道路橋梁設(shè)計(jì)與施工中的裂縫成因

蔡 鋒

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

當(dāng)前，在道路橋梁建設(shè)中經(jīng)常會(huì)遇到橋梁開(kāi)裂問(wèn)題，影響橋梁后期的正常使用。為了提高道路橋梁質(zhì)量，降低裂縫出現(xiàn)概率，減少因開(kāi)裂問(wèn)題引發(fā)的事故，應(yīng)該從設(shè)計(jì)階段及施工階段分析引發(fā)路橋裂縫的原因，然后優(yōu)化路橋設(shè)計(jì)，控制施工工藝，提高路橋質(zhì)量，以保證道路橋梁的安全性、耐久性及穩(wěn)定性，為后期的行車安全打下基礎(chǔ)。

1 道路橋梁中主要的裂縫類型

在道路橋梁項(xiàng)目建設(shè)中，施工過(guò)程中的質(zhì)量控制對(duì)于道路橋梁的整體質(zhì)量有著較大的影響。常見(jiàn)的道路橋梁裂縫一般分為荷載裂縫和非荷載裂縫。

1.1 荷載引起的裂縫

道路橋梁在使用過(guò)程中要承受自身荷載與來(lái)自外部流動(dòng)車輛的荷載，在荷載力與次應(yīng)力的作用之下，就會(huì)產(chǎn)生不同程度的裂縫，這些裂縫可以稱為荷載裂縫。荷載裂縫根據(jù)道路橋梁的承載能力出現(xiàn)不同的特征，裂縫大多出現(xiàn)在中心受壓區(qū)域或者受拉區(qū)、受剪區(qū)和振動(dòng)嚴(yán)重部位。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同的受力方式，產(chǎn)生的裂縫具有不同的特征。

（1）中心受壓。此種情況下，在構(gòu)件中會(huì)沿著受力方向出現(xiàn)短而密的平行裂縫（見(jiàn)圖1），這種裂縫大多出現(xiàn)在橋墩上。

圖1 中心受壓

（2）受彎。此種情況下，在彎矩最大截面附近，從受拉區(qū)邊緣開(kāi)始出現(xiàn)與受拉方向垂直的裂縫（見(jiàn)圖2），并逐漸向中和軸方向發(fā)展。

（3）受剪。當(dāng)橋梁主筋及抗剪切筋設(shè)置不足，箍筋設(shè)置過(guò)密時(shí)，會(huì)出現(xiàn)斜向破壞，沿梁端腹部出現(xiàn)大于45°方向的斜裂縫；當(dāng)箍筋適當(dāng)時(shí)發(fā)生剪切破壞，沿梁端中下部出現(xiàn)約45°方向相互平行的斜裂縫（見(jiàn)圖2）。

圖2 彎曲裂縫、剪切裂縫

1.2 溫度變化引起的裂縫

混凝土是一種特殊的熱脹冷縮的材料。在澆筑混凝土?xí)r，通常內(nèi)部的溫度較高，如果外界環(huán)境的溫度較低，則會(huì)使混凝土內(nèi)外溫差較大，在溫度應(yīng)力的作用下，使混凝土出現(xiàn)較多的裂縫，最終破壞混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，影響道路橋梁的整體質(zhì)量。澆筑混凝土?xí)r，水泥水化過(guò)程中會(huì)釋放大量的熱量，而混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)低，表面熱量散失快、內(nèi)部熱量散失慢，內(nèi)外降溫速率不同，形成內(nèi)外溫差。此時(shí)，當(dāng)外部環(huán)境溫度突降，混凝土表面會(huì)發(fā)生冷縮現(xiàn)象，也就是溫度收縮，形成收縮裂縫。溫度收縮與混凝土骨料組成、混凝土的強(qiáng)度及溫度降低的速率、幅度有關(guān)，因此，在現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑過(guò)程中應(yīng)采取有效的溫控措施，同時(shí)要避免連續(xù)澆筑時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、晝夜溫差大造成混凝土不均勻收縮而產(chǎn)生裂縫。

1.3 施工裂縫

道路橋梁施工中，混凝土的配比不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，或者在混凝土施工中沒(méi)有按照規(guī)范工序進(jìn)行施工操作，比如混凝土的振搗不均勻、初凝時(shí)間小于3h、混凝土分層或分段澆筑時(shí)接頭部位處理不好，則易在新舊混凝土和施工縫之間出現(xiàn)裂縫；或者后澆混凝土養(yǎng)護(hù)不到位，會(huì)導(dǎo)致混凝土收縮而引起裂縫。除此之外，道路橋梁施工中，由于現(xiàn)場(chǎng)堆積的荷載過(guò)大，超出路橋的承載能力，也會(huì)產(chǎn)生裂縫。另外，在施工中應(yīng)該預(yù)留泄水孔，泄水孔的周圍屬于受力薄弱部位，若施工控制不到位也很容易出現(xiàn)施工縫隙。

2 道路橋梁設(shè)計(jì)與施工中裂縫的預(yù)防措施

2.1 工程概況

某大橋主跨170m，為大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，主梁截面為箱型，其中箱頂板寬8m、底板寬5m，邊跨及跨中現(xiàn)澆段箱梁梁高4m，根部截面高11m。該橋在施工過(guò)程中出現(xiàn)裂縫，經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查、分析發(fā)現(xiàn)，該橋梁出現(xiàn)的裂縫主要是荷載裂縫（見(jiàn)圖3）及溫度變化引起的裂縫（見(jiàn)圖4）。

圖3 某大橋荷載裂縫現(xiàn)場(chǎng)圖片

圖4 某大橋溫度裂縫現(xiàn)場(chǎng)圖片

2.2 橋梁裂縫的控制措施

（1）提升道路橋梁設(shè)計(jì)方案的安全性。首先，要熟悉工程地質(zhì)情況，結(jié)合地基的承載力要求進(jìn)行道路橋梁的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，避免因?yàn)榛A(chǔ)承載力不足造成基礎(chǔ)不均勻沉降，從而出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象；在選擇荷載、行車道的數(shù)量等參數(shù)時(shí)，要有一定的預(yù)見(jiàn)性，做好橋梁的荷載預(yù)測(cè)，保證其在使用年限內(nèi)都能滿足使用要求。其次，路橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要根據(jù)荷載、跨度等參數(shù)合理設(shè)計(jì)構(gòu)件尺寸，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。最后，要結(jié)合道路橋梁開(kāi)裂的主要原因優(yōu)化路橋設(shè)計(jì)。對(duì)于混凝土和瀝青路面，都要按規(guī)范要求設(shè)置伸縮縫，避免路面和橋面在外力的作用下出現(xiàn)開(kāi)裂，要提升路面材料的強(qiáng)度，防止因?yàn)槁访骈L(zhǎng)期的磨損而導(dǎo)致開(kāi)裂。

（2）控制好原材料質(zhì)量。路橋工程對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性要求較高，以確保橋梁建成通車后的安全性能和使用壽命，充分發(fā)揮路橋工程運(yùn)輸價(jià)值。公路橋梁工程中高性能混凝土應(yīng)用較為普遍，高性能混凝土在路橋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用可以有效提升路橋工程的工程質(zhì)量，減少因受惡劣天氣影響而發(fā)生裂紋和變形的問(wèn)題。施工技術(shù)人員要控制混凝土成分，保證坍落度在l8～20cm，要適當(dāng)添加粉煤灰、緩凝劑，且經(jīng)過(guò)試驗(yàn)合格之后才可以配置混凝土。

（3）提升施工人員的質(zhì)量控制意識(shí)。在道路橋梁施工過(guò)程中，要重點(diǎn)提高施工人員的專業(yè)技能水平。進(jìn)場(chǎng)施工之前，要結(jié)合道路橋梁的施工工序與工藝技術(shù)開(kāi)展施工人員培訓(xùn)，促使施工人員熟練掌握施工操作工藝，以及施工機(jī)械設(shè)備的操作，提高施工人員的操作水平，強(qiáng)化施工質(zhì)量。針對(duì)施工裂縫，技術(shù)人員要分別強(qiáng)化施工管理力度與質(zhì)量控制力度，在施工中嚴(yán)格監(jiān)督施工人員的操作流程，保證施工人員能嚴(yán)格依照規(guī)定開(kāi)展施工，保障施工質(zhì)量。

（4）完善混凝土澆筑方案。第一，分層澆筑?；炷翗?gòu)件尺寸較大，澆筑厚度、面積較大時(shí)，如果一次澆筑成型，混凝土內(nèi)部熱量就無(wú)法及時(shí)散出，混凝土表面熱量散失快、內(nèi)部熱量散失慢，造成混凝土內(nèi)外溫差大，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土?xí)l(fā)生開(kāi)裂，形成裂縫。為了預(yù)防此類裂縫，應(yīng)該采取分層澆筑的方式，橫向增設(shè)“后澆帶”完成澆筑工作。分層澆筑可以分成全面分層、斜面分層、分段分層三種澆筑方式，在大面積混凝土的澆筑中，要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇合適的分層澆筑方式。

第二，采用二次振搗，提高混凝土的抗裂性。二次振搗最重要的是把握振搗時(shí)間，二次振搗時(shí)間的選擇與混凝土的坍落度、外加劑、水泥種類等參數(shù)相關(guān)，因此在二次振搗前要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確定最佳振搗時(shí)間。當(dāng)最佳振搗時(shí)間確定之后，要結(jié)合前期施工計(jì)劃合理安排振搗方案，同時(shí)為質(zhì)量事故預(yù)留整改時(shí)間。通過(guò)二次振搗，可提高振搗密實(shí)性，預(yù)防混凝土開(kāi)裂。

第三，掌控出機(jī)溫度。在混凝土原材料中，礫石比熱容最小、質(zhì)量占比最大，水的比熱容最大、質(zhì)量占比最小，這兩種材料對(duì)混凝土的出機(jī)溫度影響最為明顯。為了控制混凝土的出機(jī)溫度，最佳方案是降低礫石溫度。因此，在外界溫度較高的施工期，要做好原材料的防護(hù)，避免陽(yáng)光直接照射，比如通過(guò)覆蓋、搭建帳篷等措施對(duì)礫石進(jìn)行避光處理。如有需要，還應(yīng)該在使用礫石前用涼水沖洗，降低其溫度。通過(guò)降低出機(jī)溫度，減少混凝土水化熱，降低混凝土內(nèi)外的溫差，可預(yù)防混凝土裂縫的出現(xiàn)。

第四，掌控澆筑溫度。對(duì)混凝土澆筑溫度的控制，可以合理降低混凝土內(nèi)外溫差，降低溫度應(yīng)力。在混凝土澆筑階段，要根據(jù)季節(jié)選擇合適的建筑方案。夏季，混凝土澆筑過(guò)程中可以利用草包將泵管包裹起來(lái)，并噴灑涼水，對(duì)混凝土起到降溫作用；在混凝土的傳送上，要選擇坡度較大，可以將混凝土一次送到澆筑位置的方式，減少混凝土暴露時(shí)間與暴露面積。冬季，要合理控制混凝土的澆筑厚度，一般在1m左右；為了降低混凝土表面溫度的散失速度，可以增設(shè)烤爐，達(dá)到減小混凝土內(nèi)外溫差的效果。通過(guò)以上措施，能夠降低混凝土內(nèi)外溫差，降低混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力，從而減少混凝土裂縫的出現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，路橋的設(shè)計(jì)與施工中引發(fā)混凝土裂縫的原因較多，要從提升道路橋梁設(shè)計(jì)方案的安全性、控制好原材料質(zhì)量、提升施工人員的質(zhì)量控制意識(shí)、完善混凝土澆筑方案四個(gè)方面預(yù)防裂縫。設(shè)計(jì)之前，應(yīng)調(diào)查工程地質(zhì)，合理選擇基礎(chǔ)類型，根據(jù)荷載預(yù)測(cè)合理設(shè)計(jì)構(gòu)件的尺寸、鋼筋的設(shè)置；施工中，應(yīng)選擇合理的混凝土澆筑方案，采取分層澆筑、二次振搗等措施控制混凝土的澆筑溫度等，實(shí)現(xiàn)預(yù)防裂縫的效果。