淺析鋼筋混凝土橋梁裂縫的成因與預(yù)防

輝縣市公路管理局 郭青春

淺析鋼筋混凝土橋梁裂縫的成因與預(yù)防

輝縣市公路管理局 郭青春

本文對(duì)鋼筋混凝土橋梁裂縫的類型和產(chǎn)生原因做了較全面的分析總結(jié)，以便在設(shè)計(jì)和施工時(shí)有效控制裂縫的產(chǎn)生，達(dá)到防患于未然的目的。

裂縫種類 成因 分析 預(yù)防

混凝土是脆性材料，而鋼筋卻是韌性材料，它們兩者在一起工作，彈性模量相差很大，而且兩者的強(qiáng)度差別就更大，因此兩種材料在一起共同發(fā)揮作用，要使鋼筋參加工作，比較多的承受力，混凝土勢必開裂。大量的工程和理論分析表明鋼筋混凝土構(gòu)件基本上都是帶裂縫工作的。裂縫一般分成不可見裂縫和可見裂縫?？梢娏芽p又分為無害裂縫和有害裂縫。有害裂縫在使用荷載或外界物理及化學(xué)作用下不斷產(chǎn)生和發(fā)展，引起混凝土碳化，保護(hù)層剝落及鋼筋銹蝕，直至影響結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命，必須加以控制。

一、混凝土橋梁設(shè)計(jì)原理

我國現(xiàn)行的公路橋涵規(guī)范規(guī)定：橋梁應(yīng)根據(jù)所在公路的使用任務(wù)、性質(zhì)和將來的發(fā)展需要，按照適用、經(jīng)濟(jì)、安全和美觀的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些要求基本上包含了人們關(guān)心的所有重要問題。混凝土橋梁具體的設(shè)計(jì)過程是按承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)來進(jìn)行的。按承載能力極限狀態(tài)是控制結(jié)構(gòu)在喪失服務(wù)能力臨界狀態(tài)時(shí)的承載能力，其設(shè)計(jì)的基本原則是要求荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計(jì)值要小于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計(jì)值。同時(shí)利用荷載安全系數(shù)、材料安全系數(shù)及工作條件系數(shù)來考慮不確定因素作用下的結(jié)構(gòu)總體的安全儲(chǔ)備，是一種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。按正常使用極限狀態(tài)是控制結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)時(shí)應(yīng)力，裂縫和變形小于一個(gè)限定值，即使用容許裂縫寬度來控制混凝土構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有關(guān)規(guī)范規(guī)定：在一般正常大氣條件下，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在荷載組合Ⅰ的作用下，計(jì)算得到的最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.2mm；在荷載組合Ⅱ和Ⅲ作用下，不應(yīng)超過0.25mm；處于嚴(yán)重暴露情況（有侵蝕性氣體或海洋大氣）下的鋼筋混凝土構(gòu)件，容許裂縫寬度不應(yīng)超過0.1mm.

二、混凝土橋梁裂縫的成因分析及預(yù)防措施

隨著橋梁使用年齡的增加，車輛的超載現(xiàn)象不斷增加，會(huì)使細(xì)微裂縫不斷的擴(kuò)大，甚至?xí)嗔?，此時(shí)困擾橋梁工程師的最大問題是對(duì)裂縫的形成原因以及對(duì)鋼筋的腐蝕作用的進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)，并且作出全面分析，以避免和克服因?yàn)榱芽p引起的對(duì)橋梁使用性能的影響。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)在此方面的研究成果和工程實(shí)例的分析，混凝土橋梁的裂縫形成原因可大致梳理為以下幾個(gè)方面：

1. 混凝土用料選用不當(dāng)引起的裂縫。

（1）水泥品種、標(biāo)號(hào)及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高；普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。此外，水泥標(biāo)號(hào)越低、單位體積用量越大、磨細(xì)度越大，則混凝土收縮越大，并且發(fā)生收縮時(shí)間越長。例如，為了提高混凝土的強(qiáng)度，施工時(shí)經(jīng)常采用強(qiáng)行增加水泥用量的做法，結(jié)果收縮應(yīng)力明顯加大。

（2）骨料品種。骨料中石英、石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、長石等吸水率較小、收縮性較低；而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大、收縮性較高。此外，骨料粒徑大收縮小，含水量大收縮越大。

（3）水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收縮越大。

（4）外摻劑。外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。

2. 設(shè)計(jì)和施工不合理產(chǎn)生的裂縫。此類裂縫是我們?cè)诠こ虒?shí)例中發(fā)現(xiàn)最多的裂縫形式，許多橋梁設(shè)計(jì)人員往往只滿足于規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護(hù)、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計(jì)、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤等方面去加強(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的安全性。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足，冗余性?。挥械挠?jì)算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強(qiáng)度等級(jí)過低、保護(hù)層厚度過小、鋼筋直徑過細(xì)、構(gòu)件截面過薄。這些都削弱了結(jié)構(gòu)安全性，會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用。不少橋梁，雖然滿足了橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)度要求，僅用了5～10年就因?yàn)槌隽藛栴}影響結(jié)構(gòu)安全。例如我們發(fā)現(xiàn)在混凝土橋梁豎向有截面突變的地方（箱梁、T梁的腹板與頂?shù)装褰唤犹帲┖苋菀桩a(chǎn)生裂縫，研究分析結(jié)果顯示：混凝土在澆筑后發(fā)生水化反應(yīng)、泌水和大量水分蒸發(fā)，混凝土因失水而收縮，而骨料因重力影響向下沉降，但此時(shí)混凝土的強(qiáng)度和硬度都不高，骨料下沉?xí)r受到鋼筋的阻擋，便產(chǎn)生了沿鋼筋方向的裂縫。為避免此類裂縫的產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)階段要盡量避免截面突變的存在，不能避免時(shí)要做特殊的處理，可將突變截面做成漸變截面，同時(shí)適量的增加鋼筋數(shù)量；在施工時(shí)要注意振搗，最好是在變截面處分層澆筑。

3. 自然環(huán)境的影響產(chǎn)生的裂縫。自然環(huán)境的影響主要是溫差引起了混凝土的溫度梯度呈非線性分布，而混凝土構(gòu)件的位移又受到約束，導(dǎo)致局部應(yīng)力過大，從而出現(xiàn)了裂縫。一般失火、太陽曝曬、驟然降溫以及冬季施工均可能導(dǎo)致此類裂縫的發(fā)生。預(yù)防措施是在設(shè)計(jì)時(shí)重視溫度應(yīng)力，一些大跨徑的橋梁，溫度應(yīng)力往往是可以超過活載應(yīng)力的，另外就是杜絕冬季施工，因?yàn)榇藭r(shí)施工混凝土在初凝時(shí)受凍，成齡后混凝土強(qiáng)度損失可達(dá)30%～50%.

4. 荷載引起的裂縫。此類裂縫是混凝土橋梁在常規(guī)動(dòng)、靜荷載及次應(yīng)力作用下產(chǎn)生的，橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動(dòng)荷載，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，不但會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續(xù)的，實(shí)際上存在許多微小的缺陷，在循環(huán)荷載作用下，這些微缺陷會(huì)逐漸發(fā)展、合并形成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋不得到有效控制，極有可能會(huì)引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。早期疲勞損傷往往不易被檢測到，但其帶來的后果往往是災(zāi)難性的。

工程實(shí)例中此類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動(dòng)嚴(yán)重部位，且裂縫特征如下：

1. 受拉。裂縫貫穿構(gòu)件橫截面，間距大體相等，且垂直于受力方向。采用螺紋鋼筋時(shí)，裂縫之間出現(xiàn)位于鋼筋附近的次裂縫。

2. 受壓。沿構(gòu)件出現(xiàn)平行于受力方向的短而密的平行裂縫。

3. 受彎。彎矩最大截面附近從受拉區(qū)邊沿開始出現(xiàn)與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中和軸方向發(fā)展。采用螺紋鋼筋時(shí)，裂縫間可見較短的次裂縫。當(dāng)結(jié)構(gòu)配筋較少時(shí)，裂縫少而寬，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生脆性破壞。

三、結(jié)語

混凝土橋梁產(chǎn)生裂縫的產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，工程實(shí)例中雖然允許微小裂縫產(chǎn)生的，保證不出現(xiàn)裂縫也是較難實(shí)現(xiàn)的，但是我們要盡量減少因?yàn)樵O(shè)計(jì)疏漏、施工低劣、監(jiān)理不力、運(yùn)營管理不力等諸多人為因素所產(chǎn)生的裂縫擴(kuò)展，從而保證橋梁不會(huì)因?yàn)榱芽p擴(kuò)展導(dǎo)致鋼筋腐蝕、脆性斷裂等病害發(fā)生。