第1章 绪论

19世纪30年代水泥问世以来，钢筋混凝土结构逐渐在各类工程中得到广泛应用。经过长时间的发展和改进，钢筋和混凝土已成为现代工程结构所使用的主要材料。据有关统计，仅在中国，每年的混凝土用量就达到10亿立方米，钢筋的用量达2000万吨，每年工程建设中混凝土结构的耗资达2000亿元以上，由此可见钢筋混凝土结构使用的广泛性。

1867年英国建成世界上第一座素混凝土铁路拱桥以来，在130多年的发展历程中，混凝土桥梁经历了从素混凝土桥、钢筋混凝土桥、部分预应力混凝土桥到全预应力混凝土桥四个发展阶段。在目前所有使用的桥梁中，有数据表明混凝土桥梁的数目占到桥梁总数的50%以上，尤其在中国，这个比例甚至占到90%以上。在桥梁的使用中，旧桥承载力不足、老化、破损是世界范围的难题。这是由于桥梁在运营过程中除了承受恒载作用外，还要越来越多的承受交通车辆重复荷载的作用，现在随着车辆总数的不断增加，荷载水平越来越高，加之桥梁养护方面的疏漏，桥梁的破坏问题也越来越突出。

美国20世纪80年代初的调查结果显示，当时全美共有566000座公路桥梁，通过对其中514000座桥梁进行调查，发现有40%以上的桥梁都有不同程度的损坏，98000座桥梁结构强度降低，只能停止或限载通行，102000座桥梁行车道过窄，桥下净空不够或承载力不足。由于桥梁陈旧老化、失修，塌桥事故不断发生。

德国曾于20世纪70年代末对一个州的1500座钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土公路桥梁做了全面检查，结果发现：钢筋混凝土桥龄在50～60年的，有27%的桥梁至少有一处严重损伤，64%至少有一处重要损伤，77%至少有一处中等损伤；桥龄在30～35年的，有13%的桥梁上部结构至少有一处严重损伤，37%至少有一处重要损伤，53%至少有一处中等损伤；桥龄在20～30年的，有8%的上部结构至少有一处严重损伤，24%至少有一处重要损伤，46%至少有一处中等程度损伤。预应力混凝土桥梁的损伤情况比钢筋混凝土桥梁更严重，20～30年桥龄的预应力混凝土桥梁，有将近50%的桥梁上部构造至少有一处重要损伤，其中2/3至少有一处中等损伤。

欧洲的道路结构同样趋于老化，交通的超负荷和恶化的环境引起桥梁结构退化，且这种退化会由于高频率的维修和承载能力的减少而显著加剧。欧洲大多数国家主要高速公路的建造现已告一段落，他们正将精力转向对现有设施的维修。把道路网络维修到令人满意的程度，其工程造价是很高的。在欧洲的一些国家中桥梁维修的工程造价评估为：法国120亿欧元，英国230亿欧元，西班牙41亿欧元，德国30亿欧元。它们一般占道路网长度的2%，造价的30%（以1996年的价格水平为准。为节省政府财政开支，英国只在桥梁被评估为不安全时才进行详细评定和修复、加固或置换桥梁退化的构件。即使如此，英国用于国有桥梁的养护和维修的年开支也达到1.8亿欧元，法国为0.5亿欧元，挪威为0.3亿欧元，西班牙为0.13亿欧元。而且国有桥梁仅仅占桥梁总数的一小部分（法国约占10%，挪威约占50%）。若大量建于20世纪60～70年代的桥梁开始退化后，这些花费还要增加。

随着日本20世纪50年代至70年代初的高速经济增长，其社会基础设施建设也得到了急速的发展。其中，在公路桥梁的建设方面，普遍采用了易于设计和施工的钢筋混凝土桥面板（以下简称RC桥面板）。但是，随着近年来日本交通量及车辆载重的不断增加，有关桥面板损伤、劣化的报告也不断涌现。

日本RC桥面板损伤的桥梁，大多是依据1956年和1964年颁布的《钢公路桥设计规范》设计建造的。当时，正是日本汽车交通量激增以及汽车自身重量增大的时期，上面所提到的规范在负筋的配筋、板厚度、支撑板的横梁刚性以及板的施工等方面都存在需要改进之处。基于此，1967年开始实施的《钢公路桥钢筋混凝土单向板的负筋设计要领》中，将负筋的数量提高到了主筋的70%以上。接着，1968年颁布的《关于钢公路板设计的暂定指针（试行）以及施工注意事项》中，将设计中一直沿用的板最小厚度作了修订。在随后的20～30年中，日本主要针对RC桥面板的设计弯矩作了数次修订。1971年实施的《钢公路桥钢筋混凝土板的设计》规定，板设计中要考虑主筋方向对于构造钢筋方向的设计弯矩。并且以每天单方向通过1000台大型车辆作为假定进行设计，将设计弯矩提高了20%。到了1978年，《公路桥钢筋混凝土板的设计施工指针》开始得以发行。1993年修订的《公路桥规范〈I共通篇〉》中将T荷载加以修订，《II钢桥篇》中规定板的设计弯矩以10tf的轮荷载为依据进行计算。经过上述一系列指针、规范等的修订，20世纪80年代中期以后建造的RC桥面板所发生的损伤事故较以前有了明显地减少。

很长一段时间以来，日本RC构造物的设计一直沿用1931年日本土木学会制定的许容应力度设计法。到了20世纪50年代中后期，以美国为首的欧洲各国开始采用极限强度设计法，这一方法在全世界得到了广泛应用。经过这一系列的变迁，日本于1986年实施的混凝土标准规范中，又提出了新的设计方法——限界状态设计法。时至现在，仍有很多设计采用限界状态设计法。1969年，日本土木学会成立了极限强度设计小委员会，开始了对这一设计方法的调查研究。1995年，着手准备将混凝土标准规范由原来的“式样书规定型”向“性能检查型”转变。之后，在2002年修订的混凝土标准规范中，全部实现了“性能检查型”的设计方法。目前，日本RC构造物的设计在立足于许容应力度设计法的同时，也在验证上述方法的实用性，另外还从耐震的观点出发研究在设计中考虑极限耐力的影响。

日本现役桥梁的4%都建于其经济高速增长期，在未来的20年内，其中大部分桥梁的使用年限将达到50年，即一般桥梁的设计使用寿命。由此，考虑构筑物使用后期的维护管理及LCC （生命周期成本）的设计与施工备受关注。日本国土交通省（相当于各国的交通部）更是把“道路资产管理”定义为“在道路管理中将桥梁、隧道、铺装等视为道路资产，包括治理其使用阶段的损伤、劣化在内的最佳费用效果的维护管理”，并且极力构建道路管理系统。日本桥梁设计人员非常注重桥梁的实用性和简洁美，以结构为主辅助适当的修饰，在设计上成为与自然和谐统一的景观，重视桥梁设计建设中对自然环境和社会环境影响的评估与论证，运用全生命周期效益分析方法，力争使每座桥梁都能做到功能适用性、环境协调性和结构安全性的高度统一。

针对台风、地震等恶劣环境因素，日本桥梁设计人员采用先进的抗风、抗震设计方法，通过充分的模型实验和工艺研究，保证大桥抵御自然灾害的能力。目前，日本高架桥中的多层桥多（一般3～4层，有的5层以上）、高桥多（高度有的达50米以上）。日本人非常注重知识积累和成果共享，并在很大程度上实现了资源和成果的全国性共享，使得研究工作的效率和效益得到极大提高，有利于技术的进步和发展。很多有代表性的桥梁都运用先进的声光与数字电子技术建立了“桥梁博物馆”，集工程经验总结与推广、技术交流、科普教育、旅游观光等多项功能于一体，将宏伟而高深的桥梁建筑技术生动形象地展示给普通民众。

过去的20年中，中国开展了全球规模最大的交通基础设施建设，建成一大批结构新颖、技术复杂、设计和施工难度大、科技含量高的现代化桥梁。但材料的自然老化、车辆荷载的不断增加、日益恶化的环境的影响以及养护维修缺乏，相当一部分桥梁不可避免地出现各种损伤和缺陷，安全储备不足，近年来桥梁服役过程中垮塌事故时有发生。

中国在桥梁设计过程中，存在着考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态不重视使用极限状态；重视桥梁结构的建造而忽视其检测和维护，使结构安全性存在不同程度的隐患和缺陷。凤懋润教授在2012武汉国际桥梁科技论坛上指出，中国的建桥理念，要从“尽快建成”转为“尽量建好”，更注重桥梁质量。混凝土结构中，刚度、强度、疲劳寿命是结构使用的三个基本要求。

中国幅员辽阔，山地众多，因此桥梁在基础设施建设中的应用也十分普遍。随着使用时间的推移，目前大量桥梁已经存在性能的疲劳损伤，如不加以控制和改善，在未来的一段时间内，将有大量桥梁提前达到使用寿命。据广东省相关部门统计，至2000年，广东省内共有1.87万座公路桥，由于各类损伤的发生而造成三四类不良状况的桥梁有4244座，占总数的22.7%。随着桥梁的逐渐老化，再加上有些桥梁的设计、施工、运营、养护管理措施不力，这将进一步加速缩短桥梁的使用寿命。

自1999年9月22日国家实施西部大开发战略以来，截至2013年年底宁夏公路通车里程达2.85万公里，新增2032公里，同时随着桥梁技术的不断发展，黄河作为“天堑”的时代已然终结。全区先后建成银川黄河辅道大桥、吴忠黄河公路大桥等4座横跨黄河的公路大桥，公路大桥数量达到10座，桥梁密度居黄河、长江流经的省份之冠。目前黄河流经宁夏境内397公里的河道上，平均不到40公里就能看到一座飞架于黄河之上的大桥。“十二五”期间宁夏回族自治区交通投资立足满足经济社会发展的要求，将以每年25%的速度增长。按照这个投资规模计算，“十二五”期间全区交通投资确保完成540亿元，力争完成800亿元，由此可预见全区桥梁保有量将持续增加。按照2012年9月《国务院关于宁夏内陆开放型经济试验区规划的批复》，国家将加大对宁夏道路桥梁等基础设施建设的投资力度。

桥梁是连接现代交通建设的咽喉，既要保证桥上交通的顺利运行，也要保证桥下水流的宣泄、船只的通航。据统计宁夏境内总共有1000多座桥梁，危桥已超过1/10。有关部门一直在修路修桥，但维修的速度往往没有损坏的速度快。究其原因：一是受宁夏寒旱区盐碱地质环境的影响，宁夏混凝土损伤劣化速度明显高于中国其他地区，干燥的气候环境也对混凝土桥梁后期材料性能的发展带来较大的影响。二是宁夏境内很多桥梁设计标准低，加之近几年重型车辆频繁碾压，桥梁不堪重负，导致很多桥梁钢筋混凝土桥梁板构件出现裂缝，并且有继续扩张趋势，局部地方钢筋外露，存在很大的安全隐患，进而引起桥梁突然坍塌事件。然而桥梁倒塌事故会造成恶劣的社会和经济影响，造成生命财产损失，且修复也需要巨大的经济投入；影响交通的正常运行和人民群众的正常生活；影响全区与其他地区的经济发展，从而影响全区经济发展和社会安定团结。

桥面板作为桥梁的上部结构，直接承受着来往的车辆荷载，而且桥面板与桥梁其他构件十分不同的一点就是桥面板内并不施加预应力。因此，桥面板更容易在车辆荷载的作用下发生疲劳破坏。桥面板的疲劳破坏形式多为裂缝和在板上产生漏洞，这些都对来往的车辆的安全行驶带来不利影响。例如较大较深的裂缝会造成车辆在行驶时的“跳车”现象，导致车辆的翻转。山东省101省道上的禹城王桥桥面板断面型式为矩形空心板，板高65 cm，由于长期承受车辆荷载，加之养护不利，板的侧面多有裂缝、露筋现象，混凝土的保护层磨损严重，不得不进行翻修维护；2002年1月中旬，成渝高速公路的濑溪河大桥右幅桥面板产生严重裂缝，积水渗漏严重。桥面横置板间裂缝达53条（占全桥35%），最大裂缝发生横置板的跨中挠度最大处达3 cm以上，桥面变形及振动异常明显；浙江省仙居县县道大战大桥桥面板长期承受来往荷载作用下破坏严重，隆起达50 cm。

为了实现上述的维护管理，设计、施工及管理中正确把握RC桥面板的强度及耐用年限十分必要。因交通荷载引起公路桥RC桥面板的疲劳损伤事例屡见不鲜，损伤严重的板甚至会发生冲切破坏，导致混凝土与板分离而剥落。鉴于RC桥面板的实际受力情况，可通过反复移动荷载作用下的疲劳试验来考察其受力及耐久性能。但是，考虑移动荷载和疲劳荷载等模拟实际交通荷载之前，明确桥面板在静荷载作用下的破坏机理十分必要。

RC桥面板发生损伤时，首先表现为板下方沿主筋长度方向发生裂缝，然后沿与主筋垂直方向继续开裂。水分沿裂缝浸入混凝土内部后与钢筋接触，将会加速板的破坏，最终导致部分路面混凝土剥落。导致其损伤的原因除了汽车交通量及汽车重量的增加外，还包括主要受力钢筋配筋不足、板厚度不足、主梁间距过大、支撑主梁及纵梁的挠曲变形等的影响，以及板厚度及钢筋位置的误差、混凝土养护不足等施工管理上的因素。

关于RC桥面板的冲切破坏机理的研究，除包含RC梁的相关问题外，还包括其复杂的弯矩分布、力的平衡条件受多种因素制约、因弹性约束引发的板面内力不明确等因素，直至现在仍缺乏完整的认识。其中，斜裂缝的进展趋势、板面内力的发生状况及效果、钢筋抗剪效果的影响，板屈服域进展的定量化等急需在今后的研究中予以探讨。所谓钢筋抗剪效果，指的是虽然在设计时板中的钢筋按线材考虑只承受轴向荷载拉力，但因钢筋具有抗剪刚度，板发生裂缝时钢筋弯曲同时抗剪刚度会抵消部分裂缝的进展。另外，在过去的研究中，混凝土强度、荷载领域尺寸、板厚、钢筋及钢筋强度、柱的形状尺寸及对板的约束效应等对板的冲切破坏强度的影响已经得以明确；但实际板的破坏过程中，这些因素不是单纯的互相叠加，而是相互关联、相互影响的。为了进一步探讨RC桥面板的冲切破坏机理，有必要通过深入研究提出综合考虑其各种影响因素的冲切强度计算公式。在集中荷载作用下，作为公路桥主要构成部分的RC桥面板一般会发生部分区域的冲切破坏，其设计强度由最终承载力决定，这一点与楼板等结构相类似。基于此，通过恰当的方式推定RC桥面板的冲切强度十分必要。西方研究者很早就开始了有关RC桥面板冲切强度的研究，截至目前，已经有诸多研究成果发表。目前，各国研究者在大范围内探讨影响RC桥面板强度的因素的同时，提出了不同的RC桥面板的破坏机理及承载力计算公式。

但是，与RC梁的破坏机理相比，RC桥面板因受更多因素的影响，其破坏机理十分复杂。当钢筋混凝土构造物受拉区混凝土出现裂缝时，因钢筋与混凝土之间存在摩擦抵抗，仍可以保证钢筋与混凝土发挥其材料性能。因此，相对于其他构造材料，有关RC构造物承载力的研究更为复杂。特别是受三次元外力的钢筋混凝土板，因其受到复杂内在与外在因素的影响，理论推导其结构承载力十分困难。在使用阶段，加之各影响因素间的相互作用，钢筋混凝土板的破坏机理更为复杂。由以上分析可见，虽然诸多相关研究结果已问世，但其中仍有大量内容需要进一步探讨。

综上所述，对承受荷载作用的混凝土桥梁结构保证其具有足够的寿命，在使用期间不发生突然破坏，对结构的整体安全性的探讨具有十分重要的意义。桥梁的关键构件，如桥面板的破坏是桥梁破坏问题的一个重要方面。因此，重点对桥面板进行材料性能和承载能力的评估，确定损伤的位置和程度，预测其疲劳寿命，必要时采取相应的加固措施，是确保桥梁安全和正常使用，保证桥梁的承载能力、通行能力及良好的工作状况的前提。

过去关于RC梁在剪切力作用下的研究，主要着眼于抵抗剪切力的各种因素，如：受压区域的混凝土、受拉区域钢筋抗剪效果、粗骨料的咬合作用以及剪切补强筋等。其中，与混凝土强度对RC桥面板冲切强度的影响的相关研究相比，对骨料造成的影响的研究鲜有报道，研究也不够深入和明确。

粗骨料的最大尺寸对RC梁剪切强度的影响不仅取决于粗骨料的咬合作用，还应考虑混凝土强度的共同作用。另外，粗骨料最大尺寸与构件断面尺寸的相对关系也受粗骨料的咬合作用的影响。对于小断面构件，粗骨料尺寸越大其咬合作用的影响就越大。若将断面尺寸视为有效高度，则有效高度越小，粗骨料的咬合作用的影响越大。但过去的研究中并未提及粗骨料最大尺寸与构件断面的相关关系。基于此，本书把粗骨料最大尺寸对RC桥面板冲切强度的影响作为研究目的之一。

在考虑RC桥面板的冲切承载力时，一般只认为受拉区域钢筋的抵抗作用有效，换言之由配筋率及屈服强度为出发点考虑其承载力。过去的研究指出，RC桥面板发生剪切破坏时，位于开裂区域的钢筋因其抗剪效果可承担其抗剪强度的20%～30%，但也有研究指出此位置的钢筋几乎并无此作用。通过观察RC桥面板的冲切实验可知，在RC桥面板未完全破坏之前，RC桥面板的上部也会出现贯通的裂缝，所以，抗剪效果不只局限于受拉区域的钢筋，可能还与受压区域内的钢筋有关。因此，在本书中，也探讨了受压区内的钢筋量对RC桥面板冲切强度的影响。

另外，为抑制盐腐蚀对公路板的破坏，《公路桥规范》中提出要增加钢筋保护层的厚度，但包括钢筋保护层的厚度在内，关于最小板厚度的规定仍未得到进一步明确，仍旧沿用过去的数值。此外，在国内外的规范及指针中，都没给出考虑了冲切强度的板厚度计算公式，几乎所有的规范及指针中都沿用了有效高度的计算公式。日本土木学会发行的《混凝土标准规范》中也规定使用有效高度计算板的冲切强度，并未考虑板的总厚。但如果钢筋保护层的厚度增加，板的冲切强度也势必增大。截至目前，大多数研究者所提出的RC板冲切强度的计算公式，都是以1984年松井等提出的考虑钢筋保护层厚度影响的计算公式为基础演化而来，但松井等提出的公式的使用范围仅限于保护层厚度在10mm～40mm范围内的板。因此，保护层厚度在40mm以上的板并不适用。针对这一状况，本书将深入讨论与评价受拉区域钢筋保护层厚度对RC板静定冲切强度的影响。

因为RC桥面板的冲切强度计算公式无统一规定，所以设计、施工及科研中采用的公式不尽相同。几乎所有的公式都包含了混凝土强度、有效高度、承压板尺寸3个参数。虽然存在粗骨料最大尺寸及保护层厚度对板冲切强度的影响的相关研究，但现有的RC桥面板冲切强度计算公式大都没有涉及这两项因素。因此，应通过具体实验，考察粗骨料最大尺寸、受压区域配筋率及钢筋保护层等参数变换的情况下现有计算公式的适用性。

综上，在本书中，首先收集了国内外文献尤其是日本山口大学结构研究室多年来报道的有关RC桥面板的427例实验数据。[]]在处理分析所收集数据的基础上，集中评定了现有RC桥面板冲切强度计算公式的妥当性，并分析了现有计算公式中各参数的有效应用范围。其次，以粗骨料的最大尺寸、受压区域配筋率及钢筋保护层为参数进行了RC桥面板的静定冲切实验，具体考察了3个因素对RC桥面板冲切强度的影响。

本书包含绪论在内，共由7部分构成，如图1-1所示，各章内容如下：

第1章 本书的研究背景、研究目的及全书的构成。

第2章 目前为止板的相关研究结果及有关RC桥面板冲切强度的研究现状和计算公式的评价、论述。

第3章 阐述板的相关数据库建立的必要性，并介绍了国内外有关RC桥面板冲切强度实验的具体内容。

第4章 现行RC桥面板冲切强度计算公式精度的评价，分析有代表性的计算公式的特点。

第5章 根据本书的实验结果，提出新的RC桥面板冲切强度的简易计算公式，并分析其适用性。

第6章 考察粗骨料最大尺寸、受压区域配筋率及钢筋保护层厚度等三方面因素对本书所提出的计算公式的影响。

第7章 研究结论及研究展望。

附录：列举了在国内外文献中所收集的实验数据，使用现有RC桥面板冲切强度的计算公式算出的结果。