橋梁裂縫的成因分析及防護(hù)加固措施

姚金濤

(寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750000)

1 前 言

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的混凝土橋梁投入運(yùn)營(yíng)使用，但從橋面鋪裝、橋跨結(jié)構(gòu)到墩柱、下部基礎(chǔ)的混凝土開裂問(wèn)題，一直困擾著工程技術(shù)人員?；炷亮芽p有些直接影響結(jié)構(gòu)的承載安全，不引起重視將會(huì)引發(fā)毀滅性的結(jié)構(gòu)破壞；有些雖然不對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響，但因?yàn)榱芽p形成的結(jié)構(gòu)初始損傷，使得產(chǎn)生鋼筋銹蝕、混凝土剝落等病害問(wèn)題，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。此外，混凝土開裂的因素有多種，如果不掌握裂縫的形成機(jī)理，勢(shì)必難以恢復(fù)或提升結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

本文詳細(xì)歸納橋梁裂縫的形成原因，對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行深入剖析，在明確形成機(jī)理的基礎(chǔ)上提出相關(guān)加固措施，避免病害的進(jìn)一步拓展，并有效保證橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。

2 橋梁裂縫的類型與特點(diǎn)分析

橋梁裂縫的類型多種多樣，根據(jù)裂縫的受力特性可以分為結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫，結(jié)構(gòu)性裂縫表明開裂與結(jié)構(gòu)受力相關(guān)，非結(jié)構(gòu)性裂縫則往往與混凝土品質(zhì)有關(guān)，并不是由于結(jié)構(gòu)受力所引起的。

結(jié)構(gòu)性裂縫根據(jù)受力特點(diǎn)分為受彎裂縫、受剪裂縫和局部承壓裂縫。受彎裂縫表現(xiàn)為與結(jié)構(gòu)受彎內(nèi)力方向垂直開裂，裂縫貫穿構(gòu)件橫截面，間距大體相等，且垂直于受力方向，例如混凝土連續(xù)梁橋底板橫向裂縫是由于縱向抗彎性能不足引起，底板縱向裂縫是由于橫向抗彎性能不足導(dǎo)致。受剪裂縫則主要分布在腹板上沿斜向開展，是由于腹板主拉應(yīng)力過(guò)大所引起的，例如連續(xù)梁橋支座處腹板斜向開裂。局部承壓裂縫則是因?yàn)榫植繎?yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)抗壓失效引起的開裂問(wèn)題，常見(jiàn)的有預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的開裂，橋面板設(shè)計(jì)太薄引起的頂板與腹板連接處開裂等，局部承壓裂縫的分布沒(méi)有一致方向性，往往是集中分散分布。

非結(jié)構(gòu)性裂縫的形成與受力因素?zé)o關(guān)，主要是混凝土材料性能所導(dǎo)致的，例如混凝土品質(zhì)差、配比不合理、和易性不足等使得澆筑完成后混凝土收縮徐變引起表面開裂，非結(jié)構(gòu)性裂縫往往很細(xì)小，零散分布、沒(méi)有規(guī)律性，這些裂縫的產(chǎn)生根源是混凝土材料性能差或者施工養(yǎng)護(hù)不足所導(dǎo)致。

結(jié)構(gòu)性裂縫如果不進(jìn)行修復(fù)和加固，會(huì)引起結(jié)構(gòu)性失效和破壞，這對(duì)于整個(gè)橋梁的運(yùn)營(yíng)安全都是很大的威脅；非結(jié)構(gòu)性裂縫雖然不與結(jié)構(gòu)安全直接聯(lián)系，但是會(huì)提高構(gòu)件的退化速率，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，同樣需要引起足夠重視。

3 橋梁裂縫的成因分析

3.1 混凝土原材料

混凝土原材料品質(zhì)不僅僅是非結(jié)構(gòu)性裂縫產(chǎn)生的根源，也是結(jié)構(gòu)性裂縫的重要因素。原材料品質(zhì)差直接形成了混凝土初始的缺陷，因此開裂的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。影響混凝土原材料品質(zhì)的重要因素是水泥、骨料和水的使用。

水泥是混凝土的膠凝材料，水泥質(zhì)量差例如采用已經(jīng)硬化的水泥，則會(huì)使得混凝土強(qiáng)度直接降低，從而更容易開裂；另外，當(dāng)水泥出廠時(shí)強(qiáng)度不足或者已經(jīng)受潮、含堿量太高等，都可能引起堿骨料反應(yīng)從而降低混凝土結(jié)構(gòu)性能。骨料則是混凝土的結(jié)構(gòu)框架，如果骨料的級(jí)配不合理、雜質(zhì)含量多、強(qiáng)度不滿足等，都會(huì)直接影響混凝土強(qiáng)度，使得混凝土收縮增加，容易形成初始裂縫缺陷，無(wú)論是受力還是不受力情況都會(huì)導(dǎo)致開裂問(wèn)題。水是混凝土和易性的重要來(lái)源，拌合水中雜質(zhì)過(guò)高會(huì)對(duì)鋼筋銹蝕有很大影響，采用海水或者堿含量較大的水拌合混凝土都是不可行的。

3.2 設(shè)計(jì)施工不合理

設(shè)計(jì)施工不合理是很多早先建設(shè)的橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過(guò)早開裂的重要因素，設(shè)計(jì)的不合理體現(xiàn)在對(duì)結(jié)構(gòu)受力行為的錯(cuò)誤估計(jì)上，施工不合理則是受限于施工工藝或者施工組織管理不當(dāng)所產(chǎn)生的，這方面的成因詳細(xì)分析如下。

設(shè)計(jì)不合理的例如鋼筋混凝土截面不夠、梁體跨度過(guò)大、高度偏小、配筋不足等，都會(huì)使得梁體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫，設(shè)計(jì)中還需要盡可能地避免截面的突變問(wèn)題，保證鋼筋設(shè)計(jì)的連續(xù)性。設(shè)計(jì)不合理的產(chǎn)生源于對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的把握不足特別是早先設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)由于計(jì)算手段的限制，因此很多設(shè)計(jì)都是采用經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行，但對(duì)于新型結(jié)構(gòu)則存在很大的不適用性，隨著現(xiàn)代計(jì)算理論和手段的發(fā)展，基本可以克服設(shè)計(jì)不合理所引起的橋梁開裂問(wèn)題。

施工質(zhì)量控制不當(dāng)是產(chǎn)生開裂的另一重要因素，施工中模板的下沉、過(guò)早拆除模板導(dǎo)致的混凝土冷激效應(yīng)、振搗不均勻及養(yǎng)護(hù)周期不足等，都會(huì)使得混凝土過(guò)早開裂。另外，施工人員不嚴(yán)格按照施工工序操作、控制不嚴(yán)格等行為也會(huì)引起橋梁的開裂問(wèn)題，因此需要嚴(yán)格控制施工工藝，確保建設(shè)質(zhì)量。

3.3 自然環(huán)境作用

自然環(huán)境作用是導(dǎo)致橋梁開裂的另一關(guān)鍵因素，這其中環(huán)境作用主要是溫度的影響。溫度對(duì)橋梁的開裂影響可以從整體溫差和梯度溫度兩方面考慮。整體溫差層面，一年四季溫度不斷發(fā)生變化，這些變化對(duì)于部分超靜定橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生附加與約束內(nèi)力，當(dāng)約束內(nèi)力較大疊合其他荷載效應(yīng)超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起結(jié)構(gòu)開裂和失效。例如拱橋、鋼架橋等結(jié)構(gòu)體系對(duì)整體升降溫的作用就比較敏感。日照溫差則是一種非線性梯度溫度，表現(xiàn)在日照作用下向陽(yáng)面結(jié)構(gòu)溫度顯著大于其他部分，由于溫度在結(jié)構(gòu)內(nèi)部分布的非線性引起截面自身的約束應(yīng)力，從而產(chǎn)生開裂出現(xiàn)裂縫。

3.4 橋梁荷載影響

橋梁荷載的影響也是引起開裂的因素，表現(xiàn)為設(shè)計(jì)對(duì)荷載考慮的不足，實(shí)際荷載遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)所能夠承擔(dān)的，從而引起開裂問(wèn)題。

施工階段因?yàn)橐恍┡R時(shí)結(jié)構(gòu)，需要增加臨時(shí)荷載，這部分荷載如何考慮不周全就會(huì)引起開裂乃至破壞。例如施工中在橋梁上堆放大量的施工機(jī)具和材料，進(jìn)行隨意的起吊和翻身，使用超過(guò)規(guī)定的重型機(jī)械設(shè)備等。運(yùn)營(yíng)中的荷載影響則更加顯著，例如運(yùn)營(yíng)車輛荷載作用，突發(fā)船舶撞擊效應(yīng)等，這些都是設(shè)計(jì)中沒(méi)有準(zhǔn)確考慮的，使得結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)中損傷不斷累積，導(dǎo)致開裂進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)失效破壞。以車輛荷載為例，目前諸多獨(dú)柱墩曲線梁橋發(fā)生垮塌失效問(wèn)題，這關(guān)鍵的因素就是運(yùn)營(yíng)荷載過(guò)大，這些倒塌橋梁無(wú)一例外是因?yàn)槎噍v超載重車集中作用所產(chǎn)生的。

4 橋梁裂縫的防護(hù)加固措施

4.1 裂縫防護(hù)措施

裂縫的防護(hù)需要從原材料選用、設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)混、運(yùn)管管理三方面進(jìn)行考慮。原材料方面需要選用滿足要求的產(chǎn)品，特別是水泥材料、骨料級(jí)配、水源等，對(duì)這些原材料的選用制定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，從根本上保證混凝土的品質(zhì)。設(shè)計(jì)中需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件受力性能把握準(zhǔn)確，通過(guò)多次復(fù)核校驗(yàn)確保設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，同時(shí)需要保留一定的設(shè)計(jì)富余量。施工中應(yīng)該制定施工指南和標(biāo)準(zhǔn)，施工人員嚴(yán)格按照施工流程進(jìn)行操作，建立完善的施工組織管理制度，對(duì)各個(gè)工序各個(gè)工種進(jìn)行管控，確保施工建設(shè)質(zhì)量。運(yùn)營(yíng)中需要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)維策略，如果發(fā)現(xiàn)橋梁退化嚴(yán)重，應(yīng)該控制過(guò)橋重車，嚴(yán)格限制超載問(wèn)題，確保橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，同時(shí)可以建立結(jié)構(gòu)狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)，避免橋梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的失效。

4.2 裂縫加固措施

裂縫加固首先需要對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，然后對(duì)橋梁整體狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估以確定是否需要額外的加固措施。

橋梁裂縫的處置，無(wú)論是結(jié)構(gòu)性受力裂縫還是非結(jié)構(gòu)性裂縫，都需要對(duì)裂縫本身進(jìn)行修復(fù)，采用裂縫灌漿可以使得裂縫得以閉合，避免開裂引起結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題和使用壽命折減問(wèn)題。非結(jié)構(gòu)性裂縫需要采用水泥漿進(jìn)行灌注修復(fù)，而結(jié)構(gòu)性裂縫則應(yīng)該采用高強(qiáng)砂漿或者聚合物進(jìn)行修復(fù)，保證修復(fù)后的裂縫仍然有受力能力。裂縫修復(fù)的主要過(guò)程是：首先，對(duì)已經(jīng)開裂的表面進(jìn)行鑿除，使得漏出完整的原混凝土結(jié)構(gòu)，這樣可以確保裂縫氧化區(qū)和新澆筑區(qū)域粘結(jié)完好；其次，對(duì)鑿除部位進(jìn)行清洗，確保平整及粘結(jié)完好；最后，涂抹裂縫修復(fù)劑，將病害和裂縫進(jìn)行修復(fù)灌注，使得新灌注材料與原有界面粘結(jié)完好。

對(duì)于開裂嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)性能改變的橋梁，還需要進(jìn)行加固才能保證橋梁進(jìn)一步使用的性能，目前主要加固手段有黏貼鋼板加固、碳纖維加固和預(yù)應(yīng)力加固等方式，這些應(yīng)該在裂縫修復(fù)完成后進(jìn)行。

5 結(jié) 論

裂縫是橋梁最常見(jiàn)病害，對(duì)于橋梁安全性能和使用壽命都有很大的威脅。本文詳細(xì)分析了橋梁裂縫的形成原因，并探討了進(jìn)行裂縫防護(hù)和加固的相關(guān)措施和方法，以提升橋梁使用性能。

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