淺析橋梁裂縫產(chǎn)生原因

李志國

近年來，我省交通基礎建設得到迅猛發(fā)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(xiàn)裂縫而影響工程質(zhì)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(fā)病”和“多發(fā)病”，經(jīng)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(xiàn)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(chǎn)生的原因作較全面的分析、總結(jié)，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。

混凝土橋梁裂縫種類、成因

實際上，混凝土結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的一種或幾種主要原因。混凝土橋梁裂縫的種類，就其產(chǎn)生的原因，大致可劃分如下幾種：

一、荷載引起的裂縫

混凝土橋梁在常規(guī)靜、動荷載及次應力下產(chǎn)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(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：

1、 設計計算階段，結(jié)構(gòu)計算時不計算或部分漏算；計算模型不合理；結(jié)構(gòu)受力假設與實際受力不符；荷載少算或漏算；內(nèi)力與配筋計算錯誤；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)剛度不足；構(gòu)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(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力模式；不對結(jié)構(gòu)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(fā)生大風、大雪、地震、爆炸等。

二、 溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產(chǎn)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(qū)別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合攏。

三、 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(fā)生混凝土體積變形的主要原因，另外還有自生收縮和炭化收縮。

塑性收縮。發(fā)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(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，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(chǎn)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(gòu)件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂?shù)装褰唤犹帲蛴不俺翆嵅痪鶆驅(qū)l(fā)生表面的順腹板方向裂縫。

研究表明，影響混凝土收縮裂縫的主要因素有：

1、水泥品種、標號及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高，普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。另外水泥標號越低、單位體積用量越大、磨細度越大，則混凝土收縮越大，且發(fā)生收縮時間越長。例如，為了提高混凝土的強度，施工時經(jīng)常采用強行增加水泥用量的做法，結(jié)果收縮應力明顯加大。

2、骨料品種。骨料中石英、石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、長石等吸水率較小、收縮性較低；而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大、收縮性較高。另外骨料粒徑大收縮小，含水量大收縮越大。

3、水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收縮越大。

4、外摻劑。外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。

5、養(yǎng)護方法。良好的養(yǎng)護可加速混凝土的水化反應，獲得較高的混凝土強度。養(yǎng)護時保持濕度越高、氣溫越低、養(yǎng)護時間越長，則混凝土收縮越小。蒸汽養(yǎng)護方式比自然養(yǎng)護方式混凝土收縮要小。

6、外界環(huán)境。大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風速大，則混凝土水分蒸發(fā)快，混凝土收縮越快。

四、 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(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應力，超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導致結(jié)構(gòu)開裂。基礎不均勻沉降的主要原因有：

1、地質(zhì)勘察精度不夠、試驗資料不準。在沒有充分掌握地質(zhì)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(qū)或山嶺區(qū)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(zhì)情況。

2、地基地質(zhì)差異太大。建造在山區(qū)溝谷的橋梁，河溝處的地質(zhì)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(jié)構(gòu)荷載差異太大。在地質(zhì)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(jié)構(gòu)基礎類型差別大。同一聯(lián)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(jié)，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(zhì)時，可能造成不均勻沉降。

六、施工材料質(zhì)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(zhì)量不合格，可能導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

1、水泥

（1）、水泥安定性不合格，水泥中游離的氧化鈣含量超標。氧化鈣在凝結(jié)過程中水化很慢，在水泥混凝土凝結(jié)后仍然繼續(xù)起水化作用，可破壞已硬化的水泥石，使混凝土抗拉強度下降。

（2）、水泥出廠時強度不足，水泥受潮或過期，可能使混凝土強度不足，從而導致混凝土開裂。

（3）、當水泥含堿量較高（例如超過0.6%），同時又使用含有堿活性的骨料，可能導致堿骨料反應。

2、砂、石骨料

砂石的粒徑、級配、雜質(zhì)含量。

砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大，將導致水泥和拌和水用量加大，影響混凝土的強度，使混凝土收縮加大，如果使用超出規(guī)定的特細砂，后果更嚴重。砂石中云母的含量較高，將削弱水泥與骨料的粘結(jié)力，降低混凝土強度。砂石中含泥量高，不僅將造成水泥和拌和水用量加大，而且還降低混凝土強度和抗凍性、抗?jié)B性。砂石中有機質(zhì)和輕物質(zhì)過多，將延緩水泥的硬化過程，降低混凝土強度，特別是早期強度。砂石中硫化物可與水泥中的鋁酸三鈣發(fā)生化學反應，體積膨脹2.5倍。

3、拌和水及外加劑

拌和水或外加劑中氯化物等雜質(zhì)含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或含堿泉水拌制混凝土，或采用含堿的外加劑，可能對堿骨料反應有影響。

總結(jié)：

一座橋梁從建成到使用，牽涉到設計、施工、監(jiān)理、運營管理等各個方面。由上述可知，設計疏漏、施工低劣、監(jiān)理不力，均可能使混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫。因此，嚴格按照國家有關規(guī)范、技術標準進行設計、施工和監(jiān)理，是保證結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)和處理問題，也是相當重要的一個環(huán)節(jié)。