淺析橋梁工程中混凝土裂縫的成因

劉春俏 王勇

摘 要： 混凝土橋梁裂縫產生的原因，隨著社會的發展，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。混凝土早已經成為當今世界建筑結構中使用最廣泛的建筑材料之一。它取材廣泛、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。其最主要的缺點是抗拉能力差，容易開裂。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，甚至有些裂縫是肉眼看不見的（<0.05mm）。這種裂縫一般對結構的使用無大的危害，允許其存在;有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學因素的作用下，不斷產生和擴展，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。

關鍵詞： 混凝土;橋梁;裂縫

近幾年來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。混凝土開裂可以說是工程質量的一個棘手通病，經常困擾著橋梁工程技術人員。從分析裂縫產生的原因來看，如果采取一定的設計和施工措施，很多裂縫是可以克服和控制的。本文將從對混凝土橋梁裂縫的認識出發，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，以便設計、施工找出控制裂縫的可行辦法，減少和減輕混凝土裂縫產生對橋梁的危害。

一、混凝土橋梁裂縫種類、成因

從實際的施工中發現，混凝土結構裂縫的成因非常復雜，很多種因素相互影響，但每一條裂縫均有其產生的一種或幾種主要原因。混凝土橋梁裂縫的種類，就其產生的原因，大致可劃分如下幾種：

（一）、荷載引起的裂縫

荷載裂縫分為直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。荷載裂縫指混凝土橋梁在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫。

1、直接應力裂縫

直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫。裂縫產生的原因有：

（1）設計階段。結構設計時沒有充分考慮施工條件;斷面設計不足;鋼筋設置數量偏少或布置錯誤;結構剛度不足;構造處理不當;設計交底不清等。結構計算時個別部分不計算或漏算;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;沒能充分考慮模板、拱架和支架的自重;新澆筑混凝土及振搗混凝土時的荷載。

施工階段。施工單位不能嚴格按設計圖紙施工，私自變更施工順序、改變結構受力模式;隨意堆放施工機具、施工材料，增加主體結構的荷載;不了解預制構件的受力特點，隨意翻身、起吊、運輸、安裝。

（3）使用階段。受車輛、船舶的接觸、撞擊;發生大風、大雪、地震、爆炸等。超載重型車輛通過橋梁。

2、次應力裂縫

次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生的裂縫。裂縫產生的原因有：

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。

（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。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。

3、荷載裂縫及特征

（二）、溫度變化引起的裂縫

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內部溫度不斷上升，在表面引起拉應力。后期在降溫過程中，由于受到基礎或原有混凝土的約束，又會在混凝土內部出現拉應力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力，有時溫度應力可超過其它外荷載所起的應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應力可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合攏。溫度變化引起的裂縫，主要原因有：

（1）、年溫差。一年中四季溫度不斷變化，但變化相對緩慢，對橋梁結構的影響主要是導致橋梁的縱向位移，一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設置柔性墩等構造措施相協調，只有結構的位移受到限制時才會引起溫度裂縫，例如拱橋、剛架橋等。我國年溫差一般以一月和七月月平均溫度的作為變化幅度。考慮到混凝土的蠕變特性，年溫差內力計算時混凝土彈性模量應考慮折減。

（2）、日照溫差。橋面板、主梁或橋墩側面受太陽曝曬后，溫度明顯高于其它部位，溫度梯度呈非線形分布。由于受到自身約束作用，導致局部拉應力較大，出現裂縫。日照和下述驟然降溫是導致結構溫度裂縫的最常見原因。

（3）、驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結構外表面溫度突然下降，但因內部溫度變化相對較慢而產生溫度梯度。日照和驟然降溫內力計算時可采用設計規范或參考實橋資料進行，混凝土彈性模量不考慮折減。

（4）、水泥水化熱。出現在施工過程中，大體積混凝土澆筑之后由于水泥水化放熱，致使內部溫度很高，內外溫差太大，致使表面出現裂縫。施工中應根據實際情況，盡量選擇水化熱低的水泥品種，限制水泥單位用量，減少骨料入模溫度，降低內外溫差，并緩慢降溫，必要時可采用循環冷卻系統進行內部散熱，或采用薄層連續澆筑以加快散熱。例如：全面分層、分段分層、斜面分層澆筑等。

二 、收縮引起的裂縫

在實際工程中，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）是發生混凝土體積變形的主要原因，另外還有自生收縮和炭化收縮。

（一）、縮水收縮（干縮）

混凝土結硬以后，隨著表層水分逐步蒸發，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，內部損失慢，因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當表面混凝土承受拉力超過其抗拉強度時，便產生收縮裂縫。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龜裂裂紋。

（二）、塑性收縮

發生在施工過程中、混凝土澆筑后4～5小時左右，此時水泥水化反應激烈，分子鏈逐漸形成，出現泌水和水分急劇蒸發，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。塑性收縮所產生量級很大，可達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。在構件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂底板交接處，因硬化前沉實不均勻將發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，豎向變截面處宜分層澆筑。

（三）、炭化收縮。

大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發生化學反應引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發生，且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計算。

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

三、材料質量引起的裂縫

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌合水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質量不合格，可能導致結構出現裂縫。拌合水或外加劑中氯化物等雜質含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或堿泉水拌制混凝土，或采用含有堿的外加劑，可能對堿骨料反應有影響。