，可以采取該方法，以阻隔大氣等對底板進一步的侵蝕，可以在開裂的底板進行涂刷水泥漿、瀝青或者油漆等，對于裂縫寬度＜0.3mm的裂縫可在集中分布的位置粘貼玻璃纖維布，對于＞0.3mm的裂縫，應利用環氧砂漿涂刷。

4.2.2 嵌縫、灌漿法

對于結構完整性或者抗滲性有特殊要求的結構，可采用壓力灌漿法，將膠凝材料打入裂縫中，在材料硬化后與原材料形成一體，阻隔環境作用。灌漿法分為水泥灌漿和化學灌漿兩種。水泥灌漿適用于裂縫大于0.15mm的裂縫，化學灌漿適用于＜0.15mm的裂縫。嵌縫法是在裂縫位置開槽，填充嵌縫材料，如丁基橡膠、水泥砂漿、塑料油膏等。

4.2.3 擴大截面法

通過擴大橫截面面積以增加配筋，提高承載力和剛度，一般在底板上緣擴大，不僅增加厚度，也對裂縫進行封閉。但是，該方法存在工期長、工程量大、加固后自重增加、凈空減少等問題。

4.2.4 粘貼法

粘貼的材料主要有鋼板和碳纖維2種，原理基本一致，碳纖維抗拉強度極高，更輕量化，耐久性均優于鋼板法。但是碳纖維在增強結構剛度上不如鋼板明顯，造價較高，易被破壞。

4.2.5 體外預應力法

將預應力設置在結構體外側，并施加預應力，抵消部分自重及外荷載作用在橋梁結構上的內力，同時，對已開裂的裂縫還能起到閉合的作用，減少撓曲變形，提高橋梁的承載力。

5 結語

本文介紹了空心板梁橋的病害分布，從設計、施工、運營等角度對空心板梁橋底板開裂原因進行分析，根據橋梁所處階段提出了控制措施，即：對于待建橋梁，應適當提高底板厚度，以增加結構的剛度和鋼筋布置的空間，并在施工階段提高底板澆筑的質量；對于運營期的橋梁結構，應根據病害情況從技術、運營、經濟等角度制定治理措施。