鐵路橋梁混凝土結構裂縫控制與檢測分析實例

董承全

（中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081）

鐵路橋梁混凝土結構裂縫控制與檢測分析實例

董承全

（中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081）

通過幾例混凝土結構裂縫檢測分析實例，探討了混凝土結構溫度裂縫、荷載裂縫、收縮裂縫以及沉降變形裂縫等不同類型裂縫的特點、成因及防治措施。

混凝土結構；裂縫成因；防治措施

隨著國民經濟建設的快速發展，高層建筑，交通橋梁大量涌現，混凝土結構作為建筑物主要結構型式被廣泛采用。由于各種原因而導致混凝土結構的裂縫產生時有發生，給結構安全和結構功能使用帶來一定影響。分析研究導致產生裂縫的原因，有針對性采用預防補救措施，減少或預防裂縫產生，保障建筑物安全和結構使用功能十分必要。本文通過幾例結構裂縫的檢測分析實例，探討了不同原因導致的裂縫形成的機制及加固措施。可供類似工程參考。

（一）大體積混凝土裂縫控制與橋梁承臺裂縫檢測分析

1.大體積混凝土裂縫控制理論分析

大體積混凝土一般指幾何尺寸大于 3m的鋼筋混凝土結構，這種結構一般混凝土標號較高，水泥用量較大，收縮變形較大，常出現收縮裂縫。掌握溫度收縮作用是控制裂縫的主要因素。其次，控制裂縫還必須考慮鋼筋的作用，一般大型結構混凝土配筋率均在0.5%以上。鋼筋在溫度作用下的變形與混凝土的溫度變形不協調。水化熱溫升較高，降溫散熱較快，收縮與降溫共同作用下是引起混凝土裂縫的主要因素。

大體積混凝土裂縫控制問題一般屬溫度裂縫問題。一些學者對溫度裂縫控制做過不少研究，如文獻[1]作者研究發現，大體積混凝土澆注過程中，混凝土由初始溫度升溫，中心溫度較高，兩側溫度由于冷卻而降低，里外溫差為 T0，則冷卻狀態的溫度分佈曲線為：

在邊界上T(y)y=±h=0

在中心處T(y)y=o=T0

根據彈性理論平面應力分析，可得混凝土溫度應力：根據格林菲斯斷裂力學理論，當x（Y）超過混凝土抗拉強度R(t)時便引起垂直裂縫。張建仁等對溫度裂縫控制進行了數值模擬。通過模擬得到了裂縫形成的機理，裂縫形成擴展與溫度關系。指出早期混凝土溫升較快，存在混凝土開裂風險。

2.某橋梁承臺裂縫檢測分析

圖 1為某橋梁承臺澆注拆模后出現的裂縫。由于該承臺于冬季施工，施工后混凝土表面的防寒保溫措施不到位。使混凝土凝固初期內外溫差過大，在混凝土表面形成張開裂縫。

圖1 承臺表面的張開裂縫

3.降低混凝土溫度應力，防止裂縫產生的措施

在大體積混凝土中，溫度變化引起的應力對結構具有重要影響。有時溫度應力往往超過普通靜力及動力荷載引起的應力。因此，掌握溫度應力的變化規律尤為重要。控制溫度應力，防止裂縫開展是技術上的關鍵問題，通過降低溫度應力和提高混凝土的極限拉伸強度。在澆注前要避勉材料過熱，澆注后保溫，降低溫度應力。具體方法可采取保溫及緩慢降溫方法減少混凝土表面的急劇熱擴散，延長混凝土散熱時間，防止形成過大的溫差而引起表面裂縫。其次要提高混凝土的極限拉伸，緩慢降溫可充分發揮混凝土的應力松馳效應，提高抗拉性能。另外要嚴格控制砂石質量，限制含泥量，正確選用混凝土級配，適當摻用添加劑，減少用水量，改進澆注工藝，提高混凝土強度等措施。

針對上述大體積混凝土裂縫問題，建議在用料上進一步優化，最好采用普通硅酸鹽水泥，適當加入粉煤灰等材料，水泥中的礦物成份鋁酸三鈣含量應盡可能低，游離氧化鈣，氧化鎂和三氯化硫含量應盡量少。其次是澆注過程中可采用冷卻水管冷卻降溫方法，做好信息化施工，加強保溫保濕，控制溫差及降溫速率，達到控制裂縫產生。

（二）荷載裂縫控制問題與橋墩裂縫檢測分析

1.荷載裂縫控制問題

荷載裂縫一般指結構在工作年限內由于荷載作用下，包括靜荷載，動荷載，移動荷載作用下結構受壓，受拉，彎曲，剪切變形引起的各種裂縫，也稱第一類荷載裂縫。在我國，由于近幾年國民經濟快速發展，對鐵路運輸提出了較高要求。早期修建的鐵路在運力和速度方面不能滿足現時經濟發展要求。個別橋梁混凝土強度設計偏低，配筋量不足導致墩身出現裂縫。某些橋梁由于經濟條件所限，曲線半徑偏小，裂車提速后產生過大的離心力，使橋梁產生水平振動，導致托盤頂帽開裂。

2.橋墩與托盤頂帽裂縫檢測分析實例

荷載裂縫的產生主要是外荷引起的橋梁結構裂縫，如某橋墩墩身由于動荷載作用下，交變荷載和移動荷載引起墩身彎曲應力使墩身主筋受力變形與混凝土保護層變形不協調而產生沿主筋方向開裂的豎向裂縫問題，如圖 2所示。又如某橋由于初期設計的線路中，隧道出口與橋梁軸線形成一定夾角，使線路在此處形成一定的曲線半徑。隨著國民經濟的發展，車速的不斷提高，過高車速與過小的曲線半徑不相適應而引起橋梁水平振動，其振動水平拉應力使墩身托盤頂帽產生開裂，如圖 3所示。通過檢測分析，認為應該通過必要的強度驗算，選擇合適厚度的鋼板粘貼補強措施對托盤頂帽進行加固處理。其次是針對過小的曲線半徑，采取降低車速，減小列車通過時引起的橋梁振動。

圖2 某橋墩身裂縫分佈示意圖

圖3 某橋托盤頂帽裂縫分佈示意圖

3.裂縫預防與加固

對橋墩采用粘貼碳纖維加固技術，采用專門的樹脂將碳纖維粘貼于混凝土結構表面，碳纖維與原結構形成新的受力整體，碳纖維和原鋼筋共同承受上部荷載，可降低鋼筋應力，使結構達到加固補強效果。粘貼碳纖維加固技術的主要特點是：幾乎不增加結構自重和截面尺寸，不改變凈空高度，施工方便。對原結構不造成新的損傷，具有良好的耐腐蝕性、耐久性和抗疲勞性。根據受力分析可多層粘結補強。

對托盤頂帽裂縫進行環氧樹脂膠封閉處理，以防雨水進一步侵蝕。并按混凝土加固有關規程進行必要的強度檢算，采用粘貼鋼板方法加固。粘貼鋼板法是采用特制的結構膠粘劑，將鋼板粘貼在鋼筋混凝土表面。達到加固和增強原結構的強度和剛度，提高結構的抗拉，抗扭性能。

（三）制作工藝不當引起的裂縫問題及混凝土箱梁端部裂縫檢測分析

1.后張法預應力箱梁裂縫問題

在后張法預應力箱梁中，常見的裂縫問題主要是在梁的端部出現劈裂型裂縫，如圖4所示。

圖4 某橋后張法預應力梁端部裂縫分佈示意圖

分析其原因主要是在張拉過程中，過大的張應力超過梁端混凝土的抗壓抗剪強度所致。據文獻[1]作者研究表明，在張法預應力梁端部錨固區經常見到一種張拉裂縫。張拉過程中預應力筋對梁的作用就是鋼筋縮短時某一變形受到混凝土梁的約束，而使混凝土梁端受一集中力 N作用。在錨具附近0.1～0.2h(梁高)范圍是壓應力區，混凝土雙向受壓。離開錨具0.25～0.4h范圍內為拉應力區，其拉應力最大值可用下式表示：

例如斷面=×hb20cm×70cm,錨具荷載集中系數，張拉應力合力1000kN，max約為5Mpa，大于C50混凝土極限抗拉強度3Mpa，則混凝土容易開裂。

2.后張法預應力箱梁端部裂縫的預防處理措施：

根據以上分析，可從如下途徑解決裂縫預防處理：增大錨固區配筋量，提高梁端錨固區的混凝土抗裂能力；其次增加錨具錨板面積，分散或減小接觸應力對梁端混凝土的作用。

（四）基礎不均勻沉降引起橋梁結構裂縫的原因分析

1.裂縫形成機理

當橋梁基礎型式不同，地質存在差異，會導致梁體中部出現張開裂縫，梁端搭接處出現剪切裂縫。對于基礎不均勻沉降引起結構變形裂縫有如外力作用下的變形裂縫，也稱第二類荷載裂縫。研究這類問題時，通常將問題簡化為一受線性荷載的一端固支一端簡支梁，如圖5所示。根據材料力學分析，其變形與外力關系由下式確定

圖5 基礎不均勻沉降引起橋梁結構裂縫示意圖

當已知smaxΔ 時，由（7）式求得

式中a為梁長度， 為任一距離，q為線性荷載。

如某橋 C50混凝土梁，橋臺采用明挖基礎，而墩身基礎采用樁基礎，出現明挖基礎沉降大于樁基礎沉降，而使梁中部，出現橫向開裂。

2.預防措施

當地基條件較差，存在不均勻沉降風險時，應對軟弱基礎進行處理，如樁基，復合地基，強夯等，基礎型式可采用樁基礎，箱型基礎，筏基，條基等。在抗不均勻沉降方面，樁基礎最好，箱型基礎次之，條形基礎最差。設計時盡可能采用同一基礎型式。

當出現不均勻沉降引起的裂縫問題時，對沉降較大基礎應采用壓力注漿，靜壓樁等方式加固，以控制沉降進一步發展；對結構裂縫應按有關規程要求進行加固。

（五）結束語

通過幾例混凝土結構裂縫檢測分析實例，探討了混凝土結構溫度裂縫、荷載裂縫、收縮裂縫以及沉降變形裂縫等不同類型裂縫的特點、成因及防治措施。實踐證明，只要在勘察設計施工環節作好精心設計，精心施工，將工程結構裂縫控制在安全范圍內是可能的。

[1] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[2] 張建仁.大溪豐大橋大體積混凝土溫度控制技術[J].安徽建筑,2010(5):36-38.

[3] 董承全,張佰戰,孟軍濤,等.某跨江大橋橋墩裂縫檢測與裂縫成因分析[J].安徽建筑,2011(1):140-141.

[4] 董承全,胡在良,張佰戰,等.某特大橋橋墩托盤頂帽裂縫成因檢測分析[J].工程與建設,2011(2):238-239,288.

[5] 卜良桃,周靖,葉秦.混凝土結構加固設計規范算例[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

U445.57

A

1008-1151(2011)06-0063-03

2011-04-12

董承全（1951－），男，湖北宜都人，中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所高級工程師，從事鐵道工程與工程檢測工作。