混凝土橋梁裂縫的成因及防治措施

馬澤輝

摘要：混凝土因具有原材料豐富、可塑性好、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)今世界上使用最為廣泛的建筑材料，但其缺點(diǎn)之一是容易開裂。本文在總結(jié)混凝土橋梁裂縫開展的主要原因、位置，分析各類裂縫對(duì)橋梁安全性影響的基礎(chǔ)上，提出了一系列的防治措施，并通過對(duì)工程實(shí)例分析驗(yàn)證，加深了對(duì)混凝土橋梁裂縫的認(rèn)識(shí)，對(duì)預(yù)防實(shí)際工程中出現(xiàn)影響橋梁安全性的裂縫具有指導(dǎo)意義。

Abstract： Concrete is one of the most widely used building materials in the world because of its rich raw material， good plasticity and high compressive strength. However， one of the shortcomings of concrete is easy to crack. In this paper， based on the summary of the main causes and location of the cracks in the concrete bridge， a series of prevention and control measures are put forward based on the analysis of the influence of various cracks on the safety of the bridge. Through the analysis and verification of the engineering examples， the understanding of the cracks of the concrete bridge is deepened， which can guide the prevention of cracks in practical engineering.

關(guān)鍵詞：混凝土橋梁；裂縫預(yù)防；橋梁安全

Key words： concrete bridge；crack prevention；bridge safety

中圖分類號(hào)：U445.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）24-0101-03

0 引言

目前，橋梁建設(shè)已逐漸由新建轉(zhuǎn)向養(yǎng)護(hù)階段，在我國(guó)既有橋梁中，鋼筋混凝土橋梁占據(jù)很大比重[1]。但由于混凝土抗拉強(qiáng)度低，且長(zhǎng)期承受超過設(shè)計(jì)荷載的車輛荷載，或由于設(shè)計(jì)、施工或環(huán)境影響，在其建造和使用過程中出現(xiàn)橋梁裂縫的情況屢見不鮮，其中不乏出現(xiàn)危害較大的裂縫進(jìn)而影響橋梁正常使用的[2]。然而，很多裂縫是可以通過橋梁的早期的設(shè)計(jì)或改進(jìn)施工工藝克服或控制的，為了加強(qiáng)對(duì)裂縫的認(rèn)識(shí)，避免實(shí)際工程中出現(xiàn)影響橋梁安全性的裂縫，本文對(duì)現(xiàn)有的混凝土橋梁裂縫的種類、成因做了全面的分析和總結(jié)，并針對(duì)各類裂縫提出相應(yīng)的防治措施，對(duì)保障橋梁的安全運(yùn)行具有重要意義[3]。

1 混凝土橋梁的主要裂縫

在實(shí)際工程中，混凝土橋梁裂縫產(chǎn)生的原因眾多，一條裂縫的產(chǎn)生可能是多種因素的共同作用，對(duì)于裂縫產(chǎn)生的原因，主要可以分為荷載、溫度、收縮、鋼筋銹蝕、地基沉降、施工工藝幾個(gè)方面。

1.1 荷載作用下產(chǎn)生的裂縫

荷載裂縫是指混凝土橋梁在靜力或動(dòng)力作用下，因變形而產(chǎn)生的裂縫。多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或嚴(yán)重振動(dòng)的區(qū)域。如果受壓區(qū)出現(xiàn)起皮或有沿受壓方向的短裂縫，往往是結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限的標(biāo)志，是結(jié)構(gòu)破壞的前兆[4]。

1.1.1 受彎裂縫

混凝土橋梁在彎矩作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲裂縫，彎曲裂縫在彎矩最大截面受拉區(qū)產(chǎn)生，橋梁梁板結(jié)構(gòu)最大正彎矩一般在跨中，并底部開始向上發(fā)展；負(fù)彎矩裂縫一般出現(xiàn)在支座處，從上往下發(fā)展。裂縫的數(shù)量和大小與荷載有關(guān)，集中荷載下裂縫分布相較于分布荷載裂縫分布更加集中，荷載增加，裂縫數(shù)量增多并開始擴(kuò)大。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。普通鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的裂縫寬度限制在0.30mm以內(nèi)，對(duì)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的裂縫寬度限制在0.20mm以內(nèi)。超過該限值則可能會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。

1.1.2 受剪裂縫

受剪斜裂縫發(fā)生在剪力最大的截面，一般在橋梁支座附件，從下部沿45°左右方向向跨中上方發(fā)展，隨著荷載的增加而增加，裂縫長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)并向受壓區(qū)發(fā)展，數(shù)量不斷增加且出現(xiàn)分岔，裂縫區(qū)也逐漸向跨中方向擴(kuò)大。一旦出現(xiàn)剪切裂縫，應(yīng)加強(qiáng)觀察。如果裂縫發(fā)展緩慢并限制在受拉區(qū)。裂縫寬度在限值以內(nèi)，此時(shí)允許；如果裂縫不斷發(fā)展或者裂縫已接近受壓區(qū)，則不論其寬度和長(zhǎng)度如何都應(yīng)及時(shí)予以必要的加固處理。

1.1.3 受扭裂縫

受扭裂縫是在扭矩作用下，首先在構(gòu)件長(zhǎng)邊方向的最弱處產(chǎn)生一條近45°方向的斜裂縫，然后向兩邊螺旋延伸。

1.1.4 局部受壓裂縫

混凝土受壓強(qiáng)度較高，因而其局部受壓裂縫較少，但實(shí)際中可能由于設(shè)計(jì)等原因在局部受壓區(qū)產(chǎn)生與壓力方向平行的短裂縫。

1.2 溫度引起的裂縫

當(dāng)混凝土外界溫度或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化時(shí)，混凝土?xí)a(chǎn)生膨脹或收縮，當(dāng)混凝土的變形受到約束時(shí)，就會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)混凝土收縮或膨脹時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。引起混凝土溫度變化的主要因素有：溫差、日照、驟然降溫、水化熱、蒸汽養(yǎng)護(hù)等等。

1.3 收縮引起的裂縫

橋梁路面因收縮引起的裂縫是最為常見的裂縫種類，除去溫度產(chǎn)生的收縮以外，在混凝土澆筑完成后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，混凝土內(nèi)部反應(yīng)激烈，出現(xiàn)水分的急劇蒸發(fā)，混凝土大量失水收縮，同時(shí)骨料下沉，此時(shí)的收縮量可達(dá)1%左右，若下沉過程中受到鋼筋阻擋，便會(huì)形成沿鋼筋方向的裂縫。并且，在收縮過程中由于表明水分減少快，內(nèi)部水分減少慢，由于收縮的不均勻性，表面收縮受到內(nèi)部的約束，便會(huì)產(chǎn)生收縮裂縫。

1.4 鋼筋銹蝕引起的裂縫

在鋼筋質(zhì)量較差或鋼筋外混凝土保護(hù)層厚度不夠時(shí)，鋼筋會(huì)受外界環(huán)境作用，使得鋼筋表明銹蝕，銹蝕后的鋼筋體積會(huì)比之前增長(zhǎng)約2-4倍，鋼筋的膨脹會(huì)導(dǎo)致其周圍的混凝土剝離、從而產(chǎn)生縱向裂縫。且由于鋼筋的銹蝕，其與混凝土的粘結(jié)力減弱，結(jié)構(gòu)承載力下降，在其他可能產(chǎn)生裂縫的因素下，混凝土?xí)菀组_裂。

1.5 地基沉降引起的裂縫

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的不均勻沉降或者水平方向的位移會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的附加應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)結(jié)構(gòu)就會(huì)開裂，地基不均勻沉降可能由于地質(zhì)勘查資料不夠準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)各部分荷載差異太大、地基凍脹、采用不同基礎(chǔ)形式或分期建造結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、地基條件發(fā)生變化等原因造成；結(jié)構(gòu)的水平位移主要是對(duì)地質(zhì)情況掌握不夠、設(shè)計(jì)不合理和施工破壞等原因造成的。

1.6 施工工藝引起的裂縫

施工工藝的不合理或質(zhì)量問題引起混凝土的開裂時(shí)有發(fā)生?；炷恋臐仓?、運(yùn)輸、堆放、吊裝過程中因施工工藝問題可能產(chǎn)生各個(gè)方向的裂縫。比較常見的問題包括混凝土攪拌不密實(shí)、澆筑過快、運(yùn)輸時(shí)間過長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)環(huán)境干燥、混凝土接縫位置未處理好、早期受凍、模板剛度不足、拆模過早、施工順序錯(cuò)誤、施工質(zhì)量差等問題。

以上混凝土橋梁的裂縫主要成因中，荷載裂縫中受壓裂縫、受剪裂縫、張拉構(gòu)件的局部受壓裂縫屬于沒有預(yù)兆會(huì)突然產(chǎn)生的脆性裂縫，一旦出現(xiàn)裂縫則對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響很大，是混凝土橋梁結(jié)構(gòu)破壞的前兆，屬于規(guī)范允許范圍之外的裂縫，需要加倍重視，采取必要的安全措施。其他裂縫屬于塑性裂縫，在破壞之前會(huì)有明顯的預(yù)兆，即裂縫會(huì)開展到一定程度，當(dāng)最大裂縫超過規(guī)范規(guī)定的容許值時(shí)，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性造成影響，需要進(jìn)行加固處理。未超過容許值時(shí)，則屬于規(guī)范允許出現(xiàn)的裂縫，可不必加固。

2 裂縫的防治措施

在混凝土橋梁的裂縫中，對(duì)于不同的裂縫類型，應(yīng)采取不同的防治措施[5]。

2.1 荷載裂縫的防治措施

荷載裂縫可能由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、使用各個(gè)階段所造成的。設(shè)計(jì)階段要嚴(yán)格計(jì)算交通量、荷載及混凝土配筋量，不可少算、錯(cuò)算，并留有余地；嚴(yán)格管理施工過程中原材料和各類器具的堆放；使用過程中嚴(yán)格限制超重車輛通過橋面，加強(qiáng)維修管理，以避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載裂縫。

2.2 溫度裂縫的防治措施

對(duì)于溫度裂縫的防治措施，主要是強(qiáng)化對(duì)材料溫度的控制，可采用冷水降溫碎石之后再與混凝土攪拌混合，或在混凝土內(nèi)部預(yù)留管道注水降溫，對(duì)于大體積構(gòu)件可選擇在春秋溫度適宜時(shí)澆筑，若在夏天澆筑應(yīng)采取降溫措施，對(duì)溫差變化較大的情況可采取保溫措施避免因溫度變化大熱脹冷縮快，出現(xiàn)裂縫。

2.3 收縮裂縫的防治措施

防止收縮引起的裂縫，在施工時(shí)應(yīng)避免過長(zhǎng)時(shí)間的攪拌，下料應(yīng)緩慢并振搗密實(shí)，也可通過在混凝土早期時(shí)，在表面覆蓋海綿、麻袋，并澆水進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，以控制混凝土中水分蒸發(fā)速率，減少因失水收縮產(chǎn)生的裂縫。

2.4 鋼筋銹蝕裂縫的防治措施

為防止鋼筋銹蝕，應(yīng)保證足夠的保護(hù)層厚度，按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)。除此之外，在施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)振搗，保證混凝土的密實(shí)性，對(duì)于沿海地區(qū)或其他特殊環(huán)境地區(qū)，為防止腐蝕性空氣或水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部，更應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)。

2.5 地基沉降引起的裂縫防治措施

由于地基沉降引起的裂縫，在勘查設(shè)計(jì)階段要保證勘查精度，勘察資料和試驗(yàn)資料的準(zhǔn)確性，在施工時(shí)要在混凝土澆筑前把好質(zhì)量關(guān)，混凝土水分要充足，減少其泌水性，必要時(shí)可添加減水劑；還可以搭設(shè)支架，預(yù)壓以消除非彈性變形。若因設(shè)計(jì)、施工等其他原因已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，應(yīng)及時(shí)對(duì)地基進(jìn)行加固。

2.6 施工工藝引起的裂縫防治措施

施工工藝引起的裂縫種類很多，在施工過程中可通過保證施工精度，控制施工順序的正確性，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量來控制施工工藝引起的裂縫。

對(duì)于上述裂縫中，若已經(jīng)出現(xiàn)影響橋梁結(jié)構(gòu)安全性的裂縫，應(yīng)當(dāng)及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，可以通過表面涂抹進(jìn)行加固處理、貼纖維板或纖維布、表面噴漿、粘貼鋼板或預(yù)應(yīng)力碳纖維板等方法實(shí)現(xiàn)。

3 工程實(shí)例

吊嘎河2號(hào)中橋位于昆綏線（S101）K738+014處，屬昆明市東川區(qū)境內(nèi)，于2007年8月建成通車。橋梁全長(zhǎng)62.07m，橋面總寬9.16m，車行道寬8.16m，上部結(jié)構(gòu)為1×30.65m鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁橋，在2015年橋梁健康監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，橋梁中存在多處裂縫，圖1、2屬于荷載裂縫，圖1梁底橫向裂縫由梁底向上發(fā)展，屬于受彎裂縫；圖2裂縫呈45°從下向跨中上部發(fā)展，屬于受剪裂縫，有的小于0.15mm，可直接封閉處理；有的大于0.15mm則需要注膠封閉。

對(duì)于圖3是由于鋼筋銹蝕所導(dǎo)致的裂縫或混凝土缺陷，可采用高強(qiáng)修補(bǔ)料進(jìn)行修復(fù)。腹板與梁底裂縫，縫寬小于0.15mm的可采用環(huán)氧樹脂膠泥直接封閉，縫寬大于0.15mm的裂縫，則必須進(jìn)行注膠封閉（如圖4所示）。

腹板豎向裂縫（圖5）位于L/4到3L/4之間，可能是由于模板拆除過早，混凝土局部不密實(shí)造成，裂縫大于0.15mm采用灌漿處理，小于0.15mm封閉處理。對(duì)其他裂縫較大導(dǎo)致承載力不足的可采用圖6所示粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固處理。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉后，能使混凝土裂縫在一定程度上有所閉合，并提高橋梁承載力。

4 結(jié)論

混凝土橋梁由于混凝土材料和橋梁結(jié)構(gòu)的原因會(huì)產(chǎn)生不同種類的裂縫，前期應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工，使用階段控制荷載以預(yù)防裂縫的產(chǎn)生；對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生裂縫的結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)裂縫的種類分別考慮，對(duì)于規(guī)范允許范圍內(nèi)的塑性裂縫可不加固，而脆性裂縫和超過規(guī)范允許值的塑性裂縫應(yīng)及時(shí)加固并采取其他必要的安全措施。

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