關于荷載引起混凝土橋梁裂縫的原因分析

　　混凝土因其取材廣泛、價格低廉、抗壓強度高、可澆筑成各種形狀，并且耐火性好、不易風化、養護費用低，成為當今世界建筑結構中使用最廣泛的建筑材料。但大量的工程實踐和理論分析表明，幾乎所有的混凝土構件均是帶裂縫工作的，只是有些裂縫很細，一般對結構的使用無大的危害，但有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學因素的作用下，會引起混凝土碳化、保護層剝落、鋼筋腐蝕，使混凝土的強度和剛度受到削弱，耐久性降低，嚴重時甚至發生垮塌事故，危害結構的正常使用，因此必須加以控制。目前，我國現行公路、鐵路、建筑、水利等部門設計規范均采用限制構件裂縫寬度的辦法來保障混凝土結構的正常使用。本文所討論的僅指會產生危險的裂縫。
　　近年來，我國交通基礎建設得到迅猛發展，各地興建了大量的混凝土橋梁。在橋梁建造和使用過程中，有關因出現裂縫而影響工程質量甚至導橋梁垮塌的報道屢見不鮮。為了進一步加強對混凝土橋梁裂縫的認識，本文盡可能對混凝土橋梁裂縫的種類和產生的原因作較全面的分析、總結，以方便設計、施工找出控制裂縫的可行辦法，達到防范于未然的作用。
　　混凝土橋梁在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱為荷載裂縫，歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。
　　
　　一、直接應力裂縫是指由外荷載引起的直接應力產生的裂縫
　　
　　其產生的原因有：1、設計計算階段，結構計算時不計算或部分漏算；計算模型不合理；結構受力假設與實際受力不符；荷載少算或漏算；內力與配筋計算錯誤；結構安全系數不夠。結構設計時不考慮施工的可能性；設計斷面不足；鋼筋設置偏少或布置錯誤；結構剛度不足；構造處理不當；設計圖紙交代不清等。2、施工階段，不加限制地堆放施工機具、材料；不了解預制結構結構受力特點，隨意翻身、起吊、運輸、安裝；不按設計圖紙施工，擅自更改結構施工順序，改變結構受力模式；不對結構做機器振動下的疲勞強度驗算等。3、使用階段，超出設計載荷的重型車輛過橋；受車輛、船舶的接觸、撞擊；發生大風、大雪、地震、爆炸等。
　　
　　二、次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生裂縫
　　
　　其產生的原因有：1、在設計外荷載作用下，由于結構物的實際工作狀態同常規計算有出入或計算不考慮，從而在某些部位引起次應力導致結構開裂。例如兩鉸拱橋拱腳設計時常采用布置“X”形鋼筋，同時削減該處斷面尺寸的辦法設計鉸，理論計算該處不會存在彎矩，但實際該鉸仍然能夠抗彎，以致出現裂縫而導致鋼筋銹蝕。2、橋梁結構中經常需要鑿槽、開洞、設置牛腿等，在常規計算中難以用準確的圖式進行模擬計算，一般根據經驗設置受力鋼筋。研究表明，受力構件挖孔后，力流將產生繞射現象，在孔洞附近密集，產生巨大的應力集中。在長跨預應力連續梁中，經常在跨內根據截面內力需要截斷鋼束，設置錨頭，而在錨固斷面附近經常可以看到裂縫。因此，若處理不當，在這些結構的轉角處或構件形狀突變處、受力鋼筋截斷處容易出現裂縫。
　　實際工程中，次應力裂縫是產生荷載裂縫的最常見原因。次應力裂縫多屬張拉、劈裂、剪切性質。次應力裂縫也是由荷載引起，僅是按常規一般不計算，但隨著現代計算手段的不斷完善，次應力裂縫也是可以做到合理驗算的。例如現在對預應力、徐變等產生的二次應力，不少平面桿系有限元程序均可正確計算，但在40年前卻比較困難。在設計上，應注意避免結構突變（或斷面突變），當不能回避時，應做局部處理，如轉角處做圓角，突變處做成漸變過渡，同時加強構造配筋，轉角處增配斜向鋼筋，對于較大孔洞有條件時可在周邊設置護邊角鋼。
　　
　　三、荷載裂縫特征及特點
　　
　　荷載裂縫特征依荷載不同而呈現不同的特點。這類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位。但必須指出，如果受壓區出現起皮或有沿受壓方向的短裂縫，往往是結構破壞的前兆，其原因主要是截面尺寸偏小。根據結構不同受力方式，產生的裂縫特點可分為九種：1、中心受拉。裂縫貫穿構件橫截面，間距大體相等，且垂直于受力方向。采用螺紋鋼筋時，裂縫之間出現位于鋼筋附近的次裂縫。2、中心受壓。沿構件出現平行于受力方向的短而密的平行裂縫。3、受彎。彎矩最大截面附近從受拉區邊沿開始出現與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中和軸方向發展。采用螺紋鋼筋時，裂縫間可見較短的次裂縫。當結構配筋較少時，裂縫少而寬，結構可能發生脆性破壞。4、大偏心受壓。大偏心受壓和受拉區配筋較少的小偏心受壓構件，類似于受彎構件。5、小偏心受壓。小偏心受壓和受拉區配筋較多的大偏心受壓構件，類似于中心受壓構件。6、受剪。當箍筋太密時發生斜壓破壞，沿梁端腹部出現大于45°方向的斜裂縫；當箍筋適當時發生剪壓破壞，沿梁端中下部出現約45°方向相互平行的斜裂縫。7、受扭。構件一側腹部先出現多條約45°方向斜裂縫，并向相鄰面以螺旋方向展開。8、受沖切。沿柱頭板內四側發生約45°方向斜面拉裂，形成沖切面。9、局部受壓。在局部受壓區出現與壓力方向大致平行的多條短裂縫。
　　一座橋梁從建成到使用，牽涉到設計、施工、監理、運營管理等各個方面。設計疏漏、施工低劣、監理不力，均可能使混凝土橋梁出現裂縫。因此，嚴格按照國家有關規范、技術標準進行設計、施工和監理，是保證結構安全耐用的前提和基礎。加強混凝土橋梁的荷載研究，及時發現和處理問題是相當重要的一個環節。
　　
　　（作者單位：七臺河市道路運輸管理處）