淺析施工和使用中鋼筋混凝土橋梁裂縫防治

吳 俊

（山西省交通建設工程監理總公司）

混凝土為脆性材料,抗拉強度僅是抗壓強度的1/10左右,具有易開裂的缺點。實際上幾乎所有混凝土構件均是帶裂縫工作的。只是有些微裂縫很細很淺,肉眼甚至看不見,對結構功能無大危害而允許存在；但有些裂縫在使用荷載和外界物理、化學因素作用下會不斷擴大而發展為可見裂縫,引起混凝土碳化保護層剝落,強度和剛度受到削弱,耐久性降低,嚴重的會引起結構內鋼筋銹蝕,降低結承載力,危害結構的正常使用。從固體強度理論可知,裂縫擴展是結構物破壞的初始階段,因此,從該環節入手對裂縫種類及成因進行分析,是有助于進一步提高橋梁工程質量的。

1 混凝土橋梁的裂縫種類及形成原因

橋梁產生的裂縫主要分為溫度裂縫、收縮裂縫、結構裂縫、凍脹裂縫、基礎變位裂縫、鋼筋銹蝕裂縫及施工裂縫等。

（1）溫度裂縫

當外部環境或結構內部溫度變化時,結構內產生應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。在某些大跨境橋梁中,溫度裂縫不是瞬間發生的,是在一段時間內緩慢發生的。引溫度變化的因素有下列幾項。

①水化熱。大體積混凝土硬化期間由于水泥水化放熱,當內外溫差過大時就會導致表面出現裂縫。

②年溫差。四季溫度不斷變化,導致橋梁產生縱向位移,當結構縱向受到限制時就會引起溫度裂縫。

③溫度驟然升降。梁體頂面受太陽暴曬后內溫變化相對表層較慢而產生溫度梯度,導致局部拉應力較大,出現裂縫。日照荷載可使梁體產生大量的縱向裂縫,是形成裂縫的常見原因。

④施工工藝。蒸汽養護或冬季施工時構件降溫過快而出現裂縫,多為拆模后養護不夠。

（2）收縮裂縫

主要指前期的塑性收縮和后期的干縮產生的裂縫。

（3）結構裂縫

又稱荷載裂縫,主要指由外部荷載引起的直接應力及次生應力產生的裂縫,產生原因主要有如下方面。

①設計階段。勘察階段現場調查不到位或不準確、計算模型不合理、荷載少算或漏算、常規計算方法無法準確模擬構件局部應力集中的地方等。

②施工階段。施工荷載超出設計標準,施工工藝不符合規范,不按設計圖紙施工,擅自改變施工順序,改變結構受力模式。

③使用階段。大量超出設計荷載的重型車輛偶爾通過或長期作用,常見的結構裂縫主要有受彎裂縫、受剪（斜）裂縫、受扭裂縫及受拉、壓裂縫。

（4）凍脹裂縫

氣溫低于0℃時,吸水飽和的混凝土出現凍脹,使得混凝土體積膨脹產生膨脹應力,導致混凝土出現開裂。

（5）基礎及支架變位裂縫

由于基礎豎向不均勻沉降或產生位移,使結構中產生附加應力,當超出混凝土結構的抗拉能力時,就會導致結構開裂,特別是大橋、特大橋或重要結構,要對其應力、變形值有針對性的施工監測控制,來保證結構物的強度和穩定。

（6）鋼筋銹蝕裂縫

當混凝土質量較差或保護層厚不足時,至鋼筋發生銹蝕產生膨脹應力,導致混凝土保護層開裂、剝離。嚴重銹蝕可造成鋼筋有效面積減小,結構承載力下降。

（7）施工裂縫

主要由材料質量或施工質量差引起的裂縫。

2 結構裂縫的計算

我國現行橋規給出了矩形、T型和I字型截面鋼筋混凝土受彎構件最大裂縫寬度計算公式,對其它受力構件（軸心受拉、偏拉、偏壓構件）和其他截面形式（圓形）沒有明確的規定和可參照的計算公式。

（1）我國現行《公路工程橋梁設計規范》最大裂縫寬度的計算公式

在使用荷載作用下,受拉鋼筋應力簡化計算公式

（2）對公示的幾點理解

①考慮到矩形、T型和I字型截面幾何形狀相近,配筋方式相同（鋼筋集中布置于受拉區）,建議對這些截面受彎、受拉、偏心受拉、偏心受壓構件最大裂縫寬度統一按上面公式進行計算。

②嚴格來講,σg指的是受拉區最外緣鋼筋所受拉應力,而公示（2）所求σg為受拉鋼筋重心處應力,當鋼筋層數較少時（2～3層）,二者差別很小,當鋼筋層數較多時（4～5層）,則需乘以大于1的系數予以修正。

③圓形截面沿圓周均勻布筋,在荷載作用范圍內主要靠拉區最外緣螺紋鋼筋（1～2根）對裂縫起限制作用,而接近中性軸的螺紋鋼筋受力較小不能充分發揮作用,因此公式（1）應予以修正,否則偏于不安全。

3 橋梁主要裂縫的形狀及位置

通過觀察裂縫形狀及位置,準確地辨析出裂縫種類,對分析橋梁裂縫具有重要意義。通常有以下幾種。

（1）主要構造縫

裂縫寬度由受力區向非受力區逐漸變窄直至消失,呈一端寬一端細的形狀,包括：

①受彎裂縫。彎矩最大截面附近從受拉區邊緣開始出現與手拉方向垂直的裂縫,并逐漸向中性軸方向發展,此類裂縫常出現在簡支橋梁上,主要集中在跨中受拉區,裂縫為貫穿梁板的U形裂縫。對于連續梁則常出現在支點處的頂板負彎矩區。

②受剪裂縫。沿梁端（支點處）中下部梁板側面出現約45°方向相互平行的斜裂縫。

③受扭裂縫。構件一側腹部先出現多條呈45°的斜裂縫,并向相鄰面及螺旋方向展開,多出現在彎連續箱梁中。彎連續箱梁的受力比較復雜,裂縫經常是由彎矩、剪力、扭矩共同作用的結果,其結構裂縫最易出現在支點附近1/3跨徑范圍內,一般多從箱梁翼板與腹板連接處開始,逐次向兩翼發展,尤以翼板底面為最重。

（2）溫度裂縫

裂縫寬度中間較寬,向兩邊逐漸變窄直至消失,類似棗核形,區別與其他裂縫的最主要特征是隨溫度變化的擴張或合攏,出現夏天寬冬天窄和晝寬夜窄的開合現象,溫度裂縫多出現在主梁的腹板側面及翼板下緣,支點和跨中處也有可能出現。

（3）收縮縫

混凝土收縮縫一般屬表面微裂縫,裂縫寬度較細,且縱橫交錯,成龜裂狀,形狀沒有規律。

4 橋梁裂縫的主要解決措施

鋼筋混凝土橋梁裂縫成因復雜繁多,甚至多種因素相互影響,但每條裂縫均有其產生的一種或幾種主要原因。現實中普通鋼筋混凝土橋梁裂縫主要為溫度裂縫,個別的也會出現結構裂縫和收縮裂縫,出現裂縫的結構主要為橋面鋪裝和主梁或蓋梁。

（1）橋面鋪裝裂縫

①若橋面鋪裝鋼筋網位置偏低,混凝土較厚的地方與下層鋼筋沒有足夠的握裹力,容易引起鋪裝層的開裂,對較厚的鋪裝層,可設上下兩層鋼筋。

②大面積橋面混凝土澆筑順序要合理安排,并加強鋪裝混凝土與梁頂混凝土之間的連接。

③添加纖維及添加劑,來增加混凝土的抗裂性能。

（2）梁體裂縫

①構造縫。主梁腹板的主筋一般比較合理,而主梁翼板鋼筋容易被忽略,應加強翼板頂面及底面的鋼筋；增加橫隔梁的剛度及數量,提高梁體的橫向剛度；避免主梁斷面的突變,盡量采用漸變方式,如無法避免則局部加強鋼筋；現澆主梁或蓋梁時要保證臨時支架的剛度和穩定。

②溫度和收縮縫。現澆連續箱梁較容易出現溫度裂縫。在橋梁施工中混凝土材料構成及施工養護方法則是形成溫度裂縫的主要因素。溫度應力往往和混凝土的干縮應力共同作用形成裂縫,而且混凝土的徐變會使溫度應力有較大的松弛,所以很難準確計算出溫度裂縫的分布和大小。主要防治措施：

a在滿足規范的前提下,盡量減少水泥的用量,以減少混泥土的收縮；添加減水劑和防裂劑能有效減少混凝土中水和水泥的用量,盡量選擇水化熱低的水泥品種,混凝土的早期膨脹大則后期的收縮就大,可有條件地選擇能降低混凝土膨脹率及后期收縮的添加劑。

b盡量降低拌和料的溫度,熱天澆注時盡量選低溫時間進行,合理安排澆筑順序,結構較厚時宜分層澆注。

c加強振搗,必要時可以采用兩次震搗,以增加混凝土密實度,提高強度和抗裂性能。

d加強養護,適當增加構造筋數量,最好選擇小直徑鋼筋小間距布置,可有效地提高混凝土的抗裂性能；保證合理的鋼筋凈保護層厚度；設計中盡量避免構件截面厚薄差別過大。

5 橋梁在使用過程中出現裂縫的救治

施工中出現的裂縫一般都會被及時發現并采取補救措施,橋梁的主要裂縫是在橋梁使用過程中出現的溫度裂縫和收縮裂縫,通過對多座建成不久即出現裂縫的橋梁進行分析,發現主梁使用初期出現的溫度裂縫往往是因為施工中養護不當所致,這種裂縫一般都是慢慢出現的,屬于淺層裂縫,開始時裂縫比較稀比較細,不會影響主梁的正常使用,但裂縫會逐漸發展,需要注意對裂縫的發生和發展進行觀察。一般通車半年后裂縫才會逐漸穩定,若出現較大面積裂縫,且大部分裂縫寬度達到0.15㎜以上時就要及時采取措施,否則會對結構的強度和耐久性造成一定影響,這種淺層裂縫一般可用高強粘結劑PCI環氧砂漿填壓封閉處理。

6 結語

裂縫成因很多,只要科學合理的設計,采用合格的材料,規范施工,精心養護,橋梁裂縫基本上是可以避免的。

[1]公路橋涵設計通用規范（JT GD 60-2004）[M].人民交通出版社,2004.

[2]張克波.鋼筋混凝土與磚石結構[M].機械工業出版社,2003.

[3]姚玲森.橋梁工程[M].人民交通出版社,2008.