橋梁裂縫產生原因淺析

林雪堅 朱君敏

（永嘉縣交通工程公司，浙江永嘉325102）

近年來，我省交通基礎建設得到迅猛發展，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“常發病”和“多發病”，經常困擾著橋梁工程技術人員。其實，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。 為了進一步加強對混凝土橋梁裂縫的認識，盡量避免工程中出現危害較大的裂縫，本文盡可能對混凝土橋梁裂縫的種類和產生的原因作較全面的分析、 總結，以方便設計、施工找出控制裂縫的可行辦法，達到防范于未然的作用。

實際上，混凝土結構裂縫的成因復雜而繁多，甚至多種因素相互影響，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：

1 荷載引起的裂縫

混凝土橋梁在常規靜、 動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫，歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。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）設計計算階段，結構計算時不計算或部分漏算；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。結構設計時不考慮施工的可能性；設計斷面不足；鋼筋設置偏少或布置錯誤；結構剛度不足；構造處理不當；設計圖紙交代不清等。

2）施工階段，不加限制地堆放施工機具、材料；不了解預制結構結構受力特點，隨意翻身、起吊、運輸、安裝；不按設計圖紙施工，擅自更改結構施工順序，改變結構受力模式；不對結構做機器振動下的疲勞強度驗算等。

3）使用階段，超出設計載荷的重型車輛過橋；受車輛、船舶的接觸、撞擊；發生大風、大雪、地震等原因。次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生裂縫。

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。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。

2 溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質， 當外部環境或結構內部溫度發生變化，混凝土將發生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，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。

3 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。

塑性收縮主要發生在施工過程中、 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。

縮水收縮（干縮）主要發生在混凝土結硬以后，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。

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。

4 地基礎變形引起的裂縫

由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結構中產生附加應力，超出混凝土結構的抗拉能力，導致結構開裂。基礎不均勻沉降的主要原因有：

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

2）地基地質差異太大。 建造在山區溝谷的橋梁，河溝處的地質與山坡處變化較大，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）結構荷載差異太大。 在地質情況比較一致條件下，各部分基礎荷載差異太大時，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）結構基礎類型差別大。 同一聯橋梁中，混合使用不同基礎如擴大基礎和樁基礎，或同時采用樁基礎但樁徑或樁長差別大時，或同時采用擴大基礎但基底標高差異大時，也可能引起地基不均勻沉降。

5）分期建造的基礎。 在原有橋梁基礎附近新建橋梁時，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處理時引起地基土重新固結，均可能對原有橋梁基礎造成較大沉降。

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）橋梁基礎置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質時，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導致地下水位下降，地基土層重新固結下沉，同時對基礎的上浮力減小，負摩阻力增加，基礎受荷加大。有些橋梁基礎埋置過淺，受洪水沖刷、淘挖，基礎可能位移。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

由于混凝土質量較差或保護層厚度不足，混凝土保護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生銹蝕反應，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生膨脹應力，導致保護層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產生裂縫，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，結構承載力下降，并將誘發其它形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導致結構破壞。

要防止鋼筋銹蝕，設計時應根據規范要求控制裂縫寬度、采用足夠的保護層厚度（當然保護層亦不能太厚，否則構件有效高度減小，受力時將加大裂縫寬度）；施工時應控制混凝土的水灰比，加強振搗，保證混凝土的密實性，防止氧氣侵入，同時嚴格控制含氯鹽的外加劑用量，沿海地區或其它存在腐蝕性強的空氣、地下水地區尤其應慎重。

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冰凍，游離的水轉變成冰，體積膨脹9%，因而混凝土產生膨脹應力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水（結冰溫度在-78°以下）在微觀結構中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強度降低，并導致裂縫出現。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴重，成齡后混凝土強度損失可達30%～50%。 冬季施工時對預應力孔道灌漿后若不采取保溫措施也可能發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生凍脹破壞的必要條件。當混凝土中骨料空隙多、吸水性強；骨料中含泥土等雜質過多；混凝土水灰比偏大、振搗不密實；養護不力使混凝土早期受凍等，均可能導致混凝土凍脹裂縫。冬季施工時，采用電氣加熱法、暖棚法、地下蓄熱法、蒸汽加熱法養護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溫條件下硬化。

7 施工材料質量引起的裂縫

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量不合格，可能導致結構出現裂縫。

8 施工質量引起的裂縫

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，導致混凝土凝結硬化時收縮量增加，使得混凝土體積上出現不規則裂縫。

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力小，或后澆混凝土養護不到位，導致混凝土收縮而引起裂縫。

3）混凝土早期受凍，使構件表面出現裂紋，或局部剝落，或脫模后出現空鼓現象。

4）施工時模板剛度不足，在澆筑混凝土時，由于側向壓力的作用使得模板變形，產生與模板變形一致的裂縫。

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

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

7）裝配式結構，在構件運輸、堆放時，支承墊木不在一條垂直線上，或懸臂過長，或運輸過程中劇烈顛撞；吊裝時吊點位置不當，T 梁等側向剛度較小的構件，側向無可靠的加固措施等，均可能產生裂縫。

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

9）施工質量控制差。 任意套用混凝土配合比，水、砂石、水泥材料計量不準，結果造成混凝土強度不足和其他性能（和易性、密實度）下降，導致結構開裂。

9 總結語

一座橋梁從建成到使用，牽涉到設計、施工、監理、運營管理等各個方面。由上述可知，設計疏漏、施工低劣、監理不力，均可能使混凝土橋梁出現裂縫。 因此，嚴格按照國家有關規范、技術標準進行設計、施工和監理，是保證結構安全耐用的前提和基礎。在運營管理過程中，進一步加強巡查和管理，及時發現和處理問題，也是相當重要的一個環節。