橋梁裂紋成因分析與研究

王 蓉姜杰偉

（1重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074 2重慶市開縣職業教育中心機電部 重慶 405400）

橋梁裂紋成因分析與研究

王 蓉1姜杰偉2

（1重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074 2重慶市開縣職業教育中心機電部 重慶 405400）

隨著交通運輸事業的快速發展，交通量與日俱增，車輛載重顯著提高，加之人為或自然因素等的影響，使得許多橋梁處于帶病、超負荷工作狀態。其中裂紋是橋梁最為常見的病害之一，裂紋的萌生及擴展對橋梁的運營安全造成潛在的危險。文中對常見橋梁裂紋類型進行了探討，同時對相關的原因進行了較為深入的分析，論文分析的結果可為實際橋梁裂紋修補和加固措施提供理論依據。

橋梁；病害；裂紋；加固

1 引言

橋梁是連接道路交通的重要樞紐，在交通和交通發展中起著舉足輕重的作用。橋梁病害的大量存在不僅影響交通路線的暢通，還可能危及人們的生命財產安全。其中，由疲勞損傷、鋼絲銹蝕、混凝土開裂誘發的橋梁裂紋是最為普遍的，輕則導致結構承載能力降低,重則橋梁結構直接破壞，威脅過往車輛及行人的生命財產安全。如2001年四川省宜賓市金沙江南門大橋兩端先后發生斷裂，兩輛汽車墜入江中，一艘小型船只被毀，造成宜賓市區南北公路交通中斷[1]；1951年加拿大魁北克市的杜佩利西斯全焊接鋼板梁大橋整跨斷毀，落于冰凍的河中[2]。因此本文從多方面對橋梁裂紋的種類和產生原因進行了探討，對今后橋梁病害的綜合治理具有重要意義。

2 常見裂紋類型及形成原因

橋梁裂紋的成因復雜而繁多，甚至多種因素相互影響，因此當裂紋產生時，不能一概而論認為是質量問題。如對于普通鋼筋混凝土構件來說，在一定范圍內，其裂紋的存在是允許的，但當裂縫超過一定限度時，就會對結構耐久性產生影響。

2.1 常見裂紋類型

橋梁裂紋的分類按不同的分類方式有多種：

從安全角度可分為工作裂紋和非正常裂紋；按客觀成因可分為先天裂紋、原生裂紋和后天裂紋；從力學機理角度可分為彎曲裂紋、剪切裂紋等；從結構承載力的影響的角度可分為結構裂紋和非結構裂紋[3]。按其表現形式可以歸納為：表面裂紋、貫穿裂紋和深層裂紋等[4]。貫穿裂紋延伸至整個橋梁結構的斷面，破壞了結構的整體性，對橋梁的壽命造成潛在危險。深層裂紋一般直觀上不可見，只有通過探測儀器才可以發現。按其幾何形式來看，常見的有：縱向裂紋、橫向裂紋和斜裂紋。在實際的橋梁檢測中，以縱向裂紋最為常見，而以橋梁跨中橫向裂紋最為危險。

2.2 裂縫形成原因

盡管橋梁裂縫的種類繁多，但就其產生的原因[5，6]，大致有如下幾種。

2.2.1 荷載引起的裂縫

橋梁結構構造與受力較復雜，在車輛荷載的反復作用下易疲勞失效。20世紀90年代建成的虎門大橋、宜昌長江大橋的已出現疲勞開裂問題[7]。橋梁荷載引起的裂紋，主要有直接應力裂紋、次應力裂紋兩種。直接應力裂紋是指外荷載引起的直接應力超過《橋規》的規定值所產生的裂縫，從設計計算到使用階段，其中任何一個環節出現問題，都可能導致橋梁產生這類裂縫；次應力裂紋是指由外荷載引起的次生應力產生裂紋，由于結構實際工作狀態同常規計算的出入、計算時考慮不周或施工等原因都會引起次應力裂縫。

2.2.2 變形引起的裂縫

大量的調查與實測研究證明裂紋的出現并非僅由荷載作用引起。溫度變化、混凝土收縮徐變及地基不均勻沉降等都是產生橋梁裂紋的原因。

（1）溫度變化引起的裂紋

混凝土構件由于其具有熱脹冷縮性質，溫度發生變化時，結構各部分材料都將發生變形，若變形受到約束，則在結構內產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生裂縫。引起溫度變化主要因素有：年溫差、日照、驟然降溫、水化熱、蒸汽養護或冬季施工措施不當等，對橋梁混凝土箱梁使用性能影響較大的是短期溫差作用。此外，結構混凝土內部存在非穩態和非線性的溫度場，由此產生的過大溫差使許多設計上認為完善的預應力混凝土箱梁產生了嚴重裂縫，有的橋梁甚至被迫停運修復，造成嚴重的經濟損失。近年各國工程界進行了大量的理論、試驗研究及現場實測，已取得了一定成果，將溫度作用的計算方法納入橋梁設計規范[8]。

（2）混凝土收縮徐變引起的裂紋

由于混凝土材料特性的原因，塑性收縮和縮水收縮都將使混凝土發生變形，從而導致橋梁結構出現裂縫。研究表明，影響混凝土收縮裂紋的主要因素有：水泥品種、標號及用量、骨料品種、水灰比、外摻劑、養護方法、外界環境、振搗方式及時間。由溫度和收縮徐變引起的裂紋，通過增配構造鋼筋可明顯改善。

（3）地基變形引起的裂紋

基礎的不均勻沉降，使結構中產生附加應力，當這個力超出混凝土結構的抗拉能力，就會導致結構開裂。對于拱橋等有水平推力結構，更是使其產生水平位移裂縫的主要原因。基礎不均勻沉降的原因眾多，如：地質勘察精度不夠、試驗資料不準；地基地質差異太大；結構荷載差異太大；結構基礎類型差別太大；橋梁基礎基于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質；橋梁建成后，原有地基條件變化。因此，對建橋前期的地質勘查工作、設計和施工工作的合理監督和管理可有效避免這類裂紋產生。

2.2.3 鋼筋銹蝕引起的裂紋

在鋼筋混凝土結構中，混凝土保護層厚度不足、混凝土質量較差都會引起鋼筋銹蝕，從而導致橋梁結構承載能力下降，并誘發其他形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導致結構破壞。由于鋼筋銹蝕甚至斷裂導致的橋梁斷裂例子眾多。因此防止這類病害的產生或加劇，就要從防止鋼筋銹蝕入手。要防止鋼筋銹蝕，設計時應根據規范要求控制裂紋寬度、采用足夠的保護層厚度；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。

2.2.4 施工材料質量引起的裂紋

配置混凝土所采用材料質量不合格，也可能導致結構出現裂紋。

2.2.5 施工工藝及質量引起的裂紋

在混凝土結構澆筑、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中，施工工藝不合理、施工質量低劣，容易產生縱向、橫向等各種裂紋。

3 結語

針對由直接應力引起的裂紋，可在運營維護期間嚴格實行交通管制，限制超載超限過橋車輛，盡量使橋梁避免超負荷工作狀態；可通過把橋面板順橋向整體剛度設計得盡可能小一些，來減少變形引起的裂紋；地基的不均勻沉降不可避免，但可通過監測獲取信息，進而及時采取措施進行綜合整治；由鋼筋銹蝕引起的橋梁開裂，通過設計階段的優化和施工階段的嚴格控制可有效防止；混凝土橋梁疲勞開裂問題較為復雜，可綜合運用先進的疲勞損傷、疲勞荷載、疲勞應力監測技術，實時獲取混凝土橋梁疲勞損傷監測信息。

[1]姚志強,阮小平,鄧清. 拱橋吊桿變形差異引發橋面斷裂及類似事故的預防措施[J]. 公路,2002,(7).

[2]李志國. 既有鋼橋裂紋及加固研究[D]. 西南交通大學: 西南交通大學,2006. [3]胡雋. 鋼筋混凝土橋梁裂縫研究[D]. 杭州：浙江大學. 2005

[4]蒙云, 盧波. 橋梁加固與改造[M]. 北京：人民交通出版社. 2004

[5]趙建華. 斷裂力學在橋梁裂紋檢測分析中的應用[D]. 長安大學: 長安大學,2009.

[6]劉松平. 鋼筋混凝土橋梁裂縫成因分析與加固措施研究[D]. 浙江大學: 浙江大學,2013.

[7]GE Y J,XIANG H F．Concept and Requirements of Sustainable Development in Bridge Engineering[J].Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China,2011,5(4).

[8]王林，項貽強，汪勁豐，等．各國規范關于混凝土箱梁橋溫度應力計算的分析與比較[J]．公路，2004（6）.

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A

1007-6344（2016）07-0019-01

王蓉（1992-），女，重慶，碩士研究生，橋梁工程