鋼筋混凝土橋梁裂縫成因分析與對(duì)策
2011-06-01 來源：共享資料網(wǎng)
一、概述
混凝土橋梁在建造和使用過程中出現(xiàn)裂縫比較普遍，裂縫不僅影響橋梁的外觀、影響著橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，嚴(yán)重的甚至影響結(jié)構(gòu)的安全性。如果不及時(shí)進(jìn)行處理，橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命將大大縮短，橋梁坍塌的事件也時(shí)有發(fā)生。為了最大限度減小裂縫對(duì)橋梁耐久性和安全性的影響，本文對(duì)混凝土橋梁的裂縫進(jìn)行分類，對(duì)裂縫形成的原因進(jìn)行分析，并針對(duì)不同的裂縫提出了不同的處理方法。
二、混凝土橋梁裂縫成因分析
混凝土橋梁裂縫可分為5大類：荷載裂縫、溫度裂縫、收縮裂縫、沉降裂縫、腐蝕裂縫。
1．荷載裂縫
荷載裂縫是指鋼筋混凝土橋梁在常規(guī)靜、動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的裂縫。荷載裂縫產(chǎn)生的原因有：
（1）設(shè)計(jì)計(jì)算階段，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(cuò)誤；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)截面承載力不足；鋼筋設(shè)置偏少或布置錯(cuò)誤；結(jié)構(gòu)剛度不足；構(gòu)造處理不當(dāng)?shù)取?br />
（2）施工階段，施工機(jī)具、材料堆放不合理；預(yù)制結(jié)構(gòu)翻身、起吊、運(yùn)輸、安裝不當(dāng)，造成結(jié)構(gòu)受力不合理；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(duì)結(jié)構(gòu)做機(jī)器振動(dòng)下的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算等。
（3）使用階段，車輛超載和超速行駛是橋梁出現(xiàn)裂縫的重要原因。超載會(huì)使橋梁產(chǎn)生過大的變形，使受拉區(qū)和受剪區(qū)混凝土開裂；超速行駛會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)大的沖擊，導(dǎo)致橋梁混凝土局部應(yīng)力過大，形成裂縫。另外，車輛、船舶的撞擊，大風(fēng)、大雪、地震、爆炸都會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。
2．溫度裂縫
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)力超過混凝土抗拉極限應(yīng)力時(shí)就會(huì)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。引起溫度裂縫主要因素是溫度差，包括：
（1）年溫差。一年四季溫度不斷變化，變化相對(duì)緩慢，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向伸縮，一般通過橋面伸縮縫、支座位移或設(shè)置柔性墩等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào)，但結(jié)構(gòu)的位移受到限制時(shí)就會(huì)引起溫度裂縫，例如拱橋、剛架橋超靜定結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)不能自由伸縮，很容易出現(xiàn)此類裂縫
（2）日照溫差。橋面板、主梁或橋墩側(cè)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(dǎo)致局部拉應(yīng)力較大，出現(xiàn)裂縫。
（3）驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對(duì)較慢而產(chǎn)生溫度梯度，產(chǎn)生裂縫。
（4）水化熱。出現(xiàn)在施工過程中，大體積混凝土（厚度超過2.0m）澆筑之后由于水泥水化放熱，致使內(nèi)部溫度很高，內(nèi)外溫差太大，致使表面出現(xiàn)裂縫。
（5）蒸汽養(yǎng)護(hù)或冬季施工時(shí)施工措施不當(dāng)，混凝土驟冷驟熱，內(nèi)外溫度不均，易出現(xiàn)裂縫。
3．收縮裂縫
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。
（1）塑性收縮一般發(fā)生在施工過程中、混凝土澆筑后4~5小時(shí)左右，此時(shí)水泥水化反應(yīng)激烈，水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，稱為塑性收縮。
（2）縮水收縮（干縮）是指混凝土結(jié)硬以后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小的現(xiàn)象。由于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，致使表面混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)表面混凝土承受拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生收縮裂縫。
4．沉降裂縫
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。
5．腐蝕裂縫
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，或由于氯化物介入，鋼筋周圍氯離子含量較高，引起鋼筋表面氧化膜破壞，鋼筋銹蝕，鋼筋銹蝕引起體積變大，對(duì)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。
三、混凝土橋梁裂縫控制措施
《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）[1]規(guī)定，鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算的最大裂縫寬度不應(yīng)超過下列規(guī)定限值：（1）Ⅰ類和Ⅱ類環(huán)境，限值為0.2mm；（2）Ⅲ類和Ⅳ類環(huán)境，限值為0.15mm。為了達(dá)到這樣的標(biāo)準(zhǔn)，就必須對(duì)各種裂縫采取相應(yīng)的控制措施。
1．荷載裂縫
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者必須嚴(yán)格按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）規(guī)定進(jìn)行裂縫控制驗(yàn)算，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位，采取相應(yīng)的合理配筋。施工時(shí)嚴(yán)格按照施工規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，按順序施工，確保施工質(zhì)量。使用階段要嚴(yán)格管理，禁止超載車輛上橋，嚴(yán)格控制行車速度，定期檢查，養(yǎng)護(hù)維修，并做好記錄。
2．溫度裂縫
防止因混凝土本身與外界氣溫相差懸殊，處于高溫環(huán)境的構(gòu)件，應(yīng)采取隔熱措施，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，尤其在氣溫高、風(fēng)大且干燥的氣候條件下更應(yīng)及早噴水。對(duì)大體積混凝土應(yīng)及時(shí)進(jìn)行內(nèi)部降溫，防止內(nèi)外溫差過大，做好養(yǎng)護(hù)工作，防止裂縫產(chǎn)生。
3．收縮裂縫
防治措施如下：（1）嚴(yán)格控制混凝土配合比，提高混凝土抗裂度；（2）加強(qiáng)混凝土構(gòu)件的早期養(yǎng)護(hù)，適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間；（3）采取密封保水養(yǎng)護(hù)措施；（4）長期露天堆放的混凝土構(gòu)件，應(yīng)經(jīng)常適當(dāng)澆水養(yǎng)護(hù)；（5）后張法預(yù)應(yīng)力構(gòu)件及時(shí)張拉；（6）發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)有微小裂縫，應(yīng)及時(shí)撒水養(yǎng)護(hù)。
4．沉降裂縫
在選擇橋位時(shí)，應(yīng)盡量選擇在基巖和堅(jiān)硬土層外露或埋藏較淺、地質(zhì)構(gòu)造簡單、穩(wěn)定的地段；避免活動(dòng)型斷層、滑坡、泥石流、強(qiáng)巖溶及其他不良地質(zhì)地段；設(shè)計(jì)時(shí)要考慮沉降對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，盡量減小沉降對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。
5．腐蝕裂縫
設(shè)計(jì)時(shí)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；施工時(shí)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(shí)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。
四、混凝土橋梁裂縫處理對(duì)策
混凝土橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件一旦出現(xiàn)了裂縫，有的破壞結(jié)構(gòu)整體性，降低構(gòu)件剛度，影響結(jié)構(gòu)承載力；有的但會(huì)引起鋼筋銹蝕、降低耐久性，影響正常使用要求。因此，應(yīng)根據(jù)裂縫性質(zhì)、大小、結(jié)構(gòu)受力情況和使用要求，區(qū)別情況，及時(shí)進(jìn)行治理。
1．裂縫治理原則
（1）必須充分了解設(shè)計(jì)意圖和技術(shù)要求，嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)和施工規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。
（2）應(yīng)認(rèn)真分析裂縫產(chǎn)生的原因和性質(zhì)，根據(jù)不同受力情況和使用要求，分別采取不同的治理方法。
（3）裂縫處理后應(yīng)能保證結(jié)構(gòu)原有的承載能力、整體性以及防水、抗?jié)B性能。處理時(shí)要考慮溫度、收縮應(yīng)力較長時(shí)間的影響，以免處理后再出現(xiàn)新的裂縫。
（4）防止進(jìn)一步人為的損傷結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，盡量避免大動(dòng)大補(bǔ)，并盡可能保持原結(jié)構(gòu)的外觀。
（5）處理方法應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，在安全可靠的基礎(chǔ)上，要考慮技術(shù)上的可能性，力求施工簡單易行，以符合經(jīng)濟(jì)合理的原則。
2．裂縫修補(bǔ)方法
（1）表面裂縫封閉處理
用切割機(jī)（鋸片厚度1.8mm）沿裂縫方向開出深5-10 mm的小才槽；用鋼絲刷清除裂縫周邊的松動(dòng)物，用高壓空氣將裂縫清吹干凈，用丙酮清洗一遍；用毛刷將裂縫表面涂一層環(huán)氧漿液，待漿液半干后用刮刀將環(huán)氧膠泥刮涂在小槽內(nèi)，并壓實(shí)，處理平整。
（2）內(nèi)部裂縫修補(bǔ)
內(nèi)部修補(bǔ)法系用壓漿泵將膠結(jié)料壓入裂縫中，由于其凝結(jié)、硬化而起到補(bǔ)縫作用，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性。
五、結(jié)語
綜上所述，混凝土橋梁裂縫的形成因素繁多，影響因素也是多方面的，需要在設(shè)計(jì)和施工過程中高度重視，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工。在實(shí)際使用過程中，必須加強(qiáng)對(duì)橋梁的管理，定期對(duì)橋梁進(jìn)行檢查，了解橋梁的使用狀況，損害程度以及裂縫的發(fā)展情況，及時(shí)對(duì)橋梁狀況做出判斷，并及時(shí)進(jìn)行維修處理，確保橋梁安全運(yùn)營。
