混凝土橋梁裂縫形成機制分析及防治措施研究

徐遠紅

(銅仁職業技術學院，貴州 銅仁 554300)

1 橋梁裂縫形成機制

1.1 荷載裂縫

荷載裂縫也稱結構性裂縫，指的是橋梁受動靜荷載與次應力持續作用后導致的開裂，包括直接應力裂縫與次應力裂縫。其中，直接應力裂縫是指受外荷載作用產生的直接應力導致的開裂，具體產生原因包括：結構設計計算過程中有漏算，或所用計算模型欠合理，或結構受力假設條件和實際受力情況不符，或對內力和配筋進行的計算有誤，或結構自身安全系數較低；在施工過程中對各類施工機具與材料的堆放未加限制，未能了解不同結構自身受力特點，現場作業有較強隨意性，未能按照設計圖紙進行施工，圖紙和設計之間存在較大誤差，擅自改變施工程序；在橋梁使用時存在超重車輛，重量超過設計載荷，車輛或船舶對橋梁結構造成撞擊等[1]。

荷載裂縫的類型包括剪力裂縫和彎曲裂縫，剪力裂縫一般發生于主梁支點附近梁腹底部，一般為斜裂縫；彎曲裂縫發生于構件最大拉應力區，呈垂直狀，往壓力區發展，一般在構件跨中底部最易發生[2]。

1.2 溫度裂縫

混凝土是一種熱脹冷縮性質十分顯著的建筑材料，倘若外部溫度或結構體系中的溫度出現明顯變化，則會使混凝土產生一定程度的變形，如果這種變形受到約束，則會在結構體系當中產生一定應力，在這一應力超出混凝土自身抗拉強度后，就會產生開裂。對跨徑相對較大的橋梁而言，溫度應力甚至可以超過活載應力。對于溫度裂縫，其最顯著的特點在于裂縫寬度會因為溫度的變化而改變。太陽光的照射與突然降溫是使結構體系出現溫度裂縫現象的主要原因。

1.3 收縮裂縫

在實際橋梁工程中，由于混凝土自身產生收縮導致的裂縫是一種十分常見的現象，以混凝土表面龜裂的網狀裂縫居多。在不同的收縮類型當中，以塑性收縮與干縮最為主要，會使混凝土體積出現明顯變化，此外還包括自生收縮與碳化收縮。對于塑性收縮，主要產生于施工階段，將混凝土澆筑到位后4～5h此時水泥正在進行水化反應，逐步形成分子鏈，在產生泌水的同時水分大量蒸發，導致混凝土因失水而發生收縮。對此在施工過程中需要對混凝土水灰比予以嚴格控制，防止長時間攪拌，且下料速度不能過快，振搗要均勻和充分，對于豎向變截面部位建議采用分層澆筑的方法，最后在澆筑結束后立即養護。對于干縮，是指在混凝土達到結硬狀態后，伴隨混凝土表面水分不斷蒸發，濕度進一步降低，使混凝土體積有所減小。由于混凝土表面的失水速度大于內部，所以會出現不均勻收縮，在表面發生的收縮變形如果受到內部約束作用，則會使結構承受一定程度的拉力，在這一拉力超出極限抗拉強度后，就會引起收縮裂縫。對于自生收縮，是指在混凝土持續硬化時水泥和水之間發生水化反映，它與外界濕度沒有直接關系，而且收縮與膨脹都有可能發生。最后，對于碳化收縮，是指空氣含有的CO2和水泥水化反應生成的水化物之間發生一系列反應導致的收縮變形現象。這種收縮對濕度有苛刻的要求，即只能在濕度為50%時才可以發生，并且還會伴隨CO2實際濃度的不斷提高而加快[3]。

1.4 地基基礎導致的裂縫

因基礎沿豎向出現不均勻沉降或沿水平方向發生位移導致結構體系中出現一定附加應力，在這一應力超出結構自身抗拉能力后，就會使結構產生裂縫。導致基礎出現不均勻沉降現象的原因包括：1)前期地質勘察工作的精度不足，缺乏準確的試驗資料；2)地質土質存在顯著差異。在山區溝谷中修筑的橋梁，河溝和山坡的地質條件有很大變化，且河溝范圍內分布大面積軟弱地基，這種壓縮性上的差異就會導致不均勻沉降現象的發生[4]；3)結構所用基礎的類型有很大差別，在同一聯橋梁當中，使用多種基礎類型，如擴大基礎與樁基礎，或只使用樁基，但樁長或樁徑存在明顯差別，或只使用擴大基礎，但其底部標高存在明顯差別，都有可能導致地基出現不均勻沉降；4)分期建造而成的基礎更容易產生不均勻沉降；5)地基發生凍脹，溫度回升后地基范圍內的凍土融化，導致地基下沉。可見，無論是地基冰凍還是融化，都會導致不均勻沉降現象的發生[5]。

1.5 施工裂縫

1)保護層厚度過大或施工人員直接踩踏綁扎完成的上層鋼筋，導致受力筋保護層厚度增加，這樣會使構件自身有效高度大幅減小，產生和受力鋼筋分布方向保持垂直的裂縫；2)混凝土振搗未能達到密實和均勻，出現包含蜂窩麻面與空洞等在內的各類缺陷；3)混凝土拌制與運輸時間未能達到有效控制，導致水分大量蒸發，使混凝土自身坍落度相對較低，產生分布不規則的裂縫，這種裂縫以收縮裂縫為主；施工時澆筑速度過快，在硬化之前由于混凝土未能達到沉實，而在硬化之后大量沉實，在一段時間后出現開裂；4)對混凝土進行初期養護時過于干燥，導致混凝土和大氣直接接觸的表面產生若干收縮裂縫，這種裂縫分布往往不規則；5)在泵送施工過程中為了使混凝土有良好的流動性，提高水與水泥的實際用量，或由于其它方面的原因增大水灰比，導致凝結硬化過程中收縮量大幅增加，最終在混凝土上產生若干分布不規則的裂縫；6)對混凝土進行分段或分層澆筑過程中未能有效處理接頭部位，導致在新舊兩部分混凝土之間或在施工縫之間產生開裂。

2 橋梁裂縫防治措施

2.1 裂縫修補

裂縫修補常用方法為封閉寬度在0.15mm以內的裂縫，常用方法為均勻涂刷一層高分子樹脂材料；對于寬度達到0.15mm及以上的裂縫，可使用灌漿的方法處理。

以裂縫寬度為依據采取適宜的方法封閉混凝土裂縫，如果裂縫寬度在0.2mm以內，則進行表面封閉處理即可；如果裂縫寬度為0.2～0.3mm，則可進行灌漿處理，對還存在活動趨勢的裂縫，建議采用柔性材料作為灌漿材料；對寬度超過0.5mm的裂縫，應先進行開槽再用聚合物砂漿進行填補。低壓注漿是當前較為常用的裂縫處理方法，采用該方法進行施工時，要注意以下幾方面要點：當表面存在防風化或防滲要求時間，需在裂縫處理前進行必要的表面處理；對于可能影響到結構體系整體性和防滲性或可能導致鋼筋產生銹蝕的裂縫，必須采用灌漿的方法處理；對可能威脅到建筑安全使用的裂縫，除了要進行灌漿處理，還要適時采取其它方式進行加固；對溫度有敏感反映的裂縫，需在后期裂縫開度明顯變大后立即處理；對于活動性裂縫，宜使用柔性材料及時處理。

2.2 裂縫加固

2.2.1 裂縫加固基本原理

梁結構在豎向荷載作用下，同時受到彎矩M與剪力F的，荷載在梁結構上即產生彎矩又產生剪力。梁結構不同截面上彎矩與剪力的量值有差異，根據材料力學給出的彈性狀態下正應力的計算公式，荷載作用下主梁產生的正應力σ、荷載對主梁產生的彎矩M、主梁截面的幾何抗彎彈性模量E之間存在σ=M/E的關系，也就是說，梁式橋梁的主要受力情況由三個因素決定，即由荷載(荷載P、活載q)作用產生的內力(彎矩M)、主梁截面的面積AS決定的截面幾何特性(慣性矩I、幾何抗彎彈性模量E)及材料的而自身強度決定。

當外界條件改變，如荷載增加，對橋梁引起的內力增大，超過主梁結構和材料強度允許范圍時，必然造成橋梁開裂；隨著運營年限的增加，各種外界因素導致材料性能惡化、強度降低，也將造成橋梁承載能下降、開裂。

當前梁式橋加固的方法和技術種類繁多，但是基本原理是相同的，都是遵循力學的基本原理，即為了減少主梁承受的拉應力或增強主梁承受拉應力的能力，滿足結構受力的需要，提高橋梁承載能力。

2.2.2 裂縫加固常見方法

增大截面法。該方式是指在原結構基礎額外澆筑一層厚度適宜的混凝土，使受彎構件自身截面高度與鋼筋面積顯著增加，作為一種常規方法得到了廣泛應用。按照增大截面具體位置，可將其分成兩種情況，即頂部加強與底部加強。其中，頂部加強是指通過增加橋面板厚度或增鋪鋪裝層補強整個受壓區，使其受力面積與梁體高度均有所提高，進而提高結構的承載力。對I型梁橋與T型梁橋而言，推薦使用底部加強的方法，也就是增加梁底處的主梁腹板高度，或增加梁側腹板寬度，同時增大沿縱向布置的受拉鋼筋的實際面積。該方法的關鍵點在于確保新舊兩部分混凝土達到良好結合，對結合面進行鑿毛清理，也可采用設置剪力鍵的方法。該施工工藝有很高的成熟度，能大幅提高結構截面剛度，結構承載力也能得到顯著提升，而且結構計算也十分簡單。

粘鋼加固。該方法是指在待加固部位使用專用結構膠粘貼一層鋼板，以此和既有結構之間形成一個整體，在提高剛度的同時限制裂縫不斷擴展，以此提高橋梁整體承載力。將鋼板粘貼到位后，與結構中的原有鋼筋一同承受外部荷載持續作用，在進行加固設計的過程中，可將粘貼鋼板換算成鋼筋面積，以此承受新增加的荷載，以此簡化結構計算。相較于傳統加固方法，該方法的優劣勢為。

1)施工相對容易，工期短，結構截面尺寸不會發生變化，也不會增加結構重量，施工需要的場地與空間都較小，無需使用大型器具，成型速度快，施工對橋面正常交通造成的影響較小，加固時使用的鋼板不會占用太大空間，使原截面尺寸與凈空均得以保留，基本不影響結構整體外觀，完成加固后原結構整體重量與截面積小幅增加，無需對基礎或其它部位實施連鎖加固。

2)加固效果良好，施工工藝成熟，經濟性好，強度與剛度較大，加固梁還能表現出良好延性。施工后承載力得以大幅提升，截至目前該方法已經經歷很長一段時間的發展，操作工藝成熟，材料的消耗量少，經濟性好。

3)抗腐蝕與抗疲勞性能相對較差，容易出現粘結破壞現象。因粘鋼加固采用鋼材作為外貼材料，所以其耐化學腐蝕與耐潮濕能力很差。在實際的加固施工中，需要對膠結材料所用施工工藝予以嚴格控制，并采用錨固的方法使粘貼達到牢固。在充分考慮錨固長度的基礎上，為防止自由端的鋼板由于脫膠被拉開，可在端部使用夾緊螺栓進行固定，也可采用布置U形箍板的方式。

4)該加固方法的優劣勢在很大程度上決定了它的具體適用范圍與條件，主要用于由于設計疏忽或施工不當導致的受力鋼筋不足，使結構體系的承載能力切實滿足設計要求。綜合考慮鋼材和粘結材料自身特性，通常需要在溫度低于60℃且相對濕度不超過70%的情況下施工，若橋梁所處環境較為惡劣，則要采取合理可行的保護措施。為了使鋼板的粘結達到可靠，所用混凝土的強度等級需達到C20及以上。該方法施工會受到結構形狀直接影響，部分情況下的施工有很大難度。粘貼鋼板加固施工工藝流程如圖1所示。

圖1 粘貼鋼板加固施工工藝流程圖

2.2.3 碳纖維復合材料加固

該加固方法是指待加固區域通過粘貼碳纖維復合材料來改善局部結構受力特性，預防新裂縫產生，延緩既有裂縫擴展，該加固方法主要具有以下幾方面特點。

1)重量輕、強度大、施工方便、基本不會受到構件外部形狀的限制，也不會使結構的截面尺寸發生變化。不會增加結構荷載，也無需使用大型機械設備，對施工空間的要求相對較小，能快速完成施工，減輕對正常交通造成的影響，可適應多種外形情況；2)加固不會對原結構造成任何損傷，采用專門的粘結材料在待加固混凝土表面粘貼碳纖維布，對原結構沒有任何損傷破壞；3)耐久性能良好。無論是碳纖維復合材料還是粘結材料，都能有效抵抗不同介質的腐蝕作用，尤其是當受彎構件底部產生裂縫時，能有效阻止進水，避免鋼筋發生銹蝕，并能延緩混凝土碳化，改善既有結構綜合技術性能；4)既有裂縫修復與剛度提升效果并不顯著，且防火性能相對較差。該加固方法因材料截面抗彎慣性矩相對較小，所以對既有裂縫基本沒有閉合的效果，但由于該方法工藝簡單、速度快，所以一經出現就得到了廣泛應用，伴隨這種材料性能的不斷改善提高，以及價格的持續降低，在未來加固施工中必定得到進一步發展。

3 結語

在橋梁運營管理過程中應通過檢查及時發現裂縫問題，并根據其產生原因和具體部位，采取有效措施的加以處理，以此減輕裂縫造成的影響與破壞，延長橋梁結構使用壽命。以上對橋梁裂縫形成機制及相應的防治措施進行了初步分析與總結，旨在為實際的橋梁裂縫防治工作提供可靠技術參考。