淺析施工和使用中鋼筋混凝土橋梁裂縫防治

吳 俊

（山西省交通建設工程監(jiān)理總公司）

混凝土為脆性材料,抗拉強度僅是抗壓強度的1/10左右,具有易開裂的缺點。實際上幾乎所有混凝土構(gòu)件均是帶裂縫工作的。只是有些微裂縫很細很淺,肉眼甚至看不見,對結(jié)構(gòu)功能無大危害而允許存在；但有些裂縫在使用荷載和外界物理、化學因素作用下會不斷擴大而發(fā)展為可見裂縫,引起混凝土碳化保護層剝落,強度和剛度受到削弱,耐久性降低,嚴重的會引起結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋銹蝕,降低結(jié)承載力,危害結(jié)構(gòu)的正常使用。從固體強度理論可知,裂縫擴展是結(jié)構(gòu)物破壞的初始階段,因此,從該環(huán)節(jié)入手對裂縫種類及成因進行分析,是有助于進一步提高橋梁工程質(zhì)量的。

1 混凝土橋梁的裂縫種類及形成原因

橋梁產(chǎn)生的裂縫主要分為溫度裂縫、收縮裂縫、結(jié)構(gòu)裂縫、凍脹裂縫、基礎變位裂縫、鋼筋銹蝕裂縫及施工裂縫等。

（1）溫度裂縫

當外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化時,結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應力超過混凝土抗拉強度時即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨境橋梁中,溫度裂縫不是瞬間發(fā)生的,是在一段時間內(nèi)緩慢發(fā)生的。引溫度變化的因素有下列幾項。

①水化熱。大體積混凝土硬化期間由于水泥水化放熱,當內(nèi)外溫差過大時就會導致表面出現(xiàn)裂縫。

②年溫差。四季溫度不斷變化,導致橋梁產(chǎn)生縱向位移,當結(jié)構(gòu)縱向受到限制時就會引起溫度裂縫。

③溫度驟然升降。梁體頂面受太陽暴曬后內(nèi)溫變化相對表層較慢而產(chǎn)生溫度梯度,導致局部拉應力較大,出現(xiàn)裂縫。日照荷載可使梁體產(chǎn)生大量的縱向裂縫,是形成裂縫的常見原因。

④施工工藝。蒸汽養(yǎng)護或冬季施工時構(gòu)件降溫過快而出現(xiàn)裂縫,多為拆模后養(yǎng)護不夠。

（2）收縮裂縫

主要指前期的塑性收縮和后期的干縮產(chǎn)生的裂縫。

（3）結(jié)構(gòu)裂縫

又稱荷載裂縫,主要指由外部荷載引起的直接應力及次生應力產(chǎn)生的裂縫,產(chǎn)生原因主要有如下方面。

①設計階段。勘察階段現(xiàn)場調(diào)查不到位或不準確、計算模型不合理、荷載少算或漏算、常規(guī)計算方法無法準確模擬構(gòu)件局部應力集中的地方等。

②施工階段。施工荷載超出設計標準,施工工藝不符合規(guī)范,不按設計圖紙施工,擅自改變施工順序,改變結(jié)構(gòu)受力模式。

③使用階段。大量超出設計荷載的重型車輛偶爾通過或長期作用,常見的結(jié)構(gòu)裂縫主要有受彎裂縫、受剪（斜）裂縫、受扭裂縫及受拉、壓裂縫。

（4）凍脹裂縫

氣溫低于0℃時,吸水飽和的混凝土出現(xiàn)凍脹,使得混凝土體積膨脹產(chǎn)生膨脹應力,導致混凝土出現(xiàn)開裂。

（5）基礎及支架變位裂縫

由于基礎豎向不均勻沉降或產(chǎn)生位移,使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應力,當超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力時,就會導致結(jié)構(gòu)開裂,特別是大橋、特大橋或重要結(jié)構(gòu),要對其應力、變形值有針對性的施工監(jiān)測控制,來保證結(jié)構(gòu)物的強度和穩(wěn)定。

（6）鋼筋銹蝕裂縫

當混凝土質(zhì)量較差或保護層厚不足時,至鋼筋發(fā)生銹蝕產(chǎn)生膨脹應力,導致混凝土保護層開裂、剝離。嚴重銹蝕可造成鋼筋有效面積減小,結(jié)構(gòu)承載力下降。

（7）施工裂縫

主要由材料質(zhì)量或施工質(zhì)量差引起的裂縫。

2 結(jié)構(gòu)裂縫的計算

我國現(xiàn)行橋規(guī)給出了矩形、T型和I字型截面鋼筋混凝土受彎構(gòu)件最大裂縫寬度計算公式,對其它受力構(gòu)件（軸心受拉、偏拉、偏壓構(gòu)件）和其他截面形式（圓形）沒有明確的規(guī)定和可參照的計算公式。

（1）我國現(xiàn)行《公路工程橋梁設計規(guī)范》最大裂縫寬度的計算公式

在使用荷載作用下,受拉鋼筋應力簡化計算公式

（2）對公示的幾點理解

①考慮到矩形、T型和I字型截面幾何形狀相近,配筋方式相同（鋼筋集中布置于受拉區(qū)）,建議對這些截面受彎、受拉、偏心受拉、偏心受壓構(gòu)件最大裂縫寬度統(tǒng)一按上面公式進行計算。

②嚴格來講,σg指的是受拉區(qū)最外緣鋼筋所受拉應力,而公示（2）所求σg為受拉鋼筋重心處應力,當鋼筋層數(shù)較少時（2～3層）,二者差別很小,當鋼筋層數(shù)較多時（4～5層）,則需乘以大于1的系數(shù)予以修正。

③圓形截面沿圓周均勻布筋,在荷載作用范圍內(nèi)主要靠拉區(qū)最外緣螺紋鋼筋（1～2根）對裂縫起限制作用,而接近中性軸的螺紋鋼筋受力較小不能充分發(fā)揮作用,因此公式（1）應予以修正,否則偏于不安全。

3 橋梁主要裂縫的形狀及位置

通過觀察裂縫形狀及位置,準確地辨析出裂縫種類,對分析橋梁裂縫具有重要意義。通常有以下幾種。

（1）主要構(gòu)造縫

裂縫寬度由受力區(qū)向非受力區(qū)逐漸變窄直至消失,呈一端寬一端細的形狀,包括：

①受彎裂縫。彎矩最大截面附近從受拉區(qū)邊緣開始出現(xiàn)與手拉方向垂直的裂縫,并逐漸向中性軸方向發(fā)展,此類裂縫常出現(xiàn)在簡支橋梁上,主要集中在跨中受拉區(qū),裂縫為貫穿梁板的U形裂縫。對于連續(xù)梁則常出現(xiàn)在支點處的頂板負彎矩區(qū)。

②受剪裂縫。沿梁端（支點處）中下部梁板側(cè)面出現(xiàn)約45°方向相互平行的斜裂縫。

③受扭裂縫。構(gòu)件一側(cè)腹部先出現(xiàn)多條呈45°的斜裂縫,并向相鄰面及螺旋方向展開,多出現(xiàn)在彎連續(xù)箱梁中。彎連續(xù)箱梁的受力比較復雜,裂縫經(jīng)常是由彎矩、剪力、扭矩共同作用的結(jié)果,其結(jié)構(gòu)裂縫最易出現(xiàn)在支點附近1/3跨徑范圍內(nèi),一般多從箱梁翼板與腹板連接處開始,逐次向兩翼發(fā)展,尤以翼板底面為最重。

（2）溫度裂縫

裂縫寬度中間較寬,向兩邊逐漸變窄直至消失,類似棗核形,區(qū)別與其他裂縫的最主要特征是隨溫度變化的擴張或合攏,出現(xiàn)夏天寬冬天窄和晝寬夜窄的開合現(xiàn)象,溫度裂縫多出現(xiàn)在主梁的腹板側(cè)面及翼板下緣,支點和跨中處也有可能出現(xiàn)。

（3）收縮縫

混凝土收縮縫一般屬表面微裂縫,裂縫寬度較細,且縱橫交錯,成龜裂狀,形狀沒有規(guī)律。

4 橋梁裂縫的主要解決措施

鋼筋混凝土橋梁裂縫成因復雜繁多,甚至多種因素相互影響,但每條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要原因?，F(xiàn)實中普通鋼筋混凝土橋梁裂縫主要為溫度裂縫,個別的也會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫和收縮裂縫,出現(xiàn)裂縫的結(jié)構(gòu)主要為橋面鋪裝和主梁或蓋梁。

（1）橋面鋪裝裂縫

①若橋面鋪裝鋼筋網(wǎng)位置偏低,混凝土較厚的地方與下層鋼筋沒有足夠的握裹力,容易引起鋪裝層的開裂,對較厚的鋪裝層,可設上下兩層鋼筋。

②大面積橋面混凝土澆筑順序要合理安排,并加強鋪裝混凝土與梁頂混凝土之間的連接。

③添加纖維及添加劑,來增加混凝土的抗裂性能。

（2）梁體裂縫

①構(gòu)造縫。主梁腹板的主筋一般比較合理,而主梁翼板鋼筋容易被忽略,應加強翼板頂面及底面的鋼筋；增加橫隔梁的剛度及數(shù)量,提高梁體的橫向剛度；避免主梁斷面的突變,盡量采用漸變方式,如無法避免則局部加強鋼筋；現(xiàn)澆主梁或蓋梁時要保證臨時支架的剛度和穩(wěn)定。

②溫度和收縮縫?，F(xiàn)澆連續(xù)箱梁較容易出現(xiàn)溫度裂縫。在橋梁施工中混凝土材料構(gòu)成及施工養(yǎng)護方法則是形成溫度裂縫的主要因素。溫度應力往往和混凝土的干縮應力共同作用形成裂縫,而且混凝土的徐變會使溫度應力有較大的松弛,所以很難準確計算出溫度裂縫的分布和大小。主要防治措施：

a在滿足規(guī)范的前提下,盡量減少水泥的用量,以減少混泥土的收縮；添加減水劑和防裂劑能有效減少混凝土中水和水泥的用量,盡量選擇水化熱低的水泥品種,混凝土的早期膨脹大則后期的收縮就大,可有條件地選擇能降低混凝土膨脹率及后期收縮的添加劑。

b盡量降低拌和料的溫度,熱天澆注時盡量選低溫時間進行,合理安排澆筑順序,結(jié)構(gòu)較厚時宜分層澆注。

c加強振搗,必要時可以采用兩次震搗,以增加混凝土密實度,提高強度和抗裂性能。

d加強養(yǎng)護,適當增加構(gòu)造筋數(shù)量,最好選擇小直徑鋼筋小間距布置,可有效地提高混凝土的抗裂性能；保證合理的鋼筋凈保護層厚度；設計中盡量避免構(gòu)件截面厚薄差別過大。

5 橋梁在使用過程中出現(xiàn)裂縫的救治

施工中出現(xiàn)的裂縫一般都會被及時發(fā)現(xiàn)并采取補救措施,橋梁的主要裂縫是在橋梁使用過程中出現(xiàn)的溫度裂縫和收縮裂縫,通過對多座建成不久即出現(xiàn)裂縫的橋梁進行分析,發(fā)現(xiàn)主梁使用初期出現(xiàn)的溫度裂縫往往是因為施工中養(yǎng)護不當所致,這種裂縫一般都是慢慢出現(xiàn)的,屬于淺層裂縫,開始時裂縫比較稀比較細,不會影響主梁的正常使用,但裂縫會逐漸發(fā)展,需要注意對裂縫的發(fā)生和發(fā)展進行觀察。一般通車半年后裂縫才會逐漸穩(wěn)定,若出現(xiàn)較大面積裂縫,且大部分裂縫寬度達到0.15㎜以上時就要及時采取措施,否則會對結(jié)構(gòu)的強度和耐久性造成一定影響,這種淺層裂縫一般可用高強粘結(jié)劑PCI環(huán)氧砂漿填壓封閉處理。

6 結(jié)語

裂縫成因很多,只要科學合理的設計,采用合格的材料,規(guī)范施工,精心養(yǎng)護,橋梁裂縫基本上是可以避免的。

[1]公路橋涵設計通用規(guī)范（JT GD 60-2004）[M].人民交通出版社,2004.

[2]張克波.鋼筋混凝土與磚石結(jié)構(gòu)[M].機械工業(yè)出版社,2003.

[3]姚玲森.橋梁工程[M].人民交通出版社,2008.