混凝土桥梁裂缝诊断分析

马红平 邓 海 雷建平

（1.十堰市兴路工程咨询有限公司 十堰 442000；2.武汉理工大学 武汉 430063）

混凝土结构由于其用料省、施工快、耐久性好等优点，已成为高速公路桥梁的主要结构形式。但是，随着混凝土结构的大量应用，其自身存在的一些问题也逐渐暴露出来，其中最为明显的是裂缝问题。混凝土结构在施工及使用过程中会受到各种因素的影响，从而出现各种原因引起的裂缝，这在一定程度上制约了混凝土结构的应用。如果对混凝土结构裂缝判断不明，处理不当，还会带来了许多其他方面的问题。

1 裂缝产生的原因

1.1 间接作用引起的裂缝

（1）混凝土收缩。混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩，共分为4类：塑性收缩、缩水收缩、自生收缩和碳化收缩。当收缩受到约束而产生的拉应变大于当时混凝土的极限时拉应变就会产生与拉应力方向相垂直的裂缝。其裂缝形态表现为：大部分表面裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。

（2）温差引起的约束应力。影响结构温度的因素主要有水泥水化热和外界环境温度的变化。钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形，这种温度变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土的抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝。温度裂缝从性质上来说与收缩裂缝同出一辙。裂缝产生的部位、状态、发展、影响等基本相同，只不过收缩裂缝表现为自身体积的减小（收缩），而温度裂缝则是由于热量和温差引起体积变化（热胀冷缩）而已［1］。

（4）设计和施工的缺陷。结构体型设计不合理，构造做法失当，使结构刚度突变、体型比例失调或应力集中而引发裂缝。结构受力假设与实际受力不符，设计断面不足、钢筋偏少，都可能使结构强度、刚度不足，从而引发裂缝。此外，施工期间因材料和工艺缺陷也会引发裂缝，如水灰比过大，硬化收缩量增加；更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不了解预制结构受力特点，随意翻转、起吊；混凝土浇筑过快，硬化后沉实过大；模板刚度不足，初期变形过大；拆模过早，强度不足等。

（5）耐久环境作用。与混凝土成型早期出现的收缩裂缝不同，有些裂缝是在环境长期作用后产生的，一般称为耐久性裂缝，主要有以下几种类型：

①钢筋锈胀裂缝。钢筋混凝土结构的裂缝与钢筋的腐蚀相互作用。裂缝会增加混凝土的渗透性，使钢筋的腐蚀加重。另一方面钢筋腐蚀后，腐蚀产物体积膨胀，使混凝土保护层沿纵筋方向出现裂缝，严重者混凝土保护层会完全脱落。混凝土中钢筋表层经腐蚀成铁锈后，体积可增大几倍，挤压其外侧混凝土并使之产生垂直于径向胀压力的拉应力，拉应力超过混凝土的抗拉强度就会在混凝土保护层上引发顺沿钢筋的纵向裂缝。

②碱骨料反应裂缝。混凝土碱骨料反应裂缝主要是指水泥中的碱（Alkali）与骨料中的活性二氧化硅（Silica）发生化学反应即碱硅酸反应，反应生成物碱硅酸盐凝胶体积膨胀所引发的裂缝［3］。碱骨料反应裂缝外观类似龟裂，但其不是混凝土结构的表层裂缝，而是深入内部的结构性裂缝，因而会导致抗力降低，而且较难治理，常称为桥梁“癌症”。其裂缝形态表现为：引起混凝土局部膨胀，网状开裂，裂缝的2个边缘出现不平状态（错台），在裂缝处有白色凝胶物渗出。

③冻融循环裂缝。严寒或寒冷地区渗入混凝土内部的水分结冰后体积膨胀，反复冻融循环作用引起的混凝土酥裂。

1.2 荷载直接作用引起的裂缝

（1）受弯裂缝。由混凝土结构的基本原理可知，受弯构件的截面由受拉区和受压区构成，弯曲裂缝一般出现在弯矩最大截面的混凝土受拉区。梁板结构的正弯矩裂缝一般位于跨中附近，从底边开始向上发展，负弯矩裂缝位于连续或悬臂梁板的支座附近，自上向下发展。随着荷载的增大，裂缝区域逐渐向两侧发展。由于混凝土抗拉能力很差，混凝土基本不能承受拉应力而由钢筋承担全部拉力，除少数预应力构件外，一般构件受拉区均存在裂缝。因此，即使在正常使用极限状态下，受弯构件多半也是带裂缝工作的［4］。其裂缝形态表现为：受弯裂缝一般垂直于主拉应力迹线方向；裂缝呈楔形，在受拉区边缘裂缝最宽。

（2）受剪裂缝。也称斜裂缝，首先发生在剪应力最大的部位。从力学分析可知，在纯剪切情况下，剪应力τ转置45°以后，即可分解为斜向的主拉应力和主压应力，所有受剪裂缝均垂直于主拉应力迹线，且沿主压应力迹线发展为腹剪斜裂缝［5］，实际结构中单纯的剪力很少发生，对受弯构件，当弯剪共同作用时，如果在距支座不远的剪跨段内产生了受弯裂缝，则在受拉边缘发生的垂直裂缝，由于剪力的影响会弯曲斜向发展而成为弯剪斜裂缝。随着荷载增大，裂缝长度不断增长并向受压区发展，裂缝数不断增多并分岔，裂缝区逐渐向跨中方向扩大［6］。

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裂缝形态表现为：①腹剪斜裂缝与轴线呈45°，由于剪应力的分布在截面两边最小而中间最大，故裂缝往往中间宽而两端窄；②正弯矩、剪力引起的弯剪斜裂缝，始自梁底部，上窄下宽。负弯矩、剪力引起的弯剪斜裂缝，则起自梁顶部，上宽下窄。

（3）受拉裂缝。由于混凝土抗拉强度极低，受拉构件在荷载作用下，混凝土都会开裂，其方向垂直于主拉应力迹线且为通透性裂缝，裂缝间距有一定的规律性。

（4）扭曲裂缝（受扭或弯扭组合）。从力学分析可知，混凝土受扭构件上作用的实际是剪应力τ，其在截面上呈扇形分布，周边大而心部小，这就决定了受扭裂缝必然斜向发展，沿周边呈螺旋状分布，但混凝土结构中单纯的受扭构件很少，不管形式如何，扭转裂缝均在垂直于主拉应力迹线方向上产生并延伸、发展［7］。其裂缝形态表现为：一般沿45°倾斜方向，呈连续、螺旋状且为不贯通的表层裂缝。

（5）受压裂缝（竖直裂缝）。混凝土构件受压作用时，由于压力引起侧向膨胀（泊松比ν），裂缝通常沿主压应力迹线方向（竖向）发生，而产生的裂缝往往是结构达到承载能力极限的标志，是结构破坏的前兆，其原因往往是截面尺寸偏小。对于短柱构件，开裂处混凝土到达极限后会首先破碎，致使构件破坏；对于长柱构件，混凝土开裂后但没有破碎前就会因失稳而破坏。其裂缝形态表现为：从最初断续、平行、短小的裂缝，沿主压应力迹线延伸发展、贯通连成一片。

（6）局部应力引起的裂缝。混凝土桥梁在某些局部区域会承受很大的荷载，从而引起局部裂缝。例如在预应力梁端锚固端，预应力传递长度内的保护层混凝土由于局部承压而纵向劈裂；在墩台支座处由于受较大局部压力，直接受压面混凝土产生沿四周呈放射状扩展的裂缝。另外，在构件转角处或形状突变处会产生应力集中，例如牛腿因局部应力过大而引起角裂。

2 桥梁构件典型裂缝分析及处治措施

G80高速公路广肇段上的桥梁多为简支梁桥，上构主要为预制空心板或整体现浇板。

2.1 整体现浇板典型裂缝

板底出现纵向裂缝，沿板长方向通长，裂缝缝宽较大，并严重渗水。

（1）成因分析。①对于小跨径的整体板应属于双向受力板，横向配筋不足；②对于小跨径的整体板，横向为长度较大的边，因受约束积聚过多收缩变形而不能释放，从而产生横向拉应变，当拉应变超过了混凝土的极限拉应变时，混凝土沿纵向开裂。

（2）处理建议。①采用压力灌胶法封缝，并在桥面进行防水处理；②横向粘贴钢板或碳纤维布加固。

2.2 预制梁板典型裂缝

2.2.1 空心板底纵向裂缝

空心板板底出现纵向裂缝，部分裂缝伴有渗水，表明裂缝已贯通板底。

（1）成因分析。①梁体内两侧预应力筋在张拉的过程中控制应力过大，产生的横向附加应力超过了混凝土的抗拉强度导致混凝土纵向开裂；②在运营过程中，由于钢筋锈蚀、混凝土胀裂而产生纵向裂缝。

（2）处理建议。①对于裂缝较少，宽度小于规范限值，纵向断断续续，不渗水的纵向裂缝，建议封闭；②对于裂缝较多或者宽度大于规范限值，纵向通长且渗水的纵向裂缝，建议封闭后横向粘贴碳纤维布加固。

2.2.2 空心板横向裂缝

空心板板底出现多条横向裂缝，大致分布在（1／4～3／4）L之间；小跨径钢筋混凝土空心板板底出现横向裂缝（T梁呈U形），一般在跨中附近。

（1）成因分析。在行车荷载弯矩作用下，底部受拉区混凝土开裂，当缝宽不超过规范要求的0.2mm时，为钢筋混凝土构件允许出现的结构裂缝，但在汽车动载的长期作用下，裂缝会产生疲劳扩展。

（2）处理建议。①对于裂缝较少，宽度小于规范限值的，建议封闭处理；②对于裂缝较多或宽度大于规范限值的，建议封闭后纵向粘贴钢板或碳纤维布加固。

2.3 桥台裂缝

桥台前墙中部出现竖向裂缝，上窄下宽，延伸至基础底部。

（1）成因分析。基础松软，地基出现不均匀沉降导致桥台倾斜，同时受到上部结构的约束而引起弯矩、剪力，当附加应力超出混凝土结构的抗拉能力时导致裂缝。

（2）处理建议。需对桥台及基础进行加固处理并对裂缝进行修补，恢复结构的整体性。

3 结语

混凝土桥梁裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。为了进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识，本文主要根据受力分析来阐述裂缝机理，从结构的角度对裂缝进行判断和处理，以此在桥梁检查过程中为桥梁的技术状况评定提供有力的依据，也为后续的桥梁养护提供借鉴。

［1］徐有邻，顾祥林.混凝土结构工程裂缝的判断与处理［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［2］李廉锟.结构力学［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］富文权，韩素芳.混凝土工程裂缝分析与控制［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

［4］叶见曙.结构设计原理［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［5］刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［6］向木生，田晓彬，徐 华.预应力混凝土梁桥应力测试技术［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2001（3）：266－269.

［7］张劲泉.公路旧桥加固成套技术及工程实例［M］.北京：人民交通出版社，2007.