公路橋梁設(shè)計(jì)與施工中的裂縫成因及預(yù)防策略

王臣

（江蘇省科佳工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇無(wú)錫 214000）

1 混凝土裂縫的類(lèi)型及危害

1.1 混凝土裂縫的類(lèi)型

混凝土裂縫的類(lèi)型主要可分為表面裂縫、內(nèi)部裂縫、深層裂縫與貫穿裂縫。

1）表面裂縫主要是混合料構(gòu)造物在外界水化作用下或受到熱度、溫度變化影響，導(dǎo)致構(gòu)造物內(nèi)、外部溫度不均勻，內(nèi)部溫度明顯變高，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力達(dá)到構(gòu)造物的臨界點(diǎn)時(shí)，會(huì)造成混凝土成品構(gòu)件表面出現(xiàn)裂縫。混凝土的體積越大，裂縫對(duì)構(gòu)造物的影響越小，雖然表面裂縫的危害程度較輕，不會(huì)向深度滲透，但會(huì)嚴(yán)重影響橋梁的美觀度以及使用壽命。

2）內(nèi)部裂縫是指發(fā)生在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)部，但在其外部表面不可見(jiàn)的裂縫。當(dāng)表面出現(xiàn)裂縫后，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行二次連續(xù)澆筑可能會(huì)封閉表面裂縫，使其不再可見(jiàn)，但這并不意味著內(nèi)部裂縫已被完全修復(fù)或消除。

3）深層裂縫主要是表面裂縫在某些特殊作用力的影響下滲透發(fā)展引發(fā)的，與表面裂縫相比，深層裂縫可能會(huì)對(duì)構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力造成影響，危害性相對(duì)較大。

4）貫穿裂縫。指一種從混凝土構(gòu)件的一個(gè)表面延伸至另一個(gè)表面的裂縫。當(dāng)混凝土構(gòu)件的體積和內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸較大時(shí)，由于水化熱的影響，構(gòu)件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的溫度場(chǎng)。如果構(gòu)件的導(dǎo)熱性能和散熱性能不足，熱量可能無(wú)法順利排出，導(dǎo)致中心區(qū)域與表面之間的溫差逐漸增大。這種溫差會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)這些應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就可能引發(fā)貫穿裂縫的形成[1]。

1.2 混凝土裂縫的危害

混凝土一旦出現(xiàn)開(kāi)裂或縫隙，會(huì)對(duì)公路橋梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的影響，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的荷載力出現(xiàn)變化，影響公路橋梁的使用壽命與穩(wěn)定性?；炷脸霈F(xiàn)裂縫后受到滲透水壓的影響，裂縫進(jìn)一步加劇，從而引發(fā)路面不平甚至是橋梁塌陷[2]。此外，混凝土出現(xiàn)裂縫后，空氣中的水分、氧氣、二氧化碳都會(huì)逐漸滲透到公路橋梁的內(nèi)部，形成碳化反應(yīng)，不僅會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度，還可能導(dǎo)致工程內(nèi)部的鋼筋被氧化，導(dǎo)致鋼筋韌性下降、橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到影響。

2 公路橋梁混凝土裂縫成因分析

2.1 荷載因素

公路橋梁在施工與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能受到多種荷載力的影響，導(dǎo)致出現(xiàn)混凝土裂縫，這種情況多出現(xiàn)于公路橋梁受到的壓力較大或振動(dòng)頻繁的區(qū)域，與溫度引發(fā)的混凝土裂縫相比，因荷載導(dǎo)致的裂縫具備一定的規(guī)律性，主要有5 種類(lèi)型，分別是剪切裂縫、彎曲裂縫、斷開(kāi)裂縫、局部應(yīng)力裂縫與扭曲裂縫。剪切裂縫主要出現(xiàn)在公路橋梁施工過(guò)程中剪應(yīng)力最大的區(qū)域，裂縫的表現(xiàn)形式為從裂縫源向受壓區(qū)域逐漸延伸、發(fā)展、擴(kuò)大；彎曲裂縫主要是公路橋梁上混凝土彎矩增加導(dǎo)致的，隨著荷載力的增加，混凝土的寬度會(huì)逐漸加大，向橋梁兩側(cè)延伸；斷開(kāi)裂縫主要是構(gòu)件拉力造成的，混凝土開(kāi)裂具有一定的規(guī)律性，主要表現(xiàn)為正截面開(kāi)裂，當(dāng)混凝土的內(nèi)力處于較大狀態(tài)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致裂縫；局部應(yīng)力裂縫主要出現(xiàn)在墩臺(tái)支柱、構(gòu)件角隅以及局部壓力、荷載沖擊較大的區(qū)域；扭曲裂縫主要是構(gòu)件扭曲、彎曲等因素造成的，裂縫以45°角的形式進(jìn)行延伸，數(shù)目較多，可能導(dǎo)致混凝土表層脫落等一系列后果，對(duì)公路橋梁的損傷較為嚴(yán)重。

2.2 溫度因素

隨著因素的變化，溫度裂縫會(huì)表現(xiàn)為不同的形式，例如，擴(kuò)張、合龍等，可能引發(fā)溫度變化的因素主要有4 方面：（1）水化熱。水化熱主要產(chǎn)生于施工過(guò)程中，在使用大體積混凝土?xí)r，其內(nèi)部溫度較高，內(nèi)外溫差大，有可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的表面出現(xiàn)裂縫。（2）氣溫過(guò)低的環(huán)境下施工或施工不當(dāng)可能導(dǎo)致混凝土冷熱不均，引發(fā)不均勻裂縫。（3）日照因素。日照是導(dǎo)致混凝土裂縫的主要因素之一，由于主梁、橋面板、橋墩側(cè)面長(zhǎng)時(shí)間受到太陽(yáng)暴曬，與其他部位相比溫度明顯較高，可能因熱量不均導(dǎo)致裂縫。（4）安裝預(yù)制梁或板。若在焊接過(guò)程中出現(xiàn)不規(guī)范的焊接行為，就可能導(dǎo)致構(gòu)件周?chē)幕炷脸霈F(xiàn)燒傷、開(kāi)裂等情況，可能達(dá)到或超出荷載應(yīng)力范圍時(shí)，引發(fā)裂縫，這也是橋梁設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。

2.3 材料因素

混凝土中的原材料包括水泥、骨料、砂、外加劑、拌和水等，若混凝土的配制材料質(zhì)量較差，則會(huì)進(jìn)一步加劇裂縫的形成，例如，水泥中的氧化鈣超標(biāo)、氧化鈣凝結(jié)時(shí)出現(xiàn)較慢的水滑現(xiàn)象、混凝土凝結(jié)后仍出現(xiàn)水化反應(yīng)、已固定的混凝土受到破壞等。當(dāng)水泥中的含堿量較高時(shí)，與堿活性骨料混合后，可能引發(fā)堿硅反應(yīng)。施工過(guò)程中，若使用的是較小、級(jí)配不好且空隙率較大的砂石，會(huì)導(dǎo)致水泥、拌和水的用量增加，而水分過(guò)多會(huì)導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度下降，甚至威脅個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。若拌和水和外加劑中含有較高的氯化雜質(zhì)，可能會(huì)引發(fā)鋼筋銹蝕等情況，這也是混凝土裂縫出現(xiàn)的重要因素之一。

2.4 鋼筋銹蝕

鋼筋一旦鋼筋出現(xiàn)銹蝕問(wèn)題，就會(huì)對(duì)公路橋梁的梁箱結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的影響。例如，鋼筋材料受到氣候因素的影響，極易與空氣中的水分形成反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋表面銹蝕，甚至可能對(duì)鋼筋的性能造成損傷，導(dǎo)致后期鋼筋梁箱在銹蝕作用下與周邊混凝土出現(xiàn)脹化，從而形成鋼筋裂縫。此外，在鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)中，小裂縫可能導(dǎo)致氯化物滲透，進(jìn)一步加劇鋼筋的銹蝕，導(dǎo)致鋼筋鋼韌性下降，對(duì)橋梁的承載穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

2.5 施工工藝

公路橋梁施工建設(shè)中不同施工工藝的應(yīng)用，也可能引發(fā)施工裂縫等質(zhì)量問(wèn)題，例如，在混凝土攪拌振搗施工中，因工藝選擇不合理，振搗不均勻而導(dǎo)致混凝土硬化后出現(xiàn)蜂窩、空洞問(wèn)題；在混凝土澆筑過(guò)程中，因環(huán)境、施工人員等因素帶來(lái)的澆筑空缺，待硬化后出現(xiàn)不同程度的裂縫問(wèn)題；在澆筑過(guò)程中，未能充分?jǐn)噭?dòng)，澆筑速度過(guò)快，引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度降低，也可能出現(xiàn)塑性收縮裂縫；在后期路橋混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)中，未做好溫度、濕度管養(yǎng)保護(hù)，特別是季節(jié)差異下溫度變化，從而導(dǎo)致收縮裂縫。

3 公路橋梁混凝土裂縫預(yù)防策略

3.1 設(shè)計(jì)預(yù)防策略

為了預(yù)防混凝土裂縫的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員在對(duì)公路橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注重以下3 個(gè)方面：（1）重視對(duì)公路橋梁耐久性的設(shè)計(jì)。應(yīng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行分析，了解施工地區(qū)的環(huán)境與氣候變化情況以及公路橋梁的需求、功能性要求等，收集數(shù)據(jù)后分析可能影響后期施工的相關(guān)因素，并采取針對(duì)性的干預(yù)措施，盡量避免影響因素的出現(xiàn)。（2）重視設(shè)計(jì)質(zhì)量控制。公路橋梁前期的設(shè)計(jì)質(zhì)量與后期的施工、運(yùn)營(yíng)、使用有著密切聯(lián)系，因此，必須重視前期設(shè)計(jì)的質(zhì)量控制與措施落實(shí)。應(yīng)對(duì)各個(gè)系列的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證與校準(zhǔn)。靈活運(yùn)用創(chuàng)新理念與思維，在對(duì)設(shè)計(jì)論證的過(guò)程中通過(guò)先進(jìn)的設(shè)備繪制出精確的設(shè)計(jì)圖紙，評(píng)估圖紙的可行性，為后續(xù)的工序奠定基礎(chǔ)。（3）合理選擇設(shè)計(jì)方案。在對(duì)公路橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要從不同的角度設(shè)計(jì)多種方案，并在選擇方案的過(guò)程中進(jìn)行二次優(yōu)化。

3.2 施工預(yù)防策略

3.2.1 施工人員管理

施工人員是公路橋梁施工的基礎(chǔ)載體，因此，對(duì)施工人員進(jìn)行有效管理是保證公路橋梁施工質(zhì)量的關(guān)鍵。施工單位應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的人員分配情況建立專(zhuān)門(mén)的人才儲(chǔ)備庫(kù)，并對(duì)人才的類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，例如，施工技術(shù)庫(kù)、機(jī)械設(shè)備庫(kù)、財(cái)務(wù)庫(kù)等，并根據(jù)每個(gè)庫(kù)內(nèi)人員的情況制定針對(duì)性的崗位培訓(xùn)與考核制度，保證施工隊(duì)伍人員的綜合素質(zhì)與專(zhuān)業(yè)技能達(dá)到工程需求，從而縮短施工時(shí)間，提高工程質(zhì)量。

3.2.2 施工溫度管理

溫度會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)外部造成嚴(yán)重影響，是導(dǎo)致混凝土裂縫的主要因素之一，因此，施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)重視對(duì)施工溫度差的控制。應(yīng)在攪拌時(shí)控制混凝土的溫度變化，若混凝土內(nèi)部溫度較高，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取針對(duì)性的降溫措施，盡量選擇在秋季進(jìn)行施工，從而避免氣溫過(guò)高或過(guò)低對(duì)混凝土造成的影響。如果必須要在低溫環(huán)境下進(jìn)行施工，可以用清水冷卻碎石的溫度，從而降低混凝土澆筑溫度，避免混凝土出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。在溫度較高的夏季進(jìn)行施工時(shí)，可以適當(dāng)縮小混凝土澆筑的厚度，或在公路橋梁主體中設(shè)置管道，通過(guò)冷水循環(huán)流動(dòng)的方式對(duì)混凝土主體進(jìn)行散熱，從而降低混凝土內(nèi)部的溫度，避免混凝土在高溫下出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，維持混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)裂縫。此外，在施工中，還應(yīng)當(dāng)合理規(guī)劃混凝土澆筑的厚度，控制拆模時(shí)間，進(jìn)一步降低溫度對(duì)混凝土施工質(zhì)量造成的負(fù)面影響。

3.2.3 施工工藝管理

1）模板施工時(shí)，應(yīng)以鋼制模板為主，這種材料的模板不僅成本低，且接頭部位采用裝配件進(jìn)行組裝并連接，穩(wěn)定性較強(qiáng)。模板頂面應(yīng)與混凝土構(gòu)件上頂面保持一致，當(dāng)出現(xiàn)參差不齊的情況時(shí)，可通過(guò)水泥漿進(jìn)行填補(bǔ)調(diào)整。

2）在對(duì)混凝土進(jìn)行澆筑前，應(yīng)先對(duì)模板的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢查，包括間隔縫隙、高度、潤(rùn)滑度、支撐穩(wěn)定性、基層平整性、潤(rùn)濕情況等。采用混合料進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)，應(yīng)先通過(guò)振搗棒操作20 s 左右，移動(dòng)間隔應(yīng)控制在作業(yè)范圍內(nèi)的1.5 倍，并保證與模板、鋼筋處于有效范圍，避免機(jī)械振搗不當(dāng)可能引發(fā)的干擾性碰撞。混凝土混合料經(jīng)振搗作業(yè)后應(yīng)觀察其平整度，若發(fā)現(xiàn)有不平整的部位應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)時(shí)以混合料原漿為主。進(jìn)行人工找平時(shí)，要保證構(gòu)造物表面有5～6 mm 的砂漿膜層，若人工找平后發(fā)現(xiàn)構(gòu)造物與模板之間仍存在較大的高度差，應(yīng)適當(dāng)填補(bǔ)原構(gòu)件混合料，進(jìn)行二次找平作業(yè)，直至高度差達(dá)到工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。表面整修也是施工工藝管理中的重要環(huán)節(jié)之一，在對(duì)構(gòu)件表面找平時(shí)，每次要與同平面接茬部位采用搭茬處理方式。粗抹是整修的首要步驟，應(yīng)采用正規(guī)的儀器進(jìn)行檢測(cè)，獲得參數(shù)后，遵循“高處抹平、低處填補(bǔ)”的原則進(jìn)行施工，施工后再通過(guò)儀器進(jìn)行核實(shí)，觀察平整度是否符合工程的規(guī)范要求。此外，混凝土的養(yǎng)護(hù)和拆模與混凝土裂縫的發(fā)生也密切相關(guān)，對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)以濕法養(yǎng)護(hù)為主，選擇符合規(guī)范的水源進(jìn)行作業(yè)。若施工現(xiàn)場(chǎng)存在強(qiáng)風(fēng)、高溫等異常天氣時(shí)，施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)已覆蓋的構(gòu)件物進(jìn)行二次加固，保證覆蓋率符合工程的相關(guān)規(guī)范。當(dāng)養(yǎng)護(hù)作業(yè)檢查符合規(guī)范后，后續(xù)拆模時(shí)應(yīng)遵循“先上后下、先整體后局部”的原則，對(duì)已拆除的模板應(yīng)及時(shí)進(jìn)行打磨、防銹等處理，避免模板磕碰受到損傷，影響后續(xù)施工的使用。

3.2.4 施工分配管理

施工企業(yè)應(yīng)選擇企業(yè)內(nèi)部?jī)?yōu)秀的管理人才與施工技術(shù)人員共同建立施工團(tuán)隊(duì)，并重視隊(duì)伍中協(xié)同理念的培養(yǎng)，不斷優(yōu)化施工流程。在各個(gè)施工流程中，通過(guò)對(duì)隊(duì)伍的組織建設(shè)合理控制工期，重視對(duì)人員的管理，保證工程的施工質(zhì)量。施工企業(yè)要根據(jù)工程的特點(diǎn)對(duì)設(shè)備、物資、資金進(jìn)行合理分配，重視機(jī)械廠區(qū)內(nèi)的保養(yǎng)、維修等服務(wù)，避免設(shè)備因維護(hù)不當(dāng)引發(fā)的一系列問(wèn)題，保證施工的正常進(jìn)行。施工現(xiàn)場(chǎng)所用的物資、設(shè)備應(yīng)按批次逐步入場(chǎng)，委派專(zhuān)人進(jìn)行管理與監(jiān)督，尤其是資金的調(diào)配力度，保證重點(diǎn)施工環(huán)節(jié)與工序正常進(jìn)行，從而進(jìn)一步提高施工的質(zhì)量，避免混凝土裂縫的出現(xiàn)[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

公路橋梁工程對(duì)推動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著重要作用，特別是交通運(yùn)輸量的不斷增加，對(duì)公路橋梁工程質(zhì)量提出了更高的要求?；炷亮芽p是目前公路橋梁設(shè)計(jì)與施工中的重點(diǎn)問(wèn)題之一，針對(duì)公路橋梁裂縫問(wèn)題，應(yīng)全面分析公路橋梁工程設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中的影響因素，深入探究裂縫原因，采取裂縫防治措施，提高公路橋梁工程的安全性和穩(wěn)定性，消除公路橋梁裂縫隱患，推動(dòng)我國(guó)公路橋梁工程快速發(fā)展。