橋梁裂縫產(chǎn)生原因淺析

林雪堅(jiān) 朱君敏

（永嘉縣交通工程公司，浙江永嘉325102）

近年來，我省交通基礎(chǔ)建設(shè)得到迅猛發(fā)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(guān)因出現(xiàn)裂縫而影響工程質(zhì)量甚至導(dǎo)橋梁垮塌的報道屢見不鮮。混凝土開裂可以說是“常發(fā)病”和“多發(fā)病”，經(jīng)常困擾著橋梁工程技術(shù)人員。其實(shí)，如果采取一定的設(shè)計(jì)和施工措施，很多裂縫是可以克服和控制的。 為了進(jìn)一步加強(qiáng)對混凝土橋梁裂縫的認(rèn)識，盡量避免工程中出現(xiàn)危害較大的裂縫，本文盡可能對混凝土橋梁裂縫的種類和產(chǎn)生的原因作較全面的分析、 總結(jié)，以方便設(shè)計(jì)、施工找出控制裂縫的可行辦法，達(dá)到防范于未然的作用。

實(shí)際上，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜而繁多，甚至多種因素相互影響，但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要原因。 混凝土橋梁裂縫的種類，就其產(chǎn)生的原因，大致可劃分如下幾種：

1 荷載引起的裂縫

混凝土橋梁在常規(guī)靜、 動荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱荷載裂縫，歸納起來主要有直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。 裂縫產(chǎn)生的原因有：

1）設(shè)計(jì)計(jì)算階段，結(jié)構(gòu)計(jì)算時不計(jì)算或部分漏算；計(jì)算模型不合理；結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符；荷載少算或漏算；內(nèi)力與配筋計(jì)算錯誤；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時不考慮施工的可能性；設(shè)計(jì)斷面不足；鋼筋設(shè)置偏少或布置錯誤；結(jié)構(gòu)剛度不足；構(gòu)造處理不當(dāng)；設(shè)計(jì)圖紙交代不清等。

2）施工階段，不加限制地堆放施工機(jī)具、材料；不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，隨意翻身、起吊、運(yùn)輸、安裝；不按設(shè)計(jì)圖紙施工，擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力模式；不對結(jié)構(gòu)做機(jī)器振動下的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算等。

3）使用階段，超出設(shè)計(jì)載荷的重型車輛過橋；受車輛、船舶的接觸、撞擊；發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震等原因。次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生裂縫。

實(shí)際工程中，次應(yīng)力裂縫是產(chǎn)生荷載裂縫的最常見原因。 次應(yīng)力裂縫多屬張拉、劈裂、剪切性質(zhì)。 次應(yīng)力裂縫也是由荷載引起，僅是按常規(guī)一般不計(jì)算，但隨著現(xiàn)代計(jì)算手段的不斷完善，次應(yīng)力裂縫也是可以做到合理驗(yàn)算的。在設(shè)計(jì)上，應(yīng)注意避免結(jié)構(gòu)突變（或斷面突變），當(dāng)不能回避時，應(yīng)做局部處理，如轉(zhuǎn)角處做圓角，突變處做成漸變過渡，同時加強(qiáng)構(gòu)造配筋，轉(zhuǎn)角處增配斜向鋼筋，對于較大孔洞有條件時可在周邊設(shè)置護(hù)邊角鋼。

2 溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)， 當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時即產(chǎn)生溫度裂縫。 在某些大跨徑橋梁中，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超出活載應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴(kuò)張或合攏。

3 收縮引起的裂縫

在實(shí)際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。 在混凝土收縮種類中，塑性收縮和縮水收縮（干縮）是發(fā)生混凝土體積變形的主要原因。

塑性收縮主要發(fā)生在施工過程中、 混凝土澆筑后4～5 小時左右，此時水泥水化反應(yīng)激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時骨料因自重下沉，因此時混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。 塑性收縮所產(chǎn)生量級很大，可達(dá)1%左右。 在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋，便形成沿鋼筋方向的裂縫。 在構(gòu)件豎向變截面處如T 梁、箱梁腹板與頂?shù)装褰唤犹帲蛴不俺翆?shí)不均勻?qū)l(fā)生表面的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮，施工時應(yīng)控制水灰比，避免過長時間的攪拌，下料不宜太快，振搗要密實(shí)，豎向變截面處宜分層澆筑。

縮水收縮（干縮）主要發(fā)生在混凝土結(jié)硬以后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮（干縮）。 因混凝土表層水分損失快，內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當(dāng)表面混凝土承受拉力超過其抗拉強(qiáng)度時，便產(chǎn)生收縮裂縫。混凝土硬化后收縮主要就是縮水收縮。如配筋率較大的構(gòu)件（超過3%），鋼筋對混凝土收縮的約束比較明顯，混凝土表面容易出現(xiàn)龜裂裂紋。

混凝土收縮裂縫的特點(diǎn)是大部分屬表面裂縫， 裂縫寬度較細(xì)，且縱橫交錯，成龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律。

4 地基礎(chǔ)變形引起的裂縫

由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。基礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因有：

1）地質(zhì)勘察精度不夠、試驗(yàn)資料不準(zhǔn)。 在沒有充分掌握地質(zhì)情況就設(shè)計(jì)、施工，這是造成地基不均勻沉降的主要原因。比如丘陵區(qū)或山嶺區(qū)橋梁，勘察時鉆孔間距太遠(yuǎn)，而地基巖面起伏又大，勘察報告不能充分反映實(shí)際地質(zhì)情況。

2）地基地質(zhì)差異太大。 建造在山區(qū)溝谷的橋梁，河溝處的地質(zhì)與山坡處變化較大，河溝中甚至存在軟弱地基，地基土由于不同壓縮性引起不均勻沉降。

3）結(jié)構(gòu)荷載差異太大。 在地質(zhì)情況比較一致條件下，各部分基礎(chǔ)荷載差異太大時，有可能引起不均勻沉降，例如高填土箱形涵洞中部比兩邊的荷載要大，中部的沉降就要比兩邊大，箱涵可能開裂。

4）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別大。 同一聯(lián)橋梁中，混合使用不同基礎(chǔ)如擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，或同時采用樁基礎(chǔ)但樁徑或樁長差別大時，或同時采用擴(kuò)大基礎(chǔ)但基底標(biāo)高差異大時，也可能引起地基不均勻沉降。

5）分期建造的基礎(chǔ)。 在原有橋梁基礎(chǔ)附近新建橋梁時，如分期修建的高速公路左右半幅橋梁，新建橋梁荷載或基礎(chǔ)處理時引起地基土重新固結(jié)，均可能對原有橋梁基礎(chǔ)造成較大沉降。

6）地基凍脹。在低于零度的條件下含水率較高的地基土因冰凍膨脹；一旦溫度回升，凍土融化，地基下沉。 因此地基的冰凍或融化均可造成不均勻沉降。

7）橋梁基礎(chǔ)置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質(zhì)時，可能造成不均勻沉降。

8）橋梁建成以后，原有地基條件變化。 大多數(shù)天然地基和人工地基浸水后，尤其是素填土、黃土、膨脹土等特殊地基土，土體強(qiáng)度遇水下降，壓縮變形加大。在軟土地基中，因人工抽水或干旱季節(jié)導(dǎo)致地下水位下降，地基土層重新固結(jié)下沉，同時對基礎(chǔ)的上浮力減小，負(fù)摩阻力增加，基礎(chǔ)受荷加大。有些橋梁基礎(chǔ)埋置過淺，受洪水沖刷、淘挖，基礎(chǔ)可能位移。地面荷載條件的變化，如橋梁附近因塌方、山體滑坡等原因堆置大量廢方、砂石等，橋址范圍土層可能受壓縮再次變形。 因此，使用期間原有地基條件變化均可能造成不均勻沉降。

5 鋼筋銹蝕引起的裂縫

由于混凝土質(zhì)量較差或保護(hù)層厚度不足，混凝土保護(hù)層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面，使鋼筋周圍混凝土堿度降低，或由于氯化物介入，鋼筋周圍氯離子含量較高，均可引起鋼筋表面氧化膜破壞，鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應(yīng)，其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2～4 倍， 從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫，并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕，使得鋼筋有效斷面面積減小，鋼筋與混凝土握裹力削弱，結(jié)構(gòu)承載力下降，并將誘發(fā)其它形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

要防止鋼筋銹蝕，設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求控制裂縫寬度、采用足夠的保護(hù)層厚度（當(dāng)然保護(hù)層亦不能太厚，否則構(gòu)件有效高度減小，受力時將加大裂縫寬度）；施工時應(yīng)控制混凝土的水灰比，加強(qiáng)振搗，保證混凝土的密實(shí)性，防止氧氣侵入，同時嚴(yán)格控制含氯鹽的外加劑用量，沿海地區(qū)或其它存在腐蝕性強(qiáng)的空氣、地下水地區(qū)尤其應(yīng)慎重。

6 凍脹引起的裂縫

大氣氣溫低于零度時，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹9%，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水（結(jié)冰溫度在-78°以下）在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強(qiáng)度降低，并導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴(yán)重，成齡后混凝土強(qiáng)度損失可達(dá)30%～50%。 冬季施工時對預(yù)應(yīng)力孔道灌漿后若不采取保溫措施也可能發(fā)生沿管道方向的凍脹裂縫。

溫度低于零度和混凝土吸水飽和是發(fā)生凍脹破壞的必要條件。當(dāng)混凝土中骨料空隙多、吸水性強(qiáng)；骨料中含泥土等雜質(zhì)過多；混凝土水灰比偏大、振搗不密實(shí)；養(yǎng)護(hù)不力使混凝土早期受凍等，均可能導(dǎo)致混凝土凍脹裂縫。冬季施工時，采用電氣加熱法、暖棚法、地下蓄熱法、蒸汽加熱法養(yǎng)護(hù)以及在混凝土拌和水中摻入防凍劑（但氯鹽不宜使用），可保證混凝土在低溫或負(fù)溫條件下硬化。

7 施工材料質(zhì)量引起的裂縫

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。 配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

8 施工質(zhì)量引起的裂縫

1）用泵送混凝土施工時，為保證混凝土的流動性，增加水和水泥用量，或因其它原因加大了水灰比，導(dǎo)致混凝土凝結(jié)硬化時收縮量增加，使得混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。

2）混凝土分層或分段澆筑時，接頭部位處理不好，易在新舊混凝土和施工縫之間出現(xiàn)裂縫。如混凝土分層澆筑時，后澆混凝土因停電、下雨等原因未能在前澆混凝土初凝前澆筑， 引起層面之間的水平裂縫；采用分段現(xiàn)澆時，先澆混凝土接觸面鑿毛、清洗不好，新舊混凝土之間粘結(jié)力小，或后澆混凝土養(yǎng)護(hù)不到位，導(dǎo)致混凝土收縮而引起裂縫。

3）混凝土早期受凍，使構(gòu)件表面出現(xiàn)裂紋，或局部剝落，或脫模后出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象。

4）施工時模板剛度不足，在澆筑混凝土?xí)r，由于側(cè)向壓力的作用使得模板變形，產(chǎn)生與模板變形一致的裂縫。

5）施工時拆模過早，混凝土強(qiáng)度不足，使得構(gòu)件在自重或施工荷載作用下產(chǎn)生裂縫。

6）施工前對支架壓實(shí)不足或支架剛度不足，澆筑混凝土后支架不均勻下沉，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。

7）裝配式結(jié)構(gòu)，在構(gòu)件運(yùn)輸、堆放時，支承墊木不在一條垂直線上，或懸臂過長，或運(yùn)輸過程中劇烈顛撞；吊裝時吊點(diǎn)位置不當(dāng)，T 梁等側(cè)向剛度較小的構(gòu)件，側(cè)向無可靠的加固措施等，均可能產(chǎn)生裂縫。

8）安裝順序不正確，對產(chǎn)生的后果認(rèn)識不足，導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫。如鋼筋混凝土連續(xù)梁滿堂支架現(xiàn)澆施工時，鋼筋混凝土墻式護(hù)欄若與主梁同時澆筑，拆架后墻式護(hù)欄往往產(chǎn)生裂縫；拆架后再澆筑護(hù)欄，則裂縫不易出現(xiàn)。

9）施工質(zhì)量控制差。 任意套用混凝土配合比，水、砂石、水泥材料計(jì)量不準(zhǔn)，結(jié)果造成混凝土強(qiáng)度不足和其他性能（和易性、密實(shí)度）下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

9 總結(jié)語

一座橋梁從建成到使用，牽涉到設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、運(yùn)營管理等各個方面。由上述可知，設(shè)計(jì)疏漏、施工低劣、監(jiān)理不力，均可能使混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫。 因此，嚴(yán)格按照國家有關(guān)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理，是保證結(jié)構(gòu)安全耐用的前提和基礎(chǔ)。在運(yùn)營管理過程中，進(jìn)一步加強(qiáng)巡查和管理，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題，也是相當(dāng)重要的一個環(huán)節(jié)。