橋梁裂紋成因分析與研究

王 蓉姜杰偉

（1重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074 2重慶市開(kāi)縣職業(yè)教育中心機(jī)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(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074 2重慶市開(kāi)縣職業(yè)教育中心機(jī)電部 重慶 405400）

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，交通量與日俱增，車(chē)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(fù)荷工作狀態(tài)。其中裂紋是橋梁最為常見(jiàn)的病害之一，裂紋的萌生及擴(kuò)展對(duì)橋梁的運(yùn)營(yíng)安全造成潛在的危險(xiǎn)。文中對(duì)常見(jiàn)橋梁裂紋類(lèi)型進(jìn)行了探討，同時(shí)對(duì)相關(guān)的原因進(jìn)行了較為深入的分析，論文分析的結(jié)果可為實(shí)際橋梁裂紋修補(bǔ)和加固措施提供理論依據(jù)。

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(fā)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(cái)產(chǎn)安全。其中，由疲勞損傷、鋼絲銹蝕、混凝土開(kāi)裂誘發(fā)的橋梁裂紋是最為普遍的，輕則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力降低,重則橋梁結(jié)構(gòu)直接破壞，威脅過(guò)往車(chē)輛及行人的生命財(cái)產(chǎn)安全。如2001年四川省宜賓市金沙江南門(mén)大橋兩端先后發(fā)生斷裂，兩輛汽車(chē)墜入江中，一艘小型船只被毀，造成宜賓市區(qū)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(duì)橋梁裂紋的種類(lèi)和產(chǎn)生原因進(jìn)行了探討，對(duì)今后橋梁病害的綜合治理具有重要意義。

2 常見(jiàn)裂紋類(lèi)型及形成原因

橋梁裂紋的成因復(fù)雜而繁多，甚至多種因素相互影響，因此當(dāng)裂紋產(chǎn)生時(shí)，不能一概而論認(rèn)為是質(zhì)量問(wèn)題。如對(duì)于普通鋼筋混凝土構(gòu)件來(lái)說(shuō)，在一定范圍內(nèi)，其裂紋的存在是允許的，但當(dāng)裂縫超過(guò)一定限度時(shí)，就會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生影響。

2.1 常見(jiàn)裂紋類(lèi)型

橋梁裂紋的分類(lèi)按不同的分類(lèi)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(xué)機(jī)理角度可分為彎曲裂紋、剪切裂紋等；從結(jié)構(gòu)承載力的影響的角度可分為結(jié)構(gòu)裂紋和非結(jié)構(gòu)裂紋[3]。按其表現(xiàn)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(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的斷面，破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，對(duì)橋梁的壽命造成潛在危險(xiǎn)。深層裂紋一般直觀上不可見(jiàn)，只有通過(guò)探測(cè)儀器才可以發(fā)現(xiàn)。按其幾何形式來(lái)看，常見(jiàn)的有：縱向裂紋、橫向裂紋和斜裂紋。在實(shí)際的橋梁檢測(cè)中，以縱向裂紋最為常見(jiàn)，而以橋梁跨中橫向裂紋最為危險(xiǎn)。

2.2 裂縫形成原因

盡管橋梁裂縫的種類(lèi)繁多，但就其產(chǎn)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(jié)構(gòu)構(gòu)造與受力較復(fù)雜，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下易疲勞失效。20世紀(jì)90年代建成的虎門(mén)大橋、宜昌長(zhǎng)江大橋的已出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂問(wèn)題[7]。橋梁荷載引起的裂紋，主要有直接應(yīng)力裂紋、次應(yīng)力裂紋兩種。直接應(yīng)力裂紋是指外荷載引起的直接應(yīng)力超過(guò)《橋規(guī)》的規(guī)定值所產(chǎn)生的裂縫，從設(shè)計(jì)計(jì)算到使用階段，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都可能導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生這類(lèi)裂縫；次應(yīng)力裂紋是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，由于結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)同常規(guī)計(jì)算的出入、計(jì)算時(shí)考慮不周或施工等原因都會(huì)引起次應(yīng)力裂縫。

2.2.2 變形引起的裂縫

大量的調(diào)查與實(shí)測(cè)研究證明裂紋的出現(xiàn)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(chǎn)生橋梁裂紋的原因。

（1）溫度變化引起的裂紋

混凝土構(gòu)件由于其具有熱脹冷縮性質(zhì)，溫度發(fā)生變化時(shí)，結(jié)構(gòu)各部分材料都將發(fā)生變形，若變形受到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)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(yǎng)護(hù)或冬季施工措施不當(dāng)?shù)龋瑢?duì)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(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部存在非穩(wěn)態(tài)和非線性的溫度場(chǎng)，由此產(chǎn)生的過(guò)大溫差使許多設(shè)計(jì)上認(rèn)為完善的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁產(chǎn)生了嚴(yán)重裂縫，有的橋梁甚至被迫停運(yùn)修復(fù)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。近年各國(guó)工程界進(jìn)行了大量的理論、試驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，已取得了一定成果，將溫度作用的計(jì)算方法納入橋梁設(shè)計(jì)規(guī)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(fā)生變形，從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(biāo)號(hào)及用量、骨料品種、水灰比、外摻劑、養(yǎng)護(hù)方法、外界環(huán)境、振搗方式及時(shí)間。由溫度和收縮徐變引起的裂紋，通過(guò)增配構(gòu)造鋼筋可明顯改善。

（3）地基變形引起的裂紋

基礎(chǔ)的不均勻沉降，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，當(dāng)這個(gè)力超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。對(duì)于拱橋等有水平推力結(jié)構(gòu)，更是使其產(chǎn)生水平位移裂縫的主要原因。基礎(chǔ)不均勻沉降的原因眾多，如：地質(zhì)勘察精度不夠、試驗(yàn)資料不準(zhǔn)；地基地質(zhì)差異太大；結(jié)構(gòu)荷載差異太大；結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類(lèi)型差別太大；橋梁基礎(chǔ)基于滑坡體、溶洞或活動(dòng)斷層等不良地質(zhì)；橋梁建成后，原有地基條件變化。因此，對(duì)建橋前期的地質(zhì)勘查工作、設(shè)計(jì)和施工工作的合理監(jiān)督和管理可有效避免這類(lèi)裂紋產(chǎn)生。

2.2.3 鋼筋銹蝕引起的裂紋

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土保護(hù)層厚度不足、混凝土質(zhì)量較差都會(huì)引起鋼筋銹蝕，從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)承載能力下降，并誘發(fā)其他形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。由于鋼筋銹蝕甚至斷裂導(dǎo)致的橋梁斷裂例子眾多。因此防止這類(lèi)病害的產(chǎn)生或加劇，就要從防止鋼筋銹蝕入手。要防止鋼筋銹蝕，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求控制裂紋寬度、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。

2.2.4 施工材料質(zhì)量引起的裂紋

配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格，也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋。

2.2.5 施工工藝及質(zhì)量引起的裂紋

在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、構(gòu)件制作、起模、運(yùn)輸、堆放、拼裝及吊裝過(guò)程中，施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣，容易產(chǎn)生縱向、橫向等各種裂紋。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)由直接應(yīng)力引起的裂紋，可在運(yùn)營(yíng)維護(hù)期間嚴(yán)格實(shí)行交通管制，限制超載超限過(guò)橋車(chē)輛，盡量使橋梁避免超負(fù)荷工作狀態(tài)；可通過(guò)把橋面板順橋向整體剛度設(shè)計(jì)得盡可能小一些，來(lái)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(guò)監(jiān)測(cè)獲取信息，進(jìn)而及時(shí)采取措施進(jìn)行綜合整治；由鋼筋銹蝕引起的橋梁開(kāi)裂，通過(guò)設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化和施工階段的嚴(yán)格控制可有效防止；混凝土橋梁疲勞開(kāi)裂問(wèn)題較為復(fù)雜，可綜合運(yùn)用先進(jìn)的疲勞損傷、疲勞荷載、疲勞應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取混凝土橋梁疲勞損傷監(jiān)測(cè)信息。

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

[2]李志國(guó). 既有鋼橋裂紋及加固研究[D]. 西南交通大學(xué): 西南交通大學(xué),2006. [3]胡雋. 鋼筋混凝土橋梁裂縫研究[D]. 杭州：浙江大學(xué). 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(xué)在橋梁裂紋檢測(cè)分析中的應(yīng)用[D]. 長(zhǎng)安大學(xué): 長(zhǎng)安大學(xué),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(xué): 浙江大學(xué),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(xiàng)貽強(qiáng)，汪勁豐，等．各國(guó)規(guī)范關(guān)于混凝土箱梁橋溫度應(yīng)力計(jì)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