混凝土橋梁裂縫診斷分析

馬紅平 鄧 海 雷建平

（1.十堰市興路工程咨詢有限公司 十堰 442000；2.武漢理工大學(xué) 武漢 430063）

混凝土結(jié)構(gòu)由于其用料省、施工快、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為高速公路橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式。但是，隨著混凝土結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用，其自身存在的一些問題也逐漸暴露出來，其中最為明顯的是裂縫問題?；炷两Y(jié)構(gòu)在施工及使用過程中會(huì)受到各種因素的影響，從而出現(xiàn)各種原因引起的裂縫，這在一定程度上制約了混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。如果對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫判斷不明，處理不當(dāng)，還會(huì)帶來了許多其他方面的問題。

1 裂縫產(chǎn)生的原因

1.1 間接作用引起的裂縫

（1）混凝土收縮。混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)體積減小的現(xiàn)象稱為收縮，共分為4類：塑性收縮、縮水收縮、自生收縮和碳化收縮。當(dāng)收縮受到約束而產(chǎn)生的拉應(yīng)變大于當(dāng)時(shí)混凝土的極限時(shí)拉應(yīng)變就會(huì)產(chǎn)生與拉應(yīng)力方向相垂直的裂縫。其裂縫形態(tài)表現(xiàn)為：大部分表面裂縫寬度較細(xì)，且縱橫交錯(cuò)，成龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律。

（2）溫差引起的約束應(yīng)力。影響結(jié)構(gòu)溫度的因素主要有水泥水化熱和外界環(huán)境溫度的變化。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨著溫度變化將產(chǎn)生熱脹冷縮變形，這種溫度變形受到約束時(shí)，在混凝土內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度極限值時(shí)，即會(huì)引起混凝土裂縫。溫度裂縫從性質(zhì)上來說與收縮裂縫同出一轍。裂縫產(chǎn)生的部位、狀態(tài)、發(fā)展、影響等基本相同，只不過收縮裂縫表現(xiàn)為自身體積的減?。ㄊ湛s），而溫度裂縫則是由于熱量和溫差引起體積變化（熱脹冷縮）而已［1］。

（4）設(shè)計(jì)和施工的缺陷。結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)不合理，構(gòu)造做法失當(dāng)，使結(jié)構(gòu)剛度突變、體型比例失調(diào)或應(yīng)力集中而引發(fā)裂縫。結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符，設(shè)計(jì)斷面不足、鋼筋偏少，都可能使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度不足，從而引發(fā)裂縫。此外，施工期間因材料和工藝缺陷也會(huì)引發(fā)裂縫，如水灰比過大，硬化收縮量增加；更改結(jié)構(gòu)施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力模式；不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，隨意翻轉(zhuǎn)、起吊；混凝土澆筑過快，硬化后沉實(shí)過大；模板剛度不足，初期變形過大；拆模過早，強(qiáng)度不足等。

（5）耐久環(huán)境作用。與混凝土成型早期出現(xiàn)的收縮裂縫不同，有些裂縫是在環(huán)境長期作用后產(chǎn)生的，一般稱為耐久性裂縫，主要有以下幾種類型：

①鋼筋銹脹裂縫。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫與鋼筋的腐蝕相互作用。裂縫會(huì)增加混凝土的滲透性，使鋼筋的腐蝕加重。另一方面鋼筋腐蝕后，腐蝕產(chǎn)物體積膨脹，使混凝土保護(hù)層沿縱筋方向出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重者混凝土保護(hù)層會(huì)完全脫落?；炷林袖摻畋韺咏?jīng)腐蝕成鐵銹后，體積可增大幾倍，擠壓其外側(cè)混凝土并使之產(chǎn)生垂直于徑向脹壓力的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度就會(huì)在混凝土保護(hù)層上引發(fā)順沿鋼筋的縱向裂縫。

②堿骨料反應(yīng)裂縫?；炷翂A骨料反應(yīng)裂縫主要是指水泥中的堿（Alkali）與骨料中的活性二氧化硅（Silica）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)即堿硅酸反應(yīng)，反應(yīng)生成物堿硅酸鹽凝膠體積膨脹所引發(fā)的裂縫［3］。堿骨料反應(yīng)裂縫外觀類似龜裂，但其不是混凝土結(jié)構(gòu)的表層裂縫，而是深入內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性裂縫，因而會(huì)導(dǎo)致抗力降低，而且較難治理，常稱為橋梁“癌癥”。其裂縫形態(tài)表現(xiàn)為：引起混凝土局部膨脹，網(wǎng)狀開裂，裂縫的2個(gè)邊緣出現(xiàn)不平狀態(tài)（錯(cuò)臺），在裂縫處有白色凝膠物滲出。

③凍融循環(huán)裂縫。嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)滲入混凝土內(nèi)部的水分結(jié)冰后體積膨脹，反復(fù)凍融循環(huán)作用引起的混凝土酥裂。

1.2 荷載直接作用引起的裂縫

（1）受彎裂縫。由混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理可知，受彎構(gòu)件的截面由受拉區(qū)和受壓區(qū)構(gòu)成，彎曲裂縫一般出現(xiàn)在彎矩最大截面的混凝土受拉區(qū)。梁板結(jié)構(gòu)的正彎矩裂縫一般位于跨中附近，從底邊開始向上發(fā)展，負(fù)彎矩裂縫位于連續(xù)或懸臂梁板的支座附近，自上向下發(fā)展。隨著荷載的增大，裂縫區(qū)域逐漸向兩側(cè)發(fā)展。由于混凝土抗拉能力很差，混凝土基本不能承受拉應(yīng)力而由鋼筋承擔(dān)全部拉力，除少數(shù)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件外，一般構(gòu)件受拉區(qū)均存在裂縫。因此，即使在正常使用極限狀態(tài)下，受彎構(gòu)件多半也是帶裂縫工作的［4］。其裂縫形態(tài)表現(xiàn)為：受彎裂縫一般垂直于主拉應(yīng)力跡線方向；裂縫呈楔形，在受拉區(qū)邊緣裂縫最寬。

（2）受剪裂縫。也稱斜裂縫，首先發(fā)生在剪應(yīng)力最大的部位。從力學(xué)分析可知，在純剪切情況下，剪應(yīng)力τ轉(zhuǎn)置45°以后，即可分解為斜向的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力，所有受剪裂縫均垂直于主拉應(yīng)力跡線，且沿主壓應(yīng)力跡線發(fā)展為腹剪斜裂縫［5］，實(shí)際結(jié)構(gòu)中單純的剪力很少發(fā)生，對受彎構(gòu)件，當(dāng)彎剪共同作用時(shí)，如果在距支座不遠(yuǎn)的剪跨段內(nèi)產(chǎn)生了受彎裂縫，則在受拉邊緣發(fā)生的垂直裂縫，由于剪力的影響會(huì)彎曲斜向發(fā)展而成為彎剪斜裂縫。隨著荷載增大，裂縫長度不斷增長并向受壓區(qū)發(fā)展，裂縫數(shù)不斷增多并分岔，裂縫區(qū)逐漸向跨中方向擴(kuò)大［6］。

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裂縫形態(tài)表現(xiàn)為：①腹剪斜裂縫與軸線呈45°，由于剪應(yīng)力的分布在截面兩邊最小而中間最大，故裂縫往往中間寬而兩端窄；②正彎矩、剪力引起的彎剪斜裂縫，始自梁底部，上窄下寬。負(fù)彎矩、剪力引起的彎剪斜裂縫，則起自梁頂部，上寬下窄。

（3）受拉裂縫。由于混凝土抗拉強(qiáng)度極低，受拉構(gòu)件在荷載作用下，混凝土都會(huì)開裂，其方向垂直于主拉應(yīng)力跡線且為通透性裂縫，裂縫間距有一定的規(guī)律性。

（4）扭曲裂縫（受扭或彎扭組合）。從力學(xué)分析可知，混凝土受扭構(gòu)件上作用的實(shí)際是剪應(yīng)力τ，其在截面上呈扇形分布，周邊大而心部小，這就決定了受扭裂縫必然斜向發(fā)展，沿周邊呈螺旋狀分布，但混凝土結(jié)構(gòu)中單純的受扭構(gòu)件很少，不管形式如何，扭轉(zhuǎn)裂縫均在垂直于主拉應(yīng)力跡線方向上產(chǎn)生并延伸、發(fā)展［7］。其裂縫形態(tài)表現(xiàn)為：一般沿45°傾斜方向，呈連續(xù)、螺旋狀且為不貫通的表層裂縫。

（5）受壓裂縫（豎直裂縫）。混凝土構(gòu)件受壓作用時(shí)，由于壓力引起側(cè)向膨脹（泊松比ν），裂縫通常沿主壓應(yīng)力跡線方向（豎向）發(fā)生，而產(chǎn)生的裂縫往往是結(jié)構(gòu)達(dá)到承載能力極限的標(biāo)志，是結(jié)構(gòu)破壞的前兆，其原因往往是截面尺寸偏小。對于短柱構(gòu)件，開裂處混凝土到達(dá)極限后會(huì)首先破碎，致使構(gòu)件破壞；對于長柱構(gòu)件，混凝土開裂后但沒有破碎前就會(huì)因失穩(wěn)而破壞。其裂縫形態(tài)表現(xiàn)為：從最初斷續(xù)、平行、短小的裂縫，沿主壓應(yīng)力跡線延伸發(fā)展、貫通連成一片。

（6）局部應(yīng)力引起的裂縫?；炷翗蛄涸谀承┚植繀^(qū)域會(huì)承受很大的荷載，從而引起局部裂縫。例如在預(yù)應(yīng)力梁端錨固端，預(yù)應(yīng)力傳遞長度內(nèi)的保護(hù)層混凝土由于局部承壓而縱向劈裂；在墩臺支座處由于受較大局部壓力，直接受壓面混凝土產(chǎn)生沿四周呈放射狀擴(kuò)展的裂縫。另外，在構(gòu)件轉(zhuǎn)角處或形狀突變處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，例如牛腿因局部應(yīng)力過大而引起角裂。

2 橋梁構(gòu)件典型裂縫分析及處治措施

G80高速公路廣肇段上的橋梁多為簡支梁橋，上構(gòu)主要為預(yù)制空心板或整體現(xiàn)澆板。

2.1 整體現(xiàn)澆板典型裂縫

板底出現(xiàn)縱向裂縫，沿板長方向通長，裂縫縫寬較大，并嚴(yán)重滲水。

（1）成因分析。①對于小跨徑的整體板應(yīng)屬于雙向受力板，橫向配筋不足；②對于小跨徑的整體板，橫向?yàn)殚L度較大的邊，因受約束積聚過多收縮變形而不能釋放，從而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)變，當(dāng)拉應(yīng)變超過了混凝土的極限拉應(yīng)變時(shí)，混凝土沿縱向開裂。

（2）處理建議。①采用壓力灌膠法封縫，并在橋面進(jìn)行防水處理；②橫向粘貼鋼板或碳纖維布加固。

2.2 預(yù)制梁板典型裂縫

2.2.1 空心板底縱向裂縫

空心板板底出現(xiàn)縱向裂縫，部分裂縫伴有滲水，表明裂縫已貫通板底。

（1）成因分析。①梁體內(nèi)兩側(cè)預(yù)應(yīng)力筋在張拉的過程中控制應(yīng)力過大，產(chǎn)生的橫向附加應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致混凝土縱向開裂；②在運(yùn)營過程中，由于鋼筋銹蝕、混凝土脹裂而產(chǎn)生縱向裂縫。

（2）處理建議。①對于裂縫較少，寬度小于規(guī)范限值，縱向斷斷續(xù)續(xù)，不滲水的縱向裂縫，建議封閉；②對于裂縫較多或者寬度大于規(guī)范限值，縱向通長且滲水的縱向裂縫，建議封閉后橫向粘貼碳纖維布加固。

2.2.2 空心板橫向裂縫

空心板板底出現(xiàn)多條橫向裂縫，大致分布在（1／4～3／4）L之間；小跨徑鋼筋混凝土空心板板底出現(xiàn)橫向裂縫（T梁呈U形），一般在跨中附近。

（1）成因分析。在行車荷載彎矩作用下，底部受拉區(qū)混凝土開裂，當(dāng)縫寬不超過規(guī)范要求的0.2mm時(shí)，為鋼筋混凝土構(gòu)件允許出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)裂縫，但在汽車動(dòng)載的長期作用下，裂縫會(huì)產(chǎn)生疲勞擴(kuò)展。

（2）處理建議。①對于裂縫較少，寬度小于規(guī)范限值的，建議封閉處理；②對于裂縫較多或?qū)挾却笥谝?guī)范限值的，建議封閉后縱向粘貼鋼板或碳纖維布加固。

2.3 橋臺裂縫

橋臺前墻中部出現(xiàn)豎向裂縫，上窄下寬，延伸至基礎(chǔ)底部。

（1）成因分析?；A(chǔ)松軟，地基出現(xiàn)不均勻沉降導(dǎo)致橋臺傾斜，同時(shí)受到上部結(jié)構(gòu)的約束而引起彎矩、剪力，當(dāng)附加應(yīng)力超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力時(shí)導(dǎo)致裂縫。

（2）處理建議。需對橋臺及基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理并對裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性。

3 結(jié)語

混凝土橋梁裂縫的成因復(fù)雜而繁多，甚至多種因素相互影響，但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要原因。為了進(jìn)一步加強(qiáng)對混凝土橋梁裂縫的認(rèn)識，本文主要根據(jù)受力分析來闡述裂縫機(jī)理，從結(jié)構(gòu)的角度對裂縫進(jìn)行判斷和處理，以此在橋梁檢查過程中為橋梁的技術(shù)狀況評定提供有力的依據(jù)，也為后續(xù)的橋梁養(yǎng)護(hù)提供借鑒。

［1］徐有鄰，顧祥林.混凝土結(jié)構(gòu)工程裂縫的判斷與處理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］富文權(quán)，韓素芳.混凝土工程裂縫分析與控制［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［4］葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.北京：人民交通出版社，2005.

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［6］向木生，田曉彬，徐 華.預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋應(yīng)力測試技術(shù)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2001（3）：266－269.

［7］張勁泉.公路舊橋加固成套技術(shù)及工程實(shí)例［M］.北京：人民交通出版社，2007.