混凝土橋梁裂縫的形成機理及控制措施研究

溫鵬

摘要：針對橋梁裂縫問題，重點研究了混凝土橋梁裂縫的形成機理和控制措施。在橋梁裂縫形成機理部分，首先總體概述了橋梁裂縫的形成機理，然后從荷載原因、溫度原因、收縮原因、基礎變形和鋼筋銹蝕等方面分析了橋梁裂縫的形成機理。在控制措施部分，重點介紹了橋梁裂縫的修補方法和加固方法。在橋梁裂縫修補方法方面，闡述了表面封閉修補方法、壓力灌漿修補方法等兩種常用方法。在橋梁加固方法方面，介紹了增大截面和配筋的加固方法、噴混凝土加固方法和粘貼鋼板（筋）加固方法等三種方法。

Abstract： In view of the crack problem of bridges， the formation mechanism and control measures of cracks in concrete bridges are mainly studied. In the formation mechanism of bridge cracks， the formation mechanism of bridge cracks is firstly summarized， and then the formation mechanism of bridge cracks is analyzed from the aspects of load causes， temperature causes， shrinkage causes， foundation deformations and steel corrosion. In the control measures section， the repair methods and reinforcement methods for bridge cracks are highlighted. In the aspect of bridge crack repair method， two common methods such as surface sealing repair method and pressure grout repair method are described. In the aspect of bridge reinforcement method， three methods of increasing the section and reinforcement， the method of strengthening the shotcrete and the method of reinforcing the steel plate are introduced.

關鍵詞：混凝土橋梁；裂縫；形成機理；控制措施

Key words： concrete bridge；crack；formation mechanism；control measures

中圖分類號：TU755 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0086-03

0 引言

隨著經濟的持續發展，我國交通運輸量的逐年增加對橋梁的承載能力造成嚴重挑戰。隨著使用時間的逐年推移，在自然環境（如空氣的溫度與濕度，以及腐蝕物影響）和使用環境（橋梁的荷載與疲勞程度等）的共同作用下，橋梁的部分位置常出現裂縫現象，而裂縫多演變為橋梁的多種病害問題，嚴重危及橋梁的承載力、耐久性等。同時，裂縫除影響橋梁承載力外，其還會引發鋼筋銹蝕問題，進而影響橋梁的使用壽命，降低其使用功能和安全系數。此外，混凝土橋梁的結構破壞乃至坍塌，多由裂縫發展而來。而且，調查結果顯示，我國已建橋梁中普遍存在裂縫問題，嚴重影響了混凝土橋梁的設計與使用壽命。因此，探究混凝土橋梁裂縫的形成機理，并制定橋梁裂縫的控制措施，成為本文的研究主題。

1 橋梁裂縫的形成機理研究

1.1 裂縫形成機理的概述

當前，混凝土橋梁的裂縫形成的影響因素較多，對橋梁裂縫的成因進行全面系統的研究，是發掘橋梁病害的產生原因及衍生機理的重要前提。因此，本文對混凝土橋梁裂縫的形成機理進行研究，不僅可發現裂縫的形成原因，還可為混凝土橋梁裂縫的危害性評定及后續橋梁裂縫的控制，提供參考依據。

因此，在橋梁裂縫的形成機理部分，本文重點探究引發橋梁裂縫的各種原因。因橋梁裂縫的成因較多且彼此之間相互影響，本文將其成因歸納為荷載、溫度、收縮等因素。

1.2 裂縫形成機理分析

1.2.1 荷載原因導致的裂縫

荷載裂縫是指混凝土橋梁受動荷載、靜荷載以及應力作用等共同影響所形成的裂縫，業界與學界對該種裂縫關注較早。該種形式裂縫產生的主要原因有：①設計原因。受設計人員自身技術與知識經驗限制，致使結構設計的計算結果存在較大誤差，導致完工后的橋梁結構的實際受力情況與理論受力情況之間的偏差較大。②施工原因。橋梁施工質量的優劣直接影響橋梁承載能力以及裂縫產生情況。當前，我國橋梁施工過程中，存在管理體制不完善，組織協調能力較差，偷工減料情況較嚴重等問題，上述問題可直接或間接導致橋梁裂縫產生。此外，刻意壓縮工期、變相縮減成本、隨意變換施工順序等，亦會致使橋梁裂縫產生。③使用原因。在混凝土橋梁使用階段，其裂縫產生的主要原因包括：車輛超載，車船與橋梁之間的接觸和撞擊，風雪荷載的影響，以及地震、爆炸等外部因素的影響。

1.2.2 溫度原因導致的裂縫

因混凝土的熱脹冷縮特性明顯，當混凝土橋梁的內外部溫差變化較大時，則混凝土橋梁會發生不同程度的變形。溫度裂縫相對于其他形式裂縫，主要差異點在于溫度裂縫的張縮直接受溫度變化的影響。引起溫度裂縫的因素主要有：①年溫差問題。一般而言，年溫差對橋梁結構的影響，主要集中于縱向位移方面。在溫度差異存在的情況下，當縱向位移受其他多余約束作用時，會在一定程度上導致溫度應力和溫度裂縫的產生。②日照因素。受太陽的照射范圍、角度等差異影響，混凝土橋梁各部位所承受的溫度存在不同。同時，太陽直射部位相對于其他部位而言，溫度明顯較高。由此，致使導致橋梁各個部位的溫度存在不均勻分布。③水化熱因素。在混凝土橋梁施工過程中，若一次性澆筑大體積混凝土，則所澆筑部件所產生的水化熱難以向外部散發，由此，受混凝土構件內外部溫差較大的影響，其極易產生較為明顯的溫度裂縫。④在混凝土橋梁的養活階段和冬季施工的過程中，混凝土橋梁構件的內外部溫差較大，易出現裂縫。

1.2.3 收縮原因導致的裂縫

混凝土橋梁中，由收縮引發的裂縫較為普遍。常見的收縮裂縫種類包括塑性收縮和縮水收縮兩種類型。①塑性收縮是指混凝土橋梁在澆筑完成后的較短一段時期內，受水泥水化反應的影響，混凝土的水分蒸發情況較為嚴重，致使混凝土內部失水情況明顯，最終隨著骨料自重的影響發生收縮現象。②縮水收縮是指混凝土橋梁在完成凝結后，其表面水分隨著凝結時間的延續，呈現不斷蒸發現象，引起混凝土體積縮小。當混凝土收縮至一定程度時，混凝土將產生縮水收縮裂縫。

1.2.4 基礎變形導致的裂縫

基礎變形裂縫是指，當混凝土基礎發生豎向不均勻沉降或者在一定范圍內水平位移時，會產生附加應力，進而引發橋梁出現結構裂縫?；A變形裂縫產生的原因主要為橋梁所處地區的地質存在較大差異，基礎建造時間不同，原地質環境條件發生變化，勘察設計資料存在偏差，基礎中不同位置的荷載差異較大，地基受凍現象嚴重，橋梁基礎處于不良地質環境中。因此，橋梁基礎在建設過程中，應重視所處位置的地質環境，保證勘察設計資料的準確性，保持各個構件受力一致性。

1.2.5 鋼筋銹蝕導致的裂縫

受潮濕環境影響，由鋼筋銹蝕導致的橋梁裂縫常出現于橋墩、箱梁底板等部位。鋼筋銹蝕裂縫產生的主要原因是混凝土保護層厚度存在不足，然后鋼筋與介入的二氧化碳發生反應，導致周邊堿度降低，引起鋼筋銹蝕。此外，氯化物等易導致周邊氯離子的比例較高，導致氧化膜破壞，造成鋼筋銹蝕。鋼筋銹蝕會導致橋梁承載能力降低，使用壽命不能滿足預期要求，甚至可能引發其他形式裂縫出現。

2 橋梁裂縫的控制措施研究

混凝土橋梁裂縫的控制措施主要為橋梁裂縫維修以及橋梁加固等。在橋梁通車后，定期進行檢查、養護與維修工作，是保證橋梁結構安全、提升其耐久性的重要措施。橋梁裂縫的維修工作包括修補混凝土的空洞、裂縫，清理鋼筋鐵銹，補設通風設施等。同時，其加固措施包括上部和下部結構加固。

2.1 橋梁裂縫的修補方法

2.1.1 表面封閉修補方法

橋梁裂縫的表面封閉修補方法主要用于不影響橋梁承載力、灌入注漿材料的難度較大、亟需進行橋梁的大面積防滲漏。其主要方法包括：①水泥砂漿涂抹方式。該修補方式的主要過程為，首先清理裂縫區域的混凝土表面的槽毛，然后清掃干凈混凝土表面，并將其潤濕，最后抹水泥漿。②表面噴漿方式。該方式的主要內容為首先檢查橋梁構件表面的缺陷程度，并修補其缺陷，然后清楚橋梁構件的露筋鐵銹，最后，將構件表面潤濕并進行噴漿。

2.1.2 壓力灌漿修補方法

橋梁裂縫的壓力灌漿修補方法主要工作原理為，首先配置低濃度漿液，然后借助灌漿加壓設備將其注入橋梁構件的裂縫中以封閉裂縫。該方法所需流程較為復雜，且對各個施工環節要求較高，其施工質量對加固效果起決定性作用。該方法的主要流程為：①裂縫檢查與處理環節。檢查擬修補部位的裂縫情況，并做好測量和記錄工作，清理該部位裂縫表面存在的油污及雜質等。②該方法的第二步為采用裂縫表面固定或鉆孔固定的方式，粘貼注漿嘴。③該步為檢查注漿工作過程中的密封情況，密封質量的優劣對灌漿質量起決定性作用，可通過壓水的方式進行檢測。④該步為配制注漿液，該步驟應綜合考慮漿體稠度，以提升灌漿質量。⑤當灌漿材料固化后，可進行后續相關的處理工作，恢復對裂縫位置的美觀要求。此外，還需對試塊進行試驗，以保證灌漿效果。

2.2 橋梁結構的加固方法

2.2.1 增大截面和配筋的加固方法

該方法是指采用與原橋梁構件相同標號的混凝土與鋼筋，通過增大橋梁構件的截面，以提高橋梁的承載能力，主要應用于橋梁的剛度、強度等出現不足情況時。該方法的核心工作原理為，增加橋梁受拉區域的鋼筋數量，擴大橋梁構件受壓區的面積，從而實現提高橋梁構件的抗彎剛度與強度的目的。同時，可根據上述進一步將其分為以加大橋梁構件截面面積和增加構件鋼筋數量為主的橋梁加固方案。該方法的優點為適應性強，施工工藝的流程較為簡單，對車輛通行的影響程度較小，并且加固效果較為明顯。該方法的缺點在于相關流程的施工工期相對較長，并在一定程度上增加橋梁的自重。

2.2.2 噴混凝土加固方法

該方法是指借助專業機械在現有構件的基礎上，采用噴涂的方式，噴涂一層混凝土。該方法可在一定程度上增加原有混凝土的強度，加大橋梁構件的受力面積，可較為有效的保護橋梁結構的鋼筋，并可改善其外觀。該方法通常用于橋梁結構破壞程度較小的情況。該方法在加固工作進行之前，應分析裂縫的影響程度，評估橋梁現有的承載能力。同時，在施工過程中，應不斷進行強度測算，以保證其承載能力。

2.2.3 粘貼鋼板（筋）加固方法

該方法主要是將加固工作所需的鋼板、鋼筋等材料通過粘合材料，將其粘貼于橋梁構件的受拉位置的邊緣或者薄弱位置，以提升其承載能力。該方法具有施工簡單，工期短，構件外形影響小，經濟效益高等特點。該加固方式的使用條件是：在使用過程中，橋梁出現受拉主筋，以及配筋等較為不足的情況；橋梁構件中的受力鋼筋被破壞，不能繼續正常使用；為提升橋梁構件的耐久性和剛度等。該種加固方式，是為了是鋼板與原橋梁結構連成統一整體，從而增強其荷載承受能力。此外，為解決橋梁結構的分階段受力問題，還應適當增大原受拉鋼筋承受的容許應力，但不應高于其屈服應力，并應控制該區域混凝土的壓應力情況。

3 結論

隨著使用時間的增長，在自然環境和使用環境的共同作用下，橋梁的部分位置常出現裂縫現象，而裂縫多演變為橋梁的多種病害問題。上述問題將嚴重危及橋梁的承載力、耐久性等。同時，裂縫除影響橋梁承載力外，還會引發鋼筋銹蝕問題，進而影響橋梁的使用壽命，降低其使用功能和安全系數。此外，混凝土橋梁的結構破壞乃至坍塌，多由裂縫發展而來。因此，探究混凝土橋梁裂縫的形成機理，并制定橋梁裂縫的控制措施，是本文的主要研究內容。

針對上述問題，本文重點研究了混凝土橋梁裂縫的形成機理和控制措施。在橋梁裂縫形成機理部分，首先總體概述了橋梁裂縫的形成機理，然后從荷載原因、溫度原因、收縮原因、基礎變形和鋼筋銹蝕等方面，分析了橋梁裂縫的形成機理。在控制措施部分，本文重點介紹了橋梁裂縫的修補方法和加固方法。在橋梁裂縫修補方法方面，本文闡述了表面封閉修補方法、壓力灌漿修補方法等兩種常用方法。在橋梁加固方法方面，本文介紹了增大截面和配筋的加固方法、噴混凝土加固方法和粘貼鋼板（筋）加固方法等三種方法。

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