淺析橋梁工程中混凝土裂縫的成因

劉春俏 王勇

摘 要： 混凝土橋梁裂縫產(chǎn)生的原因，隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)得到迅猛發(fā)展，各地興建了大量的混凝土橋梁。混凝土早已經(jīng)成為當(dāng)今世界建筑結(jié)構(gòu)中使用最廣泛的建筑材料之一。它取材廣泛、價(jià)格低廉、抗壓強(qiáng)度高、可澆筑成各種形狀，并且耐火性好、不易風(fēng)化、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低。其最主要的缺點(diǎn)是抗拉能力差，容易開裂。大量的工程實(shí)踐和理論分析表明，幾乎所有的混凝土構(gòu)件均是帶裂縫工作，甚至有些裂縫是肉眼看不見的（<0.05mm）。這種裂縫一般對(duì)結(jié)構(gòu)的使用無(wú)大的危害，允許其存在;有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學(xué)因素的作用下，不斷產(chǎn)生和擴(kuò)展，引起混凝土碳化、保護(hù)層剝落、鋼筋腐蝕，使混凝土的強(qiáng)度和剛度受到削弱，耐久性降低，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生垮塌事故，危害結(jié)構(gòu)的正常使用。

關(guān)鍵詞： 混凝土;橋梁;裂縫

近幾年來(lái)有關(guān)因出現(xiàn)裂縫而影響工程質(zhì)量甚至導(dǎo)橋梁垮塌的報(bào)道屢見不鮮?；炷灵_裂可以說(shuō)是工程質(zhì)量的一個(gè)棘手通病，經(jīng)常困擾著橋梁工程技術(shù)人員。從分析裂縫產(chǎn)生的原因來(lái)看，如果采取一定的設(shè)計(jì)和施工措施，很多裂縫是可以克服和控制的。本文將從對(duì)混凝土橋梁裂縫的認(rèn)識(shí)出發(fā)，盡可能對(duì)混凝土橋梁裂縫的種類和產(chǎn)生的原因作較全面的分析，以便設(shè)計(jì)、施工找出控制裂縫的可行辦法，減少和減輕混凝土裂縫產(chǎn)生對(duì)橋梁的危害。

一、混凝土橋梁裂縫種類、成因

從實(shí)際的施工中發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因非常復(fù)雜，很多種因素相互影響，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

荷載裂縫分為直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。荷載裂縫指混凝土橋梁在常規(guī)靜、動(dòng)荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫。

1、直接應(yīng)力裂縫

直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：

（1）設(shè)計(jì)階段。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有充分考慮施工條件;斷面設(shè)計(jì)不足;鋼筋設(shè)置數(shù)量偏少或布置錯(cuò)誤;結(jié)構(gòu)剛度不足;構(gòu)造處理不當(dāng);設(shè)計(jì)交底不清等。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)個(gè)別部分不計(jì)算或漏算;計(jì)算模型不合理;結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符;荷載少算或漏算;內(nèi)力與配筋計(jì)算錯(cuò)誤;結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠;沒(méi)能充分考慮模板、拱架和支架的自重;新澆筑混凝土及振搗混凝土?xí)r的荷載。

施工階段。施工單位不能嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙施工，私自變更施工順序、改變結(jié)構(gòu)受力模式;隨意堆放施工機(jī)具、施工材料，增加主體結(jié)構(gòu)的荷載;不了解預(yù)制構(gòu)件的受力特點(diǎn)，隨意翻身、起吊、運(yùn)輸、安裝。

（3）使用階段。受車輛、船舶的接觸、撞擊;發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等。超載重型車輛通過(guò)橋梁。

2、次應(yīng)力裂縫

次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：

在設(shè)計(jì)外荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)物的實(shí)際工作狀態(tài)同常規(guī)計(jì)算有出入或計(jì)算不考慮，從而在某些部位引起次應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

（2）橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽、開洞、設(shè)置牛腿等，在常規(guī)計(jì)算中難以用準(zhǔn)確的圖式進(jìn)行模擬計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置受力鋼筋。研究表明，受力構(gòu)件挖孔后，力流將產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，在孔洞附近密集，產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中。在長(zhǎng)跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁中，經(jīng)常在跨內(nèi)根據(jù)截面內(nèi)力需要截?cái)噤撌?，設(shè)置錨頭，而在錨固斷面附近經(jīng)?？梢钥吹搅芽p。因此，若處理不當(dāng)，在這些結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處或構(gòu)件形狀突變處、受力鋼筋截?cái)嗵幦菀壮霈F(xiàn)裂縫。

實(shí)際工程中，次應(yīng)力裂縫是產(chǎn)生荷載裂縫的最常見原因。次應(yīng)力裂縫多屬?gòu)埨⑴?、剪切性質(zhì)。次應(yīng)力裂縫也是由荷載引起，僅是按常規(guī)一般不計(jì)算，但隨著現(xiàn)代計(jì)算手段的不斷完善，次應(yīng)力裂縫也是可以做到合理驗(yàn)算的。例如現(xiàn)在對(duì)預(yù)應(yīng)力、徐變等產(chǎn)生的二次應(yīng)力，不少平面桿系有限元程序均可正確計(jì)算。在設(shè)計(jì)上，應(yīng)注意避免結(jié)構(gòu)突變（或斷面突變），當(dāng)不能回避時(shí)，應(yīng)做局部處理，如轉(zhuǎn)角處做圓角，突變處做成漸變過(guò)渡，同時(shí)加強(qiáng)構(gòu)造配筋，轉(zhuǎn)角處增配斜向鋼筋，對(duì)于較大孔洞有條件時(shí)可在周邊設(shè)置護(hù)邊角鋼。

3、荷載裂縫及特征

（二）、溫度變化引起的裂縫

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過(guò)程中，由于受到基礎(chǔ)或原有混凝土的約束，又會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會(huì)在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力，有時(shí)溫度應(yīng)力可超過(guò)其它外荷載所起的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超出活載應(yīng)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(kuò)張或合攏。溫度變化引起的裂縫，主要原因有：

（1）、年溫差。一年中四季溫度不斷變化，但變化相對(duì)緩慢，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向位移，一般可通過(guò)橋面伸縮縫、支座位移或設(shè)置柔性墩等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào)，只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時(shí)才會(huì)引起溫度裂縫，例如拱橋、剛架橋等。我國(guó)年溫差一般以一月和七月月平均溫度的作為變化幅度。考慮到混凝土的蠕變特性，年溫差內(nèi)力計(jì)算時(shí)混凝土彈性模量應(yīng)考慮折減。

（2）、日照溫差。橋面板、主梁或橋墩側(cè)面受太陽(yáng)曝曬后，溫度明顯高于其它部位，溫度梯度呈非線形分布。由于受到自身約束作用，導(dǎo)致局部拉應(yīng)力較大，出現(xiàn)裂縫。日照和下述驟然降溫是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度裂縫的最常見原因。

（3）、驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對(duì)較慢而產(chǎn)生溫度梯度。日照和驟然降溫內(nèi)力計(jì)算時(shí)可采用設(shè)計(jì)規(guī)范或參考實(shí)橋資料進(jìn)行，混凝土彈性模量不考慮折減。

（4）、水泥水化熱。出現(xiàn)在施工過(guò)程中，大體積混凝土澆筑之后由于水泥水化放熱，致使內(nèi)部溫度很高，內(nèi)外溫差太大，致使表面出現(xiàn)裂縫。施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，盡量選擇水化熱低的水泥品種，限制水泥單位用量，減少骨料入模溫度，降低內(nèi)外溫差，并緩慢降溫，必要時(shí)可采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部散熱，或采用薄層連續(xù)澆筑以加快散熱。例如：全面分層、分段分層、斜面分層澆筑等。

二 、收縮引起的裂縫

在實(shí)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。

（一）、縮水收縮（干縮）

混凝土結(jié)硬以后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮（干縮）。因混凝土表層水分損失快，內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當(dāng)表面混凝土承受拉力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生收縮裂縫。混凝土硬化后收縮主要就是縮水收縮。如配筋率較大的構(gòu)件（超過(guò)3%），鋼筋對(duì)混凝土收縮的約束比較明顯，混凝土表面容易出現(xiàn)龜裂裂紋。

（二）、塑性收縮

發(fā)生在施工過(guò)程中、混凝土澆筑后4～5小時(shí)左右，此時(shí)水泥水化反應(yīng)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(shí)骨料因自重下沉，因此時(shí)混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。塑性收縮所產(chǎn)生量級(jí)很大，可達(dá)1%左右。在骨料下沉過(guò)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?shí)不均勻?qū)l(fā)生表面的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮，施工時(shí)應(yīng)控制水灰比，避免過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的攪拌，下料不宜太快，振搗要密實(shí)，豎向變截面處宜分層澆筑。

（三）、炭化收縮。

大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發(fā)生，且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計(jì)算。

混凝土收縮裂縫的特點(diǎn)是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細(xì)，且縱橫交錯(cuò)，成龜裂狀，形狀沒(méi)有任何規(guī)律。

三、材料質(zhì)量引起的裂縫

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌合水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。拌合水或外加劑中氯化物等雜質(zhì)含量較高時(shí)對(duì)鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或堿泉水拌制混凝土，或采用含有堿的外加劑，可能對(duì)堿骨料反應(yīng)有影響。