薄壁橋臺(tái)裂縫成因及處置研究

楊欽博，焦明東

（河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450015）

1 引言

橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，橋臺(tái)尤其是薄壁橋臺(tái)出現(xiàn)裂縫是不可避免的。作為混凝土結(jié)構(gòu)的常見病害，裂縫的出現(xiàn)是結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞的基礎(chǔ)，也是內(nèi)部鋼筋銹蝕的開始，裂縫的寬窄、深淺均會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性甚至承載能力造成影響[1，2]。裂縫的技術(shù)參數(shù)，如發(fā)生位置、走向、寬度、長(zhǎng)度和深度以及裂縫的活動(dòng)性，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性和承載能力的影響也不盡相同。因此如何判斷橋臺(tái)裂縫的性質(zhì)，并根據(jù)裂縫性質(zhì)采取針對(duì)性的處理措施，可降低裂縫病害對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，也是保證橋梁正常安全服役的關(guān)鍵一環(huán)[3-5]。依托橋梁病害檢測(cè)數(shù)據(jù)，本文針對(duì)薄壁橋臺(tái)的裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過實(shí)際案例從受力、施工、設(shè)計(jì)和交通荷載方面分析了裂縫成因；根據(jù)裂縫成因?qū)α芽p性質(zhì)進(jìn)行判斷，對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫和非結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行針對(duì)性的加固處理。研究可為未來(lái)橋梁設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)和加固提供經(jīng)驗(yàn)。

2 薄壁橋臺(tái)常見裂縫統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)薄壁橋臺(tái)裂縫結(jié)果顯示，臺(tái)身豎向裂縫最為常見，橫向裂縫次之，斜裂縫在橋梁檢測(cè)中也有發(fā)現(xiàn)，但數(shù)量最少。

2.1 豎向裂縫

根據(jù)裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果，薄壁橋臺(tái)豎向裂縫的分布位置及走向存在較大的規(guī)律性，多由臺(tái)身中下部位向底部和頂部延伸，但多數(shù)未延伸至承臺(tái)和臺(tái)帽（蓋梁）頂部，呈中間寬兩端窄的狀態(tài)，豎向裂縫常見分布形態(tài)如圖1所示。

圖1 薄壁橋臺(tái)豎向裂縫示意圖

裂縫寬度測(cè)量結(jié)果顯示，豎向裂縫寬度介于0.10mm～0.24mm 之間，極少數(shù)裂縫寬度可達(dá)到0.40mm。根據(jù)裂縫深度超聲波檢測(cè)結(jié)果顯示，在裂縫最寬處，裂縫深度為8.0mm～30.0mm，這說明豎向裂縫并未發(fā)展進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，但對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性有一定的影響。

2.2 橫向裂縫

根據(jù)薄壁橋臺(tái)裂縫檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，橫向裂縫多出現(xiàn)于高橋臺(tái)臺(tái)身，多在橋臺(tái)1/3高度處，常見分布如圖2所示。

圖2 薄壁橋臺(tái)橫向裂縫示意圖

裂縫寬度測(cè)量結(jié)果顯示，橫向裂縫寬度多介于0.08mm～0.20mm 之間，極少數(shù)會(huì)達(dá)到0.30mm；根據(jù)橫向裂縫長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橫向裂縫多數(shù)為非貫通裂縫，同時(shí)存在斷續(xù)分布的情況。

2.3 斜向不規(guī)則裂縫

斜裂縫在橋臺(tái)檢測(cè)中較少，多出現(xiàn)在橋臺(tái)或側(cè)墻部位，常見分布如圖3所示。

圖3 薄壁橋臺(tái)斜向不規(guī)則裂縫示意圖

裂縫寬度測(cè)量結(jié)果顯示，斜裂縫的寬度差異較大，最寬處可達(dá)2.0mm；根據(jù)裂縫深度超聲波檢測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)燈光檢測(cè)結(jié)果顯示，部分裂縫為貫穿裂縫。根據(jù)斜裂縫發(fā)展?fàn)顩r觀察結(jié)果，斜裂縫存在較大的發(fā)展空間，一旦出現(xiàn)則會(huì)迅速發(fā)展，對(duì)于橋臺(tái)的承載能力影響較大。

3 案例概述

為了分析薄壁橋臺(tái)在結(jié)構(gòu)中的受力，以便更清晰的描述裂縫在橋臺(tái)中的相對(duì)位移，選擇某簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槔M(jìn)行分析。橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，下部構(gòu)造為單排多柱式墩和薄壁橋臺(tái)，薄壁臺(tái)身采用矩形截面，臺(tái)身高6.0m、寬22.0m、厚0.45m，橋臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。

圖4 橋臺(tái)結(jié)構(gòu)側(cè)面圖（cm）

4 裂縫成因分析

4.1 橋臺(tái)受力分析

根據(jù)橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，產(chǎn)生橫向裂縫的橋臺(tái)上部伸縮縫大多已擠死，造成橋臺(tái)的縱向水平位移受到約束，考慮到橋臺(tái)下部嵌固作用，橋臺(tái)受到上下兩個(gè)支點(diǎn)約束，臺(tái)身相當(dāng)于彈性地基梁受力。薄壁橋臺(tái)橫橋向和縱橋向受力如圖5所示。

圖5 橋臺(tái)受力示意圖（cm）

根據(jù)道路交通荷載，考慮最不利荷載工況組合，即在臺(tái)后填土自重引起的土壓力及臺(tái)背有公路-I 級(jí)荷載作用，橋臺(tái)臺(tái)身彎矩分布如圖6所示。

圖6 橋臺(tái)臺(tái)身彎矩分布圖

根據(jù)圖6可知，臺(tái)身豎向最大彎矩發(fā)生在距承臺(tái)頂2.1m 處，即橋臺(tái)豎向1/3 處，這與橋臺(tái)檢測(cè)中的橫向水平裂縫分布位置較為吻合。

4.2 施工方面分析

4.2.1 材料

對(duì)于寬橋臺(tái)，在混凝土澆筑完成后，混凝土表面常因干縮產(chǎn)生表面裂縫，多為豎向，但長(zhǎng)度方面并沒有一定的規(guī)律，有時(shí)也存在細(xì)短的橫向裂縫，與豎向裂縫一起構(gòu)成網(wǎng)狀裂縫。

4.2.2 施工工藝

根據(jù)施工規(guī)范要求，輕型橋臺(tái)須在梁板吊裝完成后方能進(jìn)行臺(tái)背填土作業(yè)，且大型振動(dòng)壓路機(jī)不得靠近臺(tái)身位置。施工中為了加快工期，多在梁板吊裝之前就已經(jīng)開始臺(tái)背填土作業(yè)，同時(shí)違規(guī)采用振動(dòng)壓路機(jī)近臺(tái)身碾壓。上述不合規(guī)范的操作在一定程度上削弱了臺(tái)身抵抗能力，為臺(tái)身裂縫的產(chǎn)生留下隱患。

4.2.3 基礎(chǔ)處理不佳

橋臺(tái)發(fā)生變形多是由于基礎(chǔ)不均勻沉降造成的。橋臺(tái)不同部位基礎(chǔ)的不均勻沉降會(huì)引起橋臺(tái)不均勻受力，一旦超過混凝土抗拉承載能力則會(huì)形成斜向裂縫。

4.3 設(shè)計(jì)分析

4.3.1 橋臺(tái)選型設(shè)計(jì)

高等級(jí)公路尤其是高速公路橋梁橋臺(tái)選型設(shè)計(jì)，多選用耳墻式輕型橋臺(tái)并結(jié)合錐坡、圍墻和擋墻使用。在水平土壓力作用下，耳墻對(duì)臺(tái)身產(chǎn)生較大的扭矩，臺(tái)身越高、斜度越大，對(duì)于耳墻的縱向長(zhǎng)度要求越大，進(jìn)一步加大了臺(tái)身承擔(dān)的扭矩，造成橋臺(tái)更為復(fù)雜的應(yīng)力作用。

4.3.2 地質(zhì)因素考慮不充分

合理有效的橋臺(tái)臺(tái)身選型需要對(duì)橋位地質(zhì)詳細(xì)勘察，尤其是地質(zhì)條件比較復(fù)雜的地區(qū)?；A(chǔ)地質(zhì)條件分布在空間上會(huì)存在較大的差異，如果不能進(jìn)行合理有效處理，則會(huì)因地基不均勻沉降引起橋臺(tái)臺(tái)身附加應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。

4.3.3 其他方面原因

橋頭跳車是當(dāng)前橋梁臺(tái)背填土處理的疑難問題。為了解決橋頭跳車問題，多在設(shè)計(jì)階段采用提高臺(tái)背填土密實(shí)度的方式進(jìn)行預(yù)防處理；在臺(tái)后土填筑壓實(shí)過程中，提高臺(tái)后填土的密實(shí)度會(huì)造成臺(tái)后主動(dòng)土壓力相對(duì)偏大，使得橋臺(tái)在施工階段就已經(jīng)形成微裂縫，但多因?qū)挾冗^小肉眼無(wú)法看出，在后期運(yùn)營(yíng)過程中裂縫擴(kuò)展之后方能發(fā)現(xiàn)。

4.4 交通荷載影響

交通量的迅猛增長(zhǎng)，使得原本能夠滿足剛度要求的橋臺(tái)無(wú)法滿足當(dāng)前交通荷載的要求，常見臺(tái)身上部在主動(dòng)土壓力的作用下向橋跨方向傾斜，在一定程度上造成橋臺(tái)背墻主梁頂死，相當(dāng)于橋臺(tái)上部被單向彈性嵌制，而臺(tái)身下端嵌固于承臺(tái)，加上臺(tái)身本身剛度不足，只能產(chǎn)生側(cè)向變形，使得橋臺(tái)內(nèi)側(cè)面產(chǎn)生超過混凝土抗拉強(qiáng)度的較大拉應(yīng)力而形成裂縫，位置與橋臺(tái)臺(tái)身橫向裂縫位置相同。

5 橋臺(tái)裂縫處治方案分析

裂縫的產(chǎn)生和存在給水及空氣提供了入侵混凝土結(jié)構(gòu)的途徑，并引起鋼筋銹蝕，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致鋼筋屈服后結(jié)構(gòu)出現(xiàn)干脆性破裂，因此，需要對(duì)橋臺(tái)裂縫進(jìn)行處治。關(guān)于橋臺(tái)裂縫的處治，除非對(duì)裂縫的發(fā)生原因有確切的了解，否則不可貿(mào)然進(jìn)行裂縫處治。需要先針對(duì)裂縫性質(zhì)進(jìn)行判斷，然后根據(jù)裂縫性質(zhì)采取針對(duì)性的處治方法。

5.1 裂縫性質(zhì)判斷

從概念上講，結(jié)構(gòu)裂縫為結(jié)構(gòu)受到外力作用而產(chǎn)生的裂縫，多由靜載、活載或二者耦合作用產(chǎn)生；非結(jié)構(gòu)裂縫為結(jié)構(gòu)因變形產(chǎn)生的裂縫。鑒于裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)承載性能或耐久性造成較大的影響，在對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行加固處治之前，需要針對(duì)常見裂縫進(jìn)行性質(zhì)判斷。

5.1.1 豎向裂縫

由于橋臺(tái)本身在橫向上屬于大體積混凝土，容易受到混凝土品質(zhì)的影響，其中水泥品種、水灰比大小、粗細(xì)骨料配比、養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度等條件均會(huì)對(duì)混凝土的收縮徐變?cè)斐奢^大影響。另外，由于橋臺(tái)橫向尺寸較大，單幅長(zhǎng)度可達(dá)到20m，盡管施工時(shí)已根據(jù)計(jì)算預(yù)留了沉降縫，但是由于地基不均勻沉降對(duì)于橋臺(tái)產(chǎn)生次應(yīng)力，在施工期或梁板吊裝期間均會(huì)因次應(yīng)力產(chǎn)生豎向裂縫，據(jù)此可判定此類穩(wěn)定無(wú)惡化發(fā)展的豎向裂縫為非結(jié)構(gòu)裂縫，對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)承載能力影響不大，但對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性影響較大。

5.1.2 橫向裂縫

根據(jù)橋臺(tái)受力分析，橋臺(tái)以豎向受彎為主，橋臺(tái)頂面、底面均為受力最不利位置。橫向裂縫對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載性能影響較大，危害性強(qiáng)，尤其貫通裂縫極易引起混凝土的脆性開裂，若鋼筋長(zhǎng)期處于屈服應(yīng)力狀態(tài)，則會(huì)大大降低結(jié)構(gòu)使用年限，應(yīng)給予充分重視。在橋梁服役過程中，對(duì)于活躍裂縫進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)裂縫發(fā)展和嚴(yán)重程度及時(shí)作出維護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)對(duì)策。綜上所述，橋臺(tái)橫向裂縫為結(jié)構(gòu)裂縫，是橋臺(tái)裂縫中較為嚴(yán)重的病害。

5.1.3 斜裂縫

斜裂縫多是因?yàn)闃蚺_(tái)基礎(chǔ)承受的水平靜土壓力發(fā)生動(dòng)態(tài)變化或土壤液化引起地基變形，致使橋臺(tái)向橋梁方向發(fā)生傾斜扭轉(zhuǎn)，形成剪切受力裂縫。由于剪切破壞屬于脆性破壞，其劣化程度高于水平裂縫，對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全影響更大，是橋臺(tái)裂縫中最為嚴(yán)重的病害，因此對(duì)于寬度超過0.2mm 的斜裂縫應(yīng)給予足夠的重視。

5.2 裂縫處治方法的選擇

對(duì)于橋臺(tái)臺(tái)身裂縫而言，橫向裂縫、斜裂縫均屬于結(jié)構(gòu)裂縫，豎向裂縫則屬于非結(jié)構(gòu)裂縫。根據(jù)橋臺(tái)裂縫統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，20%的裂縫為結(jié)構(gòu)裂縫，其余80%的裂縫為非結(jié)構(gòu)裂縫，這也與橋臺(tái)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)中豎向裂縫出現(xiàn)的概率多于橫向裂縫和斜裂縫的結(jié)果是相吻合的。為了最大限度降低裂縫對(duì)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)承載能力和耐久性的影響，對(duì)于橋臺(tái)裂縫需要進(jìn)行針對(duì)性的處治。

5.2.1 非結(jié)構(gòu)裂縫

非結(jié)構(gòu)裂縫是由溫度變化、混凝土收縮、地基不均勻沉降等非荷載因素引起的變形。雖然混凝土結(jié)構(gòu)在一定條件下允許帶縫工作，但對(duì)于裂縫寬度具有一定的限制。考慮到裂縫的存在對(duì)于結(jié)構(gòu)耐久性造成一定影響，因此根據(jù)裂縫寬度的不同，非結(jié)構(gòu)裂縫分為超限裂縫和非超限裂縫，處置方案如下。

①非超限裂縫。

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）7.3.4，有筋橋臺(tái)臺(tái)身在無(wú)侵蝕性影響的環(huán)境下，最大裂縫寬度限值為0.25mm。對(duì)于非超限豎向裂縫，如果裂縫長(zhǎng)度、寬度比較穩(wěn)定，則可以采取涂膜封閉法封閉處理。

表面涂膜。對(duì)于非超限裂縫，在裂縫處涂抹環(huán)氧樹脂掩護(hù)膜，在裂縫存在發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，可采用具有跟蹤性的焦油環(huán)氧樹脂材料，對(duì)于裂縫密集或混凝土老化、砂漿離析嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)物，可在清理表層混凝土后涂抹掩護(hù)膜。

表面噴漿。對(duì)于結(jié)構(gòu)混凝土老化、裂縫較多的裂縫表面，可采用噴漿處理的方式，在鑿毛洗凈裂縫表面后，噴射一層高強(qiáng)度水泥砂漿。涂膜封閉法施工示意圖如圖7所示。

圖7 涂膜封閉法示意圖

②超限裂縫。

對(duì)于表層裂縫而言，裂縫表層寬度較內(nèi)部寬，考慮到保護(hù)層對(duì)于內(nèi)部鋼筋的防護(hù)作用，只有在裂縫寬度大于0.3mm 時(shí)才會(huì)考慮使用灌注方法修補(bǔ)。對(duì)于超限裂縫，可根據(jù)裂縫性質(zhì)和橋臺(tái)服役環(huán)境采用灌漿法或開槽填補(bǔ)法進(jìn)行處理。

灌漿法。對(duì)于非結(jié)構(gòu)裂縫中的超限裂縫，可考慮灌漿法處理。首先將裂縫與外界進(jìn)行隔離封閉，僅保留進(jìn)出漿口和排氣孔，然后通過壓漿泵以一定壓力將漿液壓入縫隙內(nèi)并使其擴(kuò)散，膠凝固化，能夠在一定程度上恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性、強(qiáng)度、耐久性及抗?jié)B性，灌注漿液示意圖如圖8所示。

圖8 灌漿法封閉裂縫示意圖

開槽填補(bǔ)法。針對(duì)數(shù)量少、寬度大的裂縫，多采用開槽填補(bǔ)法處理。首先沿裂縫鑿出一條深槽，然后根據(jù)裂縫位置和修補(bǔ)材料確定槽型，最后在槽內(nèi)嵌補(bǔ)粘結(jié)材料。施工示意圖如圖9所示。

圖9 開槽填補(bǔ)法封閉裂縫示意圖

5.2.2 結(jié)構(gòu)裂縫

結(jié)構(gòu)裂縫，即由于結(jié)構(gòu)抗力不足，作為破壞預(yù)兆標(biāo)志而存在安全隱患的裂縫。對(duì)于結(jié)構(gòu)裂縫的加固處理，應(yīng)區(qū)分發(fā)展性裂縫和穩(wěn)定性裂縫，并采取針對(duì)性的處理措施。

①穩(wěn)定性裂縫。

對(duì)于結(jié)構(gòu)裂縫，如橫向裂縫或斜向裂縫，在寬度小于0.20mm 且一年內(nèi)能夠達(dá)到穩(wěn)定的情況下，則采取灌注化學(xué)漿液的方法處理。

②發(fā)展性裂縫。

對(duì)于結(jié)構(gòu)裂縫，如果裂縫寬度繼續(xù)發(fā)展，則表明橋臺(tái)臺(tái)后土壓力或基礎(chǔ)沉降依然在發(fā)展，對(duì)橋臺(tái)變形的影響仍然存在，應(yīng)首先進(jìn)行臺(tái)后卸載再進(jìn)行裂縫處治。對(duì)寬度接近0.3mm 的裂縫宜進(jìn)行裂縫深度的超聲法檢測(cè)，若裂縫深度到達(dá)1/3 臺(tái)身厚度，則應(yīng)進(jìn)行臺(tái)身加固以增強(qiáng)臺(tái)身整體受力性能和補(bǔ)強(qiáng)鋼筋因屈服減弱的應(yīng)力。橋臺(tái)加固，則需要根據(jù)非結(jié)構(gòu)裂縫的封閉處理方法處理，然后考慮采用鋼板或復(fù)合材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，具體封閉補(bǔ)強(qiáng)示意圖如圖10所示。

圖10 結(jié)構(gòu)裂縫封閉補(bǔ)強(qiáng)示意圖

6 結(jié)語(yǔ)

作為混凝土結(jié)構(gòu)常見病害，裂縫對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的承載性能和耐久性影響較大。文中依托工程檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)橋臺(tái)常見裂縫進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，詳細(xì)研究了薄壁橋臺(tái)裂縫的原因以及裂縫對(duì)薄壁橋臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響，并針對(duì)性的提出處治方案，對(duì)未來(lái)橋臺(tái)裂縫性質(zhì)的判斷、分析和處治提供一定的工程參考，對(duì)未來(lái)薄壁橋臺(tái)的設(shè)計(jì)提供工程實(shí)際反饋。由于數(shù)據(jù)樣本的限制，本文未能對(duì)全部薄壁橋臺(tái)現(xiàn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，期望今后擴(kuò)大樣本考量，針對(duì)薄壁橋臺(tái)裂縫進(jìn)行更加系統(tǒng)的研究。