道路橋梁設(shè)計(jì)與施工裂縫成因分析研究

羅奕城

[經(jīng)通空間技術(shù)（河源）有限公司,廣東 河源 517000]

0 引言

道路橋梁的設(shè)計(jì)和施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到不同的病害或者問題，尤其是裂縫的出現(xiàn)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、使用年限以及通行安全均會(huì)造成不同程度的影響。裂縫問題在道路橋梁施工中較為普遍，對(duì)施工建設(shè)進(jìn)度以及運(yùn)營階段的使用均會(huì)造成一定的危害，同時(shí)也會(huì)形成安全隱患。如果前期施工中不能有效控制施工質(zhì)量，裂縫等問題將會(huì)在道路橋梁后期使用的過程中發(fā)展得更為嚴(yán)重。裂縫出現(xiàn)和發(fā)展的原因較多，工程前期設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)、設(shè)計(jì)參數(shù)選取偏差以及施工期間外部環(huán)境（自然環(huán)境、荷載作用、外部偶然破壞等）、材料質(zhì)量等影響均會(huì)導(dǎo)致裂縫的形成[1]。橋梁未設(shè)置完善的排水設(shè)施，大量的積水會(huì)通過裂縫滲入橋體內(nèi)部，加速了裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，未充分考慮到荷載的問題，設(shè)計(jì)荷載遠(yuǎn)小于實(shí)際載荷也會(huì)導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。在當(dāng)初設(shè)計(jì)及施工過程中，原材料的質(zhì)量問題也會(huì)導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。

裂縫出現(xiàn)位置的差異，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響程度也存在一定的不同。在橋梁施工建設(shè)過程中，裂縫產(chǎn)生后所引起的滲透作用是嚴(yán)重影響橋梁安全的外延結(jié)果之一，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生不可修復(fù)的破壞，對(duì)橋體構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[2]。此外，隨著裂縫對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)長時(shí)間的不斷發(fā)展作用，橋梁的使用年限同樣會(huì)因?yàn)榱芽p的出現(xiàn)而縮短。因此，結(jié)合實(shí)際工程條件，在設(shè)計(jì)和施工階段對(duì)道路橋梁的質(zhì)量做好把控，采用有效的技術(shù)措施針對(duì)裂縫等問題進(jìn)行控制和修復(fù)，才能進(jìn)一步提高道路橋梁的整體質(zhì)量和運(yùn)營年限。

1 道路橋梁設(shè)計(jì)與施工裂縫成因類型

1.1 荷載裂縫

在道路橋梁的使用期間，由于橋梁自重以及車輛載重等荷載長期的作用，導(dǎo)致道路橋梁長期承擔(dān)較大的作用荷載。在荷載力以及次應(yīng)力的共同影響下，道路橋梁會(huì)由于其影響形成荷載裂縫。此類裂縫與其他類型的裂縫不同，其裂縫特征并不固定，隨著道路橋梁荷載作用情況的不同而出現(xiàn)不同的發(fā)展。通常情況下，荷載裂縫在橋梁振動(dòng)嚴(yán)重部位、受拉/剪區(qū)域以及中心受壓區(qū)域出現(xiàn)的可能性更高[3]。不同受力結(jié)構(gòu)下，荷載裂縫主要分為三類：首先是中心受壓，此類作用荷載形成的裂縫沿受力方向逐漸衍生出平行且短而密的裂縫，荷載裂縫的出現(xiàn)部位多見于橋梁橋墩結(jié)構(gòu)處。其次是受彎情況下的荷載裂縫，此類裂縫通常出現(xiàn)于彎矩最大截面處，從受拉區(qū)的邊緣部位開始逐漸發(fā)展演變，且荷載裂縫趨向中和軸延伸，與受拉方向呈現(xiàn)出90°左右的夾角。然后是受剪出現(xiàn)的裂縫，當(dāng)橋梁抗剪切筋、橋梁主筋因設(shè)計(jì)問題而出現(xiàn)箍筋過密現(xiàn)象時(shí)則會(huì)出現(xiàn)荷載裂縫，角度至少為45°，沿梁端腹部位置呈傾斜分布。梁中下部的斜裂縫出現(xiàn)主要是由于橋梁箍筋結(jié)構(gòu)受到剪切荷載的破壞所致。圖1 為中心受壓狀態(tài)下的荷載裂縫以及彎曲裂縫與剪切裂縫的示意圖。

圖1 常見荷載裂縫的主要類型

1.2 溫度裂縫

道路橋梁多采用混凝土作為結(jié)構(gòu)的主要材料，而混凝土屬于具有熱脹冷縮特性的材料，熱脹冷縮的特性會(huì)導(dǎo)致混凝土橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。因此，溫度的變化也是引起道路橋梁出現(xiàn)裂縫的主要原因之一。基于道路橋梁施工的出發(fā)點(diǎn)，澆筑期間的混凝土內(nèi)部會(huì)形成水化熱，但是由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較低，所產(chǎn)生的大量熱量無法及時(shí)向外傳導(dǎo)，在其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)較高的溫度場(chǎng)，如果外界的溫度相對(duì)較低，內(nèi)外部形成一定的溫差，此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。受到溫度應(yīng)力的作用，混凝土可能會(huì)在施工過程中出現(xiàn)溫度裂縫，對(duì)道路橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響[4]。道路橋梁混凝土由于溫度所產(chǎn)生的漲縮特性與混凝土骨料成分、混凝土強(qiáng)度以及溫度降低速率（幅度）等參數(shù)的變化相關(guān)。因此，需要采取相關(guān)的溫控措施對(duì)橋梁混凝土澆筑過程中溫度的變化進(jìn)行控制，避免裂縫的出現(xiàn)。此外，需避免晝夜溫差較大、大體積連續(xù)澆筑等因素導(dǎo)致的溫度裂縫。

1.3 施工裂縫

施工不規(guī)范所導(dǎo)致的道路橋梁裂縫稱為施工裂縫，道路橋梁施工過程的管控情況會(huì)影響到結(jié)構(gòu)質(zhì)量。如果道路橋梁混凝土材料的配比不合適會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)的情況更為普遍；未按照相關(guān)工序要求的順序進(jìn)行施工作業(yè)同樣會(huì)引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)施工裂縫[5]。除此之外，施工過程中局部堆積過多的材料或者設(shè)備所引起的荷載過大的情況也會(huì)引起裂縫問題。在設(shè)計(jì)階段，如果道路橋梁泄水孔周邊受力情況無法得到改善，所受作用力超出其承載能力，也會(huì)導(dǎo)致施工裂縫的出現(xiàn)。如圖2 所示，給出了道路橋梁施工中裂縫成因的主要影響因素。

2 道路橋梁設(shè)計(jì)與施工裂縫防控措施

2.1 工程概況

龍川至連平公路是河源市規(guī)劃的“三縱四橫三連一環(huán)”十一條線路組成主干線公路網(wǎng)，是“連一、橫一、連二”的重要路段。龍川至連平公路起自龍川縣城與國道G205相接，終點(diǎn)接國道G105 到達(dá)連平縣城。龍川至和平段貫穿龍川、和平兩縣，全長81 km。東水東江大橋位于和平縣境內(nèi)，連接?xùn)|水鎮(zhèn)與四都鎮(zhèn)，是浰龍線的控制性工程。該項(xiàng)目在距上游稔坑樞紐約5.2 km、下游羅營口樞紐約4.8 km 處橫跨東江。設(shè)計(jì)起點(diǎn)位于龍川縣四都鎮(zhèn)，起點(diǎn)樁號(hào)為 K27+288，終點(diǎn)止于和平縣東水鎮(zhèn)，終點(diǎn)樁號(hào)為K28+400。引道與橋梁全長1 112 m，其中橋梁全長508 m，全寬11.5 m。

2.2 道路橋梁設(shè)計(jì)與施工裂縫防控措施

2.2.1 優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)方案

從設(shè)計(jì)端進(jìn)行優(yōu)化提升是解決道路橋梁裂縫問題的重要手段，在此過程中要對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行充分分析和評(píng)估。設(shè)計(jì)人員進(jìn)行項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境和周圍生態(tài)情況的勘察分析，是保障設(shè)計(jì)方案合理性的基礎(chǔ)。此外，科學(xué)地統(tǒng)籌規(guī)劃和設(shè)計(jì)，選取合適的設(shè)計(jì)參數(shù)以保障設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和合理性同樣是避免出現(xiàn)裂縫問題的重要環(huán)節(jié)。進(jìn)一步優(yōu)化鋼筋和水泥的配比設(shè)計(jì)，確保道路橋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋數(shù)量和質(zhì)量，能夠提升設(shè)計(jì)橋梁的安全性能。機(jī)械荷載的設(shè)計(jì)是確保其設(shè)計(jì)的荷載能力的關(guān)鍵，在進(jìn)行機(jī)械荷載的設(shè)計(jì)時(shí)必須保障道路橋梁的實(shí)際荷載在混凝土承受強(qiáng)度的范圍內(nèi)。如表1 所示，給出了東江大橋部分主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選取情況。

表1 東江大橋部分主要設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

在該項(xiàng)目中，對(duì)于引橋上部結(jié)構(gòu)而言，30 m 裝配式小箱梁結(jié)構(gòu)體系為先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)的結(jié)構(gòu)，按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A 類構(gòu)件設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用不同的軟件進(jìn)行分析；荷載橫向分配系數(shù)采用剛性橫梁法、剛接板（梁）法和梁格法三種計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析，取大值控制設(shè)計(jì)。

2.2.2 控制施工溫度

道路橋梁的混凝土施工過程中，外界環(huán)境（尤其是溫度）的變化對(duì)其穩(wěn)固性能的影響更為顯著。因此，混凝土澆筑過程中的溫控對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有十分重要的影響。基于前述分析可知，混凝土需要盡可能地選擇水化熱較低的水泥材料，同時(shí)需要做好混凝土灑水養(yǎng)護(hù)制度。在該項(xiàng)目梁體混凝土澆筑過程中，應(yīng)連續(xù)澆筑、一次成形，每片預(yù)制梁澆筑總時(shí)間不宜超過6 h，模板及鋼筋溫度宜在5~35 ℃，預(yù)制梁混凝土拌和物入模溫度宜在5~30 ℃。此外，所有混凝土澆筑后均需采取保濕養(yǎng)護(hù)措施，預(yù)制梁拆模時(shí)梁體混凝土芯部與表層、箱內(nèi)與箱外、表層與環(huán)境溫度差不宜大于15 ℃，拆模后應(yīng)安裝自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并用土工布覆蓋至梁底，使其保持足夠的濕度和溫度，不能只覆蓋梁頂部分，封錨混凝土澆筑后，靜置1~2 h，帶模澆水養(yǎng)護(hù)，常溫下一般養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d。

2.2.3 保障施工材料質(zhì)量

該項(xiàng)目的混凝土材料在配比設(shè)計(jì)時(shí)，C40 以上混凝土宜采用不低于425 號(hào)硅酸鹽水泥澆筑，所采用砂、石料、水的技術(shù)質(zhì)量必須符合相關(guān)規(guī)定，且混凝土所采用水泥、砂、石料避免使用堿性材料。混凝土細(xì)骨料采用中粗砂，不得采用細(xì)砂。如圖3 所示，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50476—2008），給出了該道路橋梁施工材料中不同混凝土標(biāo)號(hào)的水膠比和水泥用量。上部構(gòu)造最大氯離子含量0.06%，最大堿含量1.8 kg·m-3，墩臺(tái)及樁基混凝土最大氯離子含量0.1%，最大堿含量1.8 kg·m-3。

圖3 不同混凝土標(biāo)號(hào)的水膠比及水泥用量

對(duì)于鋼筋材料的選取而言，普通鋼筋采用HPB300和HRB400 鋼筋，鋼筋應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范的強(qiáng)制性要求和規(guī)定。對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼絞線，主、引橋箱梁縱向預(yù)應(yīng)力和主橋橫隔梁預(yù)應(yīng)力均采用符合《預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T5224—2003）的低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱直徑ΦS15.2 mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，松弛率不大于3.5%。鋼板和鋼構(gòu)件的材料確定時(shí)，橋面系及附屬構(gòu)造鋼構(gòu)件均采用Q235B 鋼材，要求符合相關(guān)要求。

2.2.4 提升橋梁養(yǎng)護(hù)措施

道路橋梁竣工并投入運(yùn)營之后，由于荷載的作用以及其他環(huán)境因素的影響更容易導(dǎo)致裂縫問題的出現(xiàn)。道路橋梁裂縫問題的發(fā)生和持續(xù)演變不僅影響道路橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性能和運(yùn)營壽命，還會(huì)對(duì)通行車輛的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，影響到人們的財(cái)產(chǎn)和人身安全。因此，對(duì)于投入運(yùn)營之后的道路橋梁進(jìn)行合理的養(yǎng)護(hù)和維修工作十分必要，不僅可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的裂縫等問題，還能夠及時(shí)排查其他病害，為橋梁的維修養(yǎng)護(hù)提供指導(dǎo).確保養(yǎng)護(hù)工作落到實(shí)處是提升道路橋梁的穩(wěn)定性能的重要基礎(chǔ)和前提。

3 結(jié)語

該文通過分析道路橋梁裂縫的基本類型，從道路橋梁設(shè)計(jì)與施工過程控制的角度總結(jié)了道路橋梁裂縫出現(xiàn)和演變的原因。與此同時(shí)，結(jié)合東江大橋的實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)和施工過程，進(jìn)一步討論了道路橋梁設(shè)計(jì)與施工過程中裂縫控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和具體措施，并得出如下結(jié)論：

（1）道路橋梁裂縫產(chǎn)生的因素較多，設(shè)計(jì)與施工中常見的裂縫類型主要為荷載裂縫、溫度裂縫以及施工裂縫。針對(duì)不同的裂縫類型需要結(jié)合項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行綜合勘察設(shè)計(jì)，同時(shí)強(qiáng)化施工管理，保障橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

（2）道路橋梁混凝土材料配比、鋼筋性能確定以及施工過程的控制均會(huì)直接影響道路橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和使用年限，通過材料的選取以及溫度控制等措施，同時(shí)提升橋梁的養(yǎng)護(hù)手段，能夠減少裂縫問題的出現(xiàn)，提升道路橋梁的整體性能。