橋梁裂縫的成因分析及防護加固措施

姚金濤

(寧夏公路勘察設計院有限責任公司，寧夏 銀川 750000)

1 前 言

隨著我國橋梁建設的飛速發展，越來越多的混凝土橋梁投入運營使用，但從橋面鋪裝、橋跨結構到墩柱、下部基礎的混凝土開裂問題，一直困擾著工程技術人員。混凝土裂縫有些直接影響結構的承載安全，不引起重視將會引發毀滅性的結構破壞；有些雖然不對結構安全產生影響，但因為裂縫形成的結構初始損傷，使得產生鋼筋銹蝕、混凝土剝落等病害問題，嚴重影響結構的使用壽命。此外，混凝土開裂的因素有多種，如果不掌握裂縫的形成機理，勢必難以恢復或提升結構狀態。

本文詳細歸納橋梁裂縫的形成原因，對其產生機理進行深入剖析，在明確形成機理的基礎上提出相關加固措施，避免病害的進一步拓展，并有效保證橋梁的運營安全。

2 橋梁裂縫的類型與特點分析

橋梁裂縫的類型多種多樣，根據裂縫的受力特性可以分為結構性裂縫和非結構性裂縫，結構性裂縫表明開裂與結構受力相關，非結構性裂縫則往往與混凝土品質有關，并不是由于結構受力所引起的。

結構性裂縫根據受力特點分為受彎裂縫、受剪裂縫和局部承壓裂縫。受彎裂縫表現為與結構受彎內力方向垂直開裂，裂縫貫穿構件橫截面，間距大體相等，且垂直于受力方向，例如混凝土連續梁橋底板橫向裂縫是由于縱向抗彎性能不足引起，底板縱向裂縫是由于橫向抗彎性能不足導致。受剪裂縫則主要分布在腹板上沿斜向開展，是由于腹板主拉應力過大所引起的，例如連續梁橋支座處腹板斜向開裂。局部承壓裂縫則是因為局部應力過大，導致結構出現抗壓失效引起的開裂問題，常見的有預應力錨固區設計不當引起的開裂，橋面板設計太薄引起的頂板與腹板連接處開裂等，局部承壓裂縫的分布沒有一致方向性，往往是集中分散分布。

非結構性裂縫的形成與受力因素無關，主要是混凝土材料性能所導致的，例如混凝土品質差、配比不合理、和易性不足等使得澆筑完成后混凝土收縮徐變引起表面開裂，非結構性裂縫往往很細小，零散分布、沒有規律性，這些裂縫的產生根源是混凝土材料性能差或者施工養護不足所導致。

結構性裂縫如果不進行修復和加固，會引起結構性失效和破壞，這對于整個橋梁的運營安全都是很大的威脅；非結構性裂縫雖然不與結構安全直接聯系，但是會提高構件的退化速率，降低結構的使用壽命，同樣需要引起足夠重視。

3 橋梁裂縫的成因分析

3.1 混凝土原材料

混凝土原材料品質不僅僅是非結構性裂縫產生的根源，也是結構性裂縫的重要因素。原材料品質差直接形成了混凝土初始的缺陷，因此開裂的風險大大增加。影響混凝土原材料品質的重要因素是水泥、骨料和水的使用。

水泥是混凝土的膠凝材料，水泥質量差例如采用已經硬化的水泥，則會使得混凝土強度直接降低，從而更容易開裂；另外，當水泥出廠時強度不足或者已經受潮、含堿量太高等，都可能引起堿骨料反應從而降低混凝土結構性能。骨料則是混凝土的結構框架，如果骨料的級配不合理、雜質含量多、強度不滿足等，都會直接影響混凝土強度，使得混凝土收縮增加，容易形成初始裂縫缺陷，無論是受力還是不受力情況都會導致開裂問題。水是混凝土和易性的重要來源，拌合水中雜質過高會對鋼筋銹蝕有很大影響，采用海水或者堿含量較大的水拌合混凝土都是不可行的。

3.2 設計施工不合理

設計施工不合理是很多早先建設的橋梁結構出現過早開裂的重要因素，設計的不合理體現在對結構受力行為的錯誤估計上，施工不合理則是受限于施工工藝或者施工組織管理不當所產生的，這方面的成因詳細分析如下。

設計不合理的例如鋼筋混凝土截面不夠、梁體跨度過大、高度偏小、配筋不足等，都會使得梁體產生結構性裂縫，設計中還需要盡可能地避免截面的突變問題，保證鋼筋設計的連續性。設計不合理的產生源于對結構受力性能的把握不足特別是早先設計的橋梁結構由于計算手段的限制，因此很多設計都是采用經驗方法進行，但對于新型結構則存在很大的不適用性，隨著現代計算理論和手段的發展，基本可以克服設計不合理所引起的橋梁開裂問題。

施工質量控制不當是產生開裂的另一重要因素，施工中模板的下沉、過早拆除模板導致的混凝土冷激效應、振搗不均勻及養護周期不足等，都會使得混凝土過早開裂。另外，施工人員不嚴格按照施工工序操作、控制不嚴格等行為也會引起橋梁的開裂問題，因此需要嚴格控制施工工藝，確保建設質量。

3.3 自然環境作用

自然環境作用是導致橋梁開裂的另一關鍵因素，這其中環境作用主要是溫度的影響。溫度對橋梁的開裂影響可以從整體溫差和梯度溫度兩方面考慮。整體溫差層面，一年四季溫度不斷發生變化，這些變化對于部分超靜定橋梁結構會產生附加與約束內力，當約束內力較大疊合其他荷載效應超過混凝土抗拉強度時，就會引起結構開裂和失效。例如拱橋、鋼架橋等結構體系對整體升降溫的作用就比較敏感。日照溫差則是一種非線性梯度溫度，表現在日照作用下向陽面結構溫度顯著大于其他部分，由于溫度在結構內部分布的非線性引起截面自身的約束應力，從而產生開裂出現裂縫。

3.4 橋梁荷載影響

橋梁荷載的影響也是引起開裂的因素，表現為設計對荷載考慮的不足，實際荷載遠大于結構所能夠承擔的，從而引起開裂問題。

施工階段因為一些臨時結構，需要增加臨時荷載，這部分荷載如何考慮不周全就會引起開裂乃至破壞。例如施工中在橋梁上堆放大量的施工機具和材料，進行隨意的起吊和翻身，使用超過規定的重型機械設備等。運營中的荷載影響則更加顯著，例如運營車輛荷載作用，突發船舶撞擊效應等，這些都是設計中沒有準確考慮的，使得結構在運營中損傷不斷累積，導致開裂進而引發結構失效破壞。以車輛荷載為例，目前諸多獨柱墩曲線梁橋發生垮塌失效問題，這關鍵的因素就是運營荷載過大，這些倒塌橋梁無一例外是因為多輛超載重車集中作用所產生的。

4 橋梁裂縫的防護加固措施

4.1 裂縫防護措施

裂縫的防護需要從原材料選用、設計施工標準混、運管管理三方面進行考慮。原材料方面需要選用滿足要求的產品，特別是水泥材料、骨料級配、水源等，對這些原材料的選用制定嚴格的標準，從根本上保證混凝土的品質。設計中需要對橋梁結構的各個構件受力性能把握準確，通過多次復核校驗確保設計的準確性，同時需要保留一定的設計富余量。施工中應該制定施工指南和標準，施工人員嚴格按照施工流程進行操作，建立完善的施工組織管理制度，對各個工序各個工種進行管控，確保施工建設質量。運營中需要根據橋梁結構狀態實時調整運維策略，如果發現橋梁退化嚴重，應該控制過橋重車，嚴格限制超載問題，確保橋梁的運營安全，同時可以建立結構狀態預警系統，避免橋梁出現結構性的失效。

4.2 裂縫加固措施

裂縫加固首先需要對裂縫進行修補，然后對橋梁整體狀態進行評估以確定是否需要額外的加固措施。

橋梁裂縫的處置，無論是結構性受力裂縫還是非結構性裂縫，都需要對裂縫本身進行修復，采用裂縫灌漿可以使得裂縫得以閉合，避免開裂引起結構安全問題和使用壽命折減問題。非結構性裂縫需要采用水泥漿進行灌注修復，而結構性裂縫則應該采用高強砂漿或者聚合物進行修復，保證修復后的裂縫仍然有受力能力。裂縫修復的主要過程是：首先，對已經開裂的表面進行鑿除，使得漏出完整的原混凝土結構，這樣可以確保裂縫氧化區和新澆筑區域粘結完好；其次，對鑿除部位進行清洗，確保平整及粘結完好；最后，涂抹裂縫修復劑，將病害和裂縫進行修復灌注，使得新灌注材料與原有界面粘結完好。

對于開裂嚴重影響結構性能改變的橋梁，還需要進行加固才能保證橋梁進一步使用的性能，目前主要加固手段有黏貼鋼板加固、碳纖維加固和預應力加固等方式，這些應該在裂縫修復完成后進行。

5 結 論

裂縫是橋梁最常見病害，對于橋梁安全性能和使用壽命都有很大的威脅。本文詳細分析了橋梁裂縫的形成原因，并探討了進行裂縫防護和加固的相關措施和方法，以提升橋梁使用性能。

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