混凝土橋梁裂縫的形成機(jī)理及控制措施研究

溫鵬

摘要：針對(duì)橋梁裂縫問題，重點(diǎn)研究了混凝土橋梁裂縫的形成機(jī)理和控制措施。在橋梁裂縫形成機(jī)理部分，首先總體概述了橋梁裂縫的形成機(jī)理，然后從荷載原因、溫度原因、收縮原因、基礎(chǔ)變形和鋼筋銹蝕等方面分析了橋梁裂縫的形成機(jī)理。在控制措施部分，重點(diǎn)介紹了橋梁裂縫的修補(bǔ)方法和加固方法。在橋梁裂縫修補(bǔ)方法方面，闡述了表面封閉修補(bǔ)方法、壓力灌漿修補(bǔ)方法等兩種常用方法。在橋梁加固方法方面，介紹了增大截面和配筋的加固方法、噴混凝土加固方法和粘貼鋼板（筋）加固方法等三種方法。

Abstract： In view of the crack problem of bridges， the formation mechanism and control measures of cracks in concrete bridges are mainly studied. In the formation mechanism of bridge cracks， the formation mechanism of bridge cracks is firstly summarized， and then the formation mechanism of bridge cracks is analyzed from the aspects of load causes， temperature causes， shrinkage causes， foundation deformations and steel corrosion. In the control measures section， the repair methods and reinforcement methods for bridge cracks are highlighted. In the aspect of bridge crack repair method， two common methods such as surface sealing repair method and pressure grout repair method are described. In the aspect of bridge reinforcement method， three methods of increasing the section and reinforcement， the method of strengthening the shotcrete and the method of reinforcing the steel plate are introduced.

關(guān)鍵詞：混凝土橋梁；裂縫；形成機(jī)理；控制措施

Key words： concrete bridge；crack；formation mechanism；control measures

中圖分類號(hào)：TU755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）33-0086-03

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國交通運(yùn)輸量的逐年增加對(duì)橋梁的承載能力造成嚴(yán)重挑戰(zhàn)。隨著使用時(shí)間的逐年推移，在自然環(huán)境（如空氣的溫度與濕度，以及腐蝕物影響）和使用環(huán)境（橋梁的荷載與疲勞程度等）的共同作用下，橋梁的部分位置常出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，而裂縫多演變?yōu)闃蛄旱亩喾N病害問題，嚴(yán)重危及橋梁的承載力、耐久性等。同時(shí)，裂縫除影響橋梁承載力外，其還會(huì)引發(fā)鋼筋銹蝕問題，進(jìn)而影響橋梁的使用壽命，降低其使用功能和安全系數(shù)。此外，混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)破壞乃至坍塌，多由裂縫發(fā)展而來。而且，調(diào)查結(jié)果顯示，我國已建橋梁中普遍存在裂縫問題，嚴(yán)重影響了混凝土橋梁的設(shè)計(jì)與使用壽命。因此，探究混凝土橋梁裂縫的形成機(jī)理，并制定橋梁裂縫的控制措施，成為本文的研究主題。

1 橋梁裂縫的形成機(jī)理研究

1.1 裂縫形成機(jī)理的概述

當(dāng)前，混凝土橋梁的裂縫形成的影響因素較多，對(duì)橋梁裂縫的成因進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，是發(fā)掘橋梁病害的產(chǎn)生原因及衍生機(jī)理的重要前提。因此，本文對(duì)混凝土橋梁裂縫的形成機(jī)理進(jìn)行研究，不僅可發(fā)現(xiàn)裂縫的形成原因，還可為混凝土橋梁裂縫的危害性評(píng)定及后續(xù)橋梁裂縫的控制，提供參考依據(jù)。

因此，在橋梁裂縫的形成機(jī)理部分，本文重點(diǎn)探究引發(fā)橋梁裂縫的各種原因。因橋梁裂縫的成因較多且彼此之間相互影響，本文將其成因歸納為荷載、溫度、收縮等因素。

1.2 裂縫形成機(jī)理分析

1.2.1 荷載原因?qū)е碌牧芽p

荷載裂縫是指混凝土橋梁受動(dòng)荷載、靜荷載以及應(yīng)力作用等共同影響所形成的裂縫，業(yè)界與學(xué)界對(duì)該種裂縫關(guān)注較早。該種形式裂縫產(chǎn)生的主要原因有：①設(shè)計(jì)原因。受設(shè)計(jì)人員自身技術(shù)與知識(shí)經(jīng)驗(yàn)限制，致使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果存在較大誤差，導(dǎo)致完工后的橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況與理論受力情況之間的偏差較大。②施工原因。橋梁施工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響橋梁承載能力以及裂縫產(chǎn)生情況。當(dāng)前，我國橋梁施工過程中，存在管理體制不完善，組織協(xié)調(diào)能力較差，偷工減料情況較嚴(yán)重等問題，上述問題可直接或間接導(dǎo)致橋梁裂縫產(chǎn)生。此外，刻意壓縮工期、變相縮減成本、隨意變換施工順序等，亦會(huì)致使橋梁裂縫產(chǎn)生。③使用原因。在混凝土橋梁使用階段，其裂縫產(chǎn)生的主要原因包括：車輛超載，車船與橋梁之間的接觸和撞擊，風(fēng)雪荷載的影響，以及地震、爆炸等外部因素的影響。

1.2.2 溫度原因?qū)е碌牧芽p

因混凝土的熱脹冷縮特性明顯，當(dāng)混凝土橋梁的內(nèi)外部溫差變化較大時(shí)，則混凝土橋梁會(huì)發(fā)生不同程度的變形。溫度裂縫相對(duì)于其他形式裂縫，主要差異點(diǎn)在于溫度裂縫的張縮直接受溫度變化的影響。引起溫度裂縫的因素主要有：①年溫差問題。一般而言，年溫差對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，主要集中于縱向位移方面。在溫度差異存在的情況下，當(dāng)縱向位移受其他多余約束作用時(shí)，會(huì)在一定程度上導(dǎo)致溫度應(yīng)力和溫度裂縫的產(chǎn)生。②日照因素。受太陽的照射范圍、角度等差異影響，混凝土橋梁各部位所承受的溫度存在不同。同時(shí)，太陽直射部位相對(duì)于其他部位而言，溫度明顯較高。由此，致使導(dǎo)致橋梁各個(gè)部位的溫度存在不均勻分布。③水化熱因素。在混凝土橋梁施工過程中，若一次性澆筑大體積混凝土，則所澆筑部件所產(chǎn)生的水化熱難以向外部散發(fā)，由此，受混凝土構(gòu)件內(nèi)外部溫差較大的影響，其極易產(chǎn)生較為明顯的溫度裂縫。④在混凝土橋梁的養(yǎng)活階段和冬季施工的過程中，混凝土橋梁構(gòu)件的內(nèi)外部溫差較大，易出現(xiàn)裂縫。

1.2.3 收縮原因?qū)е碌牧芽p

混凝土橋梁中，由收縮引發(fā)的裂縫較為普遍。常見的收縮裂縫種類包括塑性收縮和縮水收縮兩種類型。①塑性收縮是指混凝土橋梁在澆筑完成后的較短一段時(shí)期內(nèi)，受水泥水化反應(yīng)的影響，混凝土的水分蒸發(fā)情況較為嚴(yán)重，致使混凝土內(nèi)部失水情況明顯，最終隨著骨料自重的影響發(fā)生收縮現(xiàn)象。②縮水收縮是指混凝土橋梁在完成凝結(jié)后，其表面水分隨著凝結(jié)時(shí)間的延續(xù)，呈現(xiàn)不斷蒸發(fā)現(xiàn)象，引起混凝土體積縮小。當(dāng)混凝土收縮至一定程度時(shí)，混凝土將產(chǎn)生縮水收縮裂縫。

1.2.4 基礎(chǔ)變形導(dǎo)致的裂縫

基礎(chǔ)變形裂縫是指，當(dāng)混凝土基礎(chǔ)發(fā)生豎向不均勻沉降或者在一定范圍內(nèi)水平位移時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，進(jìn)而引發(fā)橋梁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫?；A(chǔ)變形裂縫產(chǎn)生的原因主要為橋梁所處地區(qū)的地質(zhì)存在較大差異，基礎(chǔ)建造時(shí)間不同，原地質(zhì)環(huán)境條件發(fā)生變化，勘察設(shè)計(jì)資料存在偏差，基礎(chǔ)中不同位置的荷載差異較大，地基受凍現(xiàn)象嚴(yán)重，橋梁基礎(chǔ)處于不良地質(zhì)環(huán)境中。因此，橋梁基礎(chǔ)在建設(shè)過程中，應(yīng)重視所處位置的地質(zhì)環(huán)境，保證勘察設(shè)計(jì)資料的準(zhǔn)確性，保持各個(gè)構(gòu)件受力一致性。

1.2.5 鋼筋銹蝕導(dǎo)致的裂縫

受潮濕環(huán)境影響，由鋼筋銹蝕導(dǎo)致的橋梁裂縫常出現(xiàn)于橋墩、箱梁底板等部位。鋼筋銹蝕裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土保護(hù)層厚度存在不足，然后鋼筋與介入的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致周邊堿度降低，引起鋼筋銹蝕。此外，氯化物等易導(dǎo)致周邊氯離子的比例較高，導(dǎo)致氧化膜破壞，造成鋼筋銹蝕。鋼筋銹蝕會(huì)導(dǎo)致橋梁承載能力降低，使用壽命不能滿足預(yù)期要求，甚至可能引發(fā)其他形式裂縫出現(xiàn)。

2 橋梁裂縫的控制措施研究

混凝土橋梁裂縫的控制措施主要為橋梁裂縫維修以及橋梁加固等。在橋梁通車后，定期進(jìn)行檢查、養(yǎng)護(hù)與維修工作，是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全、提升其耐久性的重要措施。橋梁裂縫的維修工作包括修補(bǔ)混凝土的空洞、裂縫，清理鋼筋鐵銹，補(bǔ)設(shè)通風(fēng)設(shè)施等。同時(shí)，其加固措施包括上部和下部結(jié)構(gòu)加固。

2.1 橋梁裂縫的修補(bǔ)方法

2.1.1 表面封閉修補(bǔ)方法

橋梁裂縫的表面封閉修補(bǔ)方法主要用于不影響橋梁承載力、灌入注漿材料的難度較大、亟需進(jìn)行橋梁的大面積防滲漏。其主要方法包括：①水泥砂漿涂抹方式。該修補(bǔ)方式的主要過程為，首先清理裂縫區(qū)域的混凝土表面的槽毛，然后清掃干凈混凝土表面，并將其潤濕，最后抹水泥漿。②表面噴漿方式。該方式的主要內(nèi)容為首先檢查橋梁構(gòu)件表面的缺陷程度，并修補(bǔ)其缺陷，然后清楚橋梁構(gòu)件的露筋鐵銹，最后，將構(gòu)件表面潤濕并進(jìn)行噴漿。

2.1.2 壓力灌漿修補(bǔ)方法

橋梁裂縫的壓力灌漿修補(bǔ)方法主要工作原理為，首先配置低濃度漿液，然后借助灌漿加壓設(shè)備將其注入橋梁構(gòu)件的裂縫中以封閉裂縫。該方法所需流程較為復(fù)雜，且對(duì)各個(gè)施工環(huán)節(jié)要求較高，其施工質(zhì)量對(duì)加固效果起決定性作用。該方法的主要流程為：①裂縫檢查與處理環(huán)節(jié)。檢查擬修補(bǔ)部位的裂縫情況，并做好測量和記錄工作，清理該部位裂縫表面存在的油污及雜質(zhì)等。②該方法的第二步為采用裂縫表面固定或鉆孔固定的方式，粘貼注漿嘴。③該步為檢查注漿工作過程中的密封情況，密封質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)灌漿質(zhì)量起決定性作用，可通過壓水的方式進(jìn)行檢測。④該步為配制注漿液，該步驟應(yīng)綜合考慮漿體稠度，以提升灌漿質(zhì)量。⑤當(dāng)灌漿材料固化后，可進(jìn)行后續(xù)相關(guān)的處理工作，恢復(fù)對(duì)裂縫位置的美觀要求。此外，還需對(duì)試塊進(jìn)行試驗(yàn)，以保證灌漿效果。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)的加固方法

2.2.1 增大截面和配筋的加固方法

該方法是指采用與原橋梁構(gòu)件相同標(biāo)號(hào)的混凝土與鋼筋，通過增大橋梁構(gòu)件的截面，以提高橋梁的承載能力，主要應(yīng)用于橋梁的剛度、強(qiáng)度等出現(xiàn)不足情況時(shí)。該方法的核心工作原理為，增加橋梁受拉區(qū)域的鋼筋數(shù)量，擴(kuò)大橋梁構(gòu)件受壓區(qū)的面積，從而實(shí)現(xiàn)提高橋梁構(gòu)件的抗彎剛度與強(qiáng)度的目的。同時(shí)，可根據(jù)上述進(jìn)一步將其分為以加大橋梁構(gòu)件截面面積和增加構(gòu)件鋼筋數(shù)量為主的橋梁加固方案。該方法的優(yōu)點(diǎn)為適應(yīng)性強(qiáng)，施工工藝的流程較為簡單，對(duì)車輛通行的影響程度較小，并且加固效果較為明顯。該方法的缺點(diǎn)在于相關(guān)流程的施工工期相對(duì)較長，并在一定程度上增加橋梁的自重。

2.2.2 噴混凝土加固方法

該方法是指借助專業(yè)機(jī)械在現(xiàn)有構(gòu)件的基礎(chǔ)上，采用噴涂的方式，噴涂一層混凝土。該方法可在一定程度上增加原有混凝土的強(qiáng)度，加大橋梁構(gòu)件的受力面積，可較為有效的保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋，并可改善其外觀。該方法通常用于橋梁結(jié)構(gòu)破壞程度較小的情況。該方法在加固工作進(jìn)行之前，應(yīng)分析裂縫的影響程度，評(píng)估橋梁現(xiàn)有的承載能力。同時(shí)，在施工過程中，應(yīng)不斷進(jìn)行強(qiáng)度測算，以保證其承載能力。

2.2.3 粘貼鋼板（筋）加固方法

該方法主要是將加固工作所需的鋼板、鋼筋等材料通過粘合材料，將其粘貼于橋梁構(gòu)件的受拉位置的邊緣或者薄弱位置，以提升其承載能力。該方法具有施工簡單，工期短，構(gòu)件外形影響小，經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)。該加固方式的使用條件是：在使用過程中，橋梁出現(xiàn)受拉主筋，以及配筋等較為不足的情況；橋梁構(gòu)件中的受力鋼筋被破壞，不能繼續(xù)正常使用；為提升橋梁構(gòu)件的耐久性和剛度等。該種加固方式，是為了是鋼板與原橋梁結(jié)構(gòu)連成統(tǒng)一整體，從而增強(qiáng)其荷載承受能力。此外，為解決橋梁結(jié)構(gòu)的分階段受力問題，還應(yīng)適當(dāng)增大原受拉鋼筋承受的容許應(yīng)力，但不應(yīng)高于其屈服應(yīng)力，并應(yīng)控制該區(qū)域混凝土的壓應(yīng)力情況。

3 結(jié)論

隨著使用時(shí)間的增長，在自然環(huán)境和使用環(huán)境的共同作用下，橋梁的部分位置常出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，而裂縫多演變?yōu)闃蛄旱亩喾N病害問題。上述問題將嚴(yán)重危及橋梁的承載力、耐久性等。同時(shí)，裂縫除影響橋梁承載力外，還會(huì)引發(fā)鋼筋銹蝕問題，進(jìn)而影響橋梁的使用壽命，降低其使用功能和安全系數(shù)。此外，混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)破壞乃至坍塌，多由裂縫發(fā)展而來。因此，探究混凝土橋梁裂縫的形成機(jī)理，并制定橋梁裂縫的控制措施，是本文的主要研究內(nèi)容。

針對(duì)上述問題，本文重點(diǎn)研究了混凝土橋梁裂縫的形成機(jī)理和控制措施。在橋梁裂縫形成機(jī)理部分，首先總體概述了橋梁裂縫的形成機(jī)理，然后從荷載原因、溫度原因、收縮原因、基礎(chǔ)變形和鋼筋銹蝕等方面，分析了橋梁裂縫的形成機(jī)理。在控制措施部分，本文重點(diǎn)介紹了橋梁裂縫的修補(bǔ)方法和加固方法。在橋梁裂縫修補(bǔ)方法方面，本文闡述了表面封閉修補(bǔ)方法、壓力灌漿修補(bǔ)方法等兩種常用方法。在橋梁加固方法方面，本文介紹了增大截面和配筋的加固方法、噴混凝土加固方法和粘貼鋼板（筋）加固方法等三種方法。

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