橋梁結構裂縫及加固技術處理研究

袁朝陽

摘 要：橋梁是道路的重要組成部分，近年來橋梁工程建設數量增多，如何提高工程質量，尤其是橋梁結構裂縫問題成為施工關注的重點。文章從橋梁結構裂縫類型及形成原因入手，指出連續梁橋結構裂縫的多發部位，并結合工程實例進行例證研究，提出橋梁結構裂縫的加固技術處理方法，以供同行參考。

關鍵詞：橋梁;結構裂縫;形成原因;加固技術

中圖分類號：U445.72 文獻標識碼：A

0 前言

在橋梁工程施工中，混凝土的應用比較廣泛，然而結構裂縫卻成為一個嚴重問題，不僅影響橋梁的實用性，也會威脅行人的生命安全。相關調查顯示，我國不少橋梁雖然在使用壽命以內，卻提前停止運營，最大的原因就是出現結構裂縫等病害[1]。明確這些裂縫的形成原因，并采取有效的技術方案進行加固處理，才能保證橋梁的使用性能。以下結合實踐，探討橋梁結構裂縫及加固技術。

1 橋梁結構裂縫類型及形成原因

1.1 荷載裂縫

荷載裂縫，是橋梁受到靜荷載、動荷載、次應力影響，從而產生的裂縫。①中心受壓形成的裂縫和構件受力方向平行，具有短小、密集的特點，多見于獨柱或雙柱橋墩的橋梁中。②受剪形成的裂縫，多是主筋、抗剪切筋設置數量不足，或箍筋設置過多，特點是沿著梁端腹部呈現45°方向的斜裂縫。③受彎形成的裂縫，集中在彎矩最大截面附近，特點是從受拉邊緣開始、和受拉方向垂直，易引起結構脆性破壞。

1.2 溫差裂縫

溫差裂縫的出現，是因為混凝土具有脹縮性質，隨著外界環境、結構內部的溫度變化，混凝土也會變形，這種變形受到約束就會產生應力，超過混凝土本身的抗拉強度就會形成裂縫[2]。溫差裂縫多見于大體積混凝土結構，例如橋墩、橋臺、橋面鋪裝，也可能和其他因素共同作用。

1.3 收縮裂縫

混凝土凝結過程中收縮，也是形成裂縫的一個原因，雖然對結構承載力的影響不明顯，但會嚴重影響結構外觀，降低其耐久性。在橋梁結構中，收縮裂縫多位于混凝土表面，具有細小、縱橫交錯的特點，裂縫形狀不規則。

1.4 凍脹裂縫

冬季環境溫度較低，橋梁結構吸水飽和后出現冰凍，自身體積膨脹，會在混凝土內部產生膨脹應力[3]。從微觀來看，混凝土中的水在遷移、重力影響下，會產生滲透壓，進一步加大混凝土的膨脹應力，降低混凝土的強度，繼而出現裂縫。混凝土初凝時凍害最嚴重，強度損失明顯。

1.5 其他

首先，基礎變形引起的裂縫。地基基礎是受力部位，直接決定了橋梁工程的整體性能。如果基礎發生變形，例如不均勻沉降、局部塌陷，會引起構件約束變形，內部拉應力改變，超出自身抗拉強度就會在薄弱部位出現裂縫，如下圖1。以山區溝谷橋梁為例，由于地質條件復雜，可能存在軟弱地基，一旦處理不當很容易發生不均勻沉降，繼而結構上出現裂縫。

其次，鋼筋銹蝕引起的裂縫。鋼筋混凝土結構中，鋼筋作為骨架，如果綁扎不規范、積水侵蝕、混凝土表層剝落，均會造成鋼筋銹蝕，如下圖2。銹蝕鋼筋的有效斷面面積減小，和混凝土之間的握裹力減弱，導致結構承載力降低，從而形成裂縫。

2 連續梁橋結構裂縫的多發部位

2.1 頂板裂縫

頂板橫向裂縫少見，以縱向裂縫多見，一般位于跨中合攏段、接近支點的部位。分析原因包括：①頂板沒有設置橫向預應力筋。②頂板橫向彎矩受活載影響，車輛超載易形成縱向裂縫。③箱梁內外溫度差異大，產生的次應力導致結構開裂。④縱向預應力設計值過大，橫向拉應力超過混凝土的抗拉強度而出現裂縫。

2.2 腹板裂縫

腹板裂縫根據形態的不同，可分為斜向裂縫、水平裂縫、豎向裂縫等。①斜向裂縫多位于距離支座1/4跨度附近，呈45°分布，原因包括：支座附近剪力過大;邊跨過度依賴豎向和縱向預應力控制主拉應力;懸臂施工中混凝土澆筑順序不對。②水平裂縫多位于主跨1/4-3/8跨度之間，原因包括：箱梁橫向彎曲空間效應;內外溫差過大;豎向預應力不足等[4]。③豎向裂縫最常見，原因包括：模板對腹板造成摩擦約束;各個節段拼接處形成豎向拼接裂縫;混凝土脹縮后形成拉裂縫等。

2.3 底板裂縫

底板裂縫可分為橫向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫三種，以前兩者多見。其中，橫向裂縫的原因包括：預應力布設不當，施工荷載超重，預應力張拉不足等?？v向裂縫的原因包括：箱梁橫向剛度不足，受日照和環境溫度影響，支座橫向布置錯誤，合攏段對橫向變形的控制不到位。

2.4 橫隔板裂縫

橫隔板是高應力區，尤其墩頂和梁端的橫隔板，荷載作用下產生的應力很大，易形成橫向裂縫、豎向裂縫、輻射狀裂縫等。分析原因包括：①混凝土干縮，脫模后形成裂縫。②跨中橫隔板沒有設置橫向預應力筋。③箱梁偏載扭轉，應力過大導致開裂。④墩頂橫隔板設計不當，剛度較小無法傳遞支承力。

3 針對橋梁結構裂縫的加固技術

3.1 表面加固法

表面加固法，就是在結構表面使用涂抹材料、補貼材料修復裂縫，適用于細小的、深度較淺的裂縫，既能提高結構表面的穩定性，又具有良好的美觀性。實際應用中，石灰、水泥漿、混凝土等材料常見，這些材料容易獲得，可以降低施工成本。值得注意的是，表面加固法必須對裂縫進行處理，例如使用鐵刷清理結構表面，將裂縫內的灰塵、雜質、積水等清除出來，然后使用加固材料，才能抑制裂縫進一步擴展，發揮出補強加固效果。

3.2 灌漿加固法

灌漿加固和表面加固相類似，均是使用補強材料，但表面加固是將補強材料用于結構表面，而灌漿加固是將補強材料注入裂縫內。常用的材料有瀝青、水泥漿、化學漿液等，適用于中小型裂縫，尤其是小裂縫擴展成為中等裂縫的部位，能獲得良好的加固效果。施工要點如下：①根據裂縫部位和特點，合理選擇漿液材料，并設置注漿壓力。②清理裂縫表面，保持清潔和一定濕潤度。③使用注漿設備或噴漿設備，將漿液打入裂縫中，確保漿液完全填滿縫隙。④待漿液凝固后，對構件表面多余的漿液進行清理，恢復平整度指標。

3.3 補強加固法

1）增大構件截面尺寸。通過二次混凝土施工，增大混凝土結構的截面尺寸，使其和原結構形成一個整體，來增強剛度和承載力[5]。施工時，一般選用早強混凝土、早強砂漿;設計混凝土配合比時，要求碎石或卵石強度高、耐久性好。值得注意的是，該加固技術增加了混凝土工程量，橋梁的恒載隨之增大，會對基礎和結構造成一定干擾。

2）增加構件數量。針對主梁內鋼筋設置不足的情況，可增加構件數量進行補強，例如箍筋、抗剪切筋、預應力筋等，提高結構整體的承載力。施工時，需要切斷原橫隔梁，在主梁區域內懸掛模板，重新布設鋼筋等構件，然后澆筑混凝土，做好后期養護工作。

3）預應力補強法。預應力補強屬于間接加固，是使用高強度的鋼絲、鋼絞線等材料，對橋梁體外施加預應力，促使橋梁結構產生反向彎矩，來抵消荷載內力，提高結構的穩定性和承載力。該加固技術適用于正截面鋼筋銹蝕的情況，或受彎承載力不足的情況。

3.4 粘貼加固法

使用環氧樹脂、建筑結構膠、鋼板等材料，在橋梁結構的裂縫部位、薄弱部位粘貼鋼板，使其形成一個整體，來增加橋梁構件的承載力。該加固技術適用于主梁承載力不足，或主筋嚴重銹蝕的情況。一方面施工作業簡單，不會影響橋梁正常通車，現場管理工作更加簡單;另一方面施工占地面積小，不僅能縮短工期，也能節約相關材料，從而降低加固成本。實際施工時，粘貼鋼板后的效能影響因素較多，除了工藝技術外，還和橋梁結構的配筋率有關。如果結構配筋率高，鋼板的補強作用難以發揮出來;如果在橋梁底板處粘貼鋼板，可顯著提升抗彎性能，有效對抗變形現象。

3.5 碳纖維加固法

本質上，碳纖維加固屬于粘貼加固的一種，只是使用碳纖維材料代替了常規材料。以碳纖維布為例，是從瀝青纖維和聚丙烯蠟材料中提取而來，具有較強的抗腐蝕性、耐疲勞性，但沒有屈服特性，因此設計加固方案時要考慮到強度承受能力[6]。該加固技術的應用，具有良好的力學性能，適用于多種橋梁結構;其化學性質穩定，基本不會受到外界氣溫的影響;而且材料自身重量輕，不會改變原結構的外形、體積，也不會增加荷載，綜合效益更明顯。

4 工程案例分析

4.1 工程概況

以某橋梁工程為例，全長283.5 m，橋面寬度為26.0 m;中間設置分隔帶寬度為3.0 m，行車道屬于雙幅單向車道，寬度為2 m×10.75 m;設計時速60 km。該橋梁的上部結構是混凝土連續箱梁，混凝土強度等級為C50，橋墩混凝土強度等級為C40;橫向、豎向預應力鋼束分別采用24φ5、20φ5的高強鋼絲。通車運行3年后，對橋梁結構檢測時發現，箱梁跨中截面有多條裂縫，且撓度明顯增大;外觀檢測混凝土強度不達標，主梁腹板部位的鋼筋保護層厚度不達標。后經靜載和動載試驗，確定該橋梁不滿足強度要求。

4.2 加固施工

對裂縫原因進行分析，一是設計方面，縱向預應力設計不足，跨中出現橫向裂縫;豎向預應力設計不足，腹板內無抗剪斜筋，出現斜裂縫。二是施工方面，局部混凝土強度不達標，預應力施工不規范，尤其是混凝土搗實、封錨操作不合理，導致裂縫產生。結合該橋梁工程的特點，以及所處的環境，對比分析不同加固方案后，最終決定采用體外預應力加固法。施工要點如下：①根據主梁自重彎矩圖，沿著主梁縱向布設預應力筋。②在彎起點，使用轉向板和彎起預應力筋，提高腹板的抗剪切性能。③現場施工嚴格執行預應力加固技術規范，完成一道工序，檢驗一道工序。④合理選用補強材料，要求具有良好的綜合性能，既滿足加固要求，又方便施工作業，例如環氧樹脂。

4.3 加固效果

該橋梁加固處理后，結構外觀上的裂縫消失，主梁撓度值隨著預應力增大而減少，見下表1。一方面，主梁出現上撓趨勢，對剛度影響不大，但能控制結構變形。另一方面，加固后的梁體，可以抵抗行車荷載對地板產生的拉應力，從而保證結構的穩定性。經過為期1年的監測，原裂縫沒有出現擴展現象，實現了結構加固目標。

5 結語

綜上所述，橋梁工程具有規模大、工期長、質量要求高的特點，受到多種因素的影響，結構可能出現裂縫病害，包括荷載裂縫、溫差裂縫、收縮裂縫、凍脹裂縫等。文章從表面加固法、灌漿加固法、補強加固法、粘貼加固法、碳纖維加固法5個方面，介紹了針對裂縫的加固處理技術，并結合工程案例進行分析。希望通過本文，為實際加固工程提供一些借鑒，實現預期加固目標，提高橋梁結構的安全性。

參考文獻：

[1]劉玉剛.道路橋梁工程常見的結構性病害與加固技術[J].黑龍江科學，2020，11（06）：104-105.

[2]劉東海.混凝土橋梁結構裂縫分析及加固處理研究[J].建筑工程技術與設計，2020，8（29）：1657.

[3]張為民.橋梁結構裂縫分析及碳纖維加固技術[J].太原城市職業技術學院學報，2018，20（03）：187-189.

[4]馮永齊.公路橋梁病害原因分析及維修加固技術探析[J].城市建筑，2020，17（08）：151-152+163.

[5]姜華.橋梁建設施工中結構裂縫產生及其加固處理技術問題研究[J].工程技術研究，2018，41（16）：249-250.

[6]李龍.市政橋梁結構裂縫及加固技術處理研究[J].建筑工程技術與設計，2020，8（24）：4120.