混凝土桥梁裂缝形成机制分析及防治措施研究

徐远红

(铜仁职业技术学院，贵州 铜仁 554300)

1 桥梁裂缝形成机制

1.1 荷载裂缝

荷载裂缝也称结构性裂缝，指的是桥梁受动静荷载与次应力持续作用后导致的开裂，包括直接应力裂缝与次应力裂缝。其中，直接应力裂缝是指受外荷载作用产生的直接应力导致的开裂，具体产生原因包括：结构设计计算过程中有漏算，或所用计算模型欠合理，或结构受力假设条件和实际受力情况不符，或对内力和配筋进行的计算有误，或结构自身安全系数较低；在施工过程中对各类施工机具与材料的堆放未加限制，未能了解不同结构自身受力特点，现场作业有较强随意性，未能按照设计图纸进行施工，图纸和设计之间存在较大误差，擅自改变施工程序；在桥梁使用时存在超重车辆，重量超过设计载荷，车辆或船舶对桥梁结构造成撞击等[1]。

荷载裂缝的类型包括剪力裂缝和弯曲裂缝，剪力裂缝一般发生于主梁支点附近梁腹底部，一般为斜裂缝；弯曲裂缝发生于构件最大拉应力区，呈垂直状，往压力区发展，一般在构件跨中底部最易发生[2]。

1.2 温度裂缝

混凝土是一种热胀冷缩性质十分显著的建筑材料，倘若外部温度或结构体系中的温度出现明显变化，则会使混凝土产生一定程度的变形，如果这种变形受到约束，则会在结构体系当中产生一定应力，在这一应力超出混凝土自身抗拉强度后，就会产生开裂。对跨径相对较大的桥梁而言，温度应力甚至可以超过活载应力。对于温度裂缝，其最显著的特点在于裂缝宽度会因为温度的变化而改变。太阳光的照射与突然降温是使结构体系出现温度裂缝现象的主要原因。

1.3 收缩裂缝

在实际桥梁工程中，由于混凝土自身产生收缩导致的裂缝是一种十分常见的现象，以混凝土表面龟裂的网状裂缝居多。在不同的收缩类型当中，以塑性收缩与干缩最为主要，会使混凝土体积出现明显变化，此外还包括自生收缩与碳化收缩。对于塑性收缩，主要产生于施工阶段，将混凝土浇筑到位后4～5h此时水泥正在进行水化反应，逐步形成分子链，在产生泌水的同时水分大量蒸发，导致混凝土因失水而发生收缩。对此在施工过程中需要对混凝土水灰比予以严格控制，防止长时间搅拌，且下料速度不能过快，振捣要均匀和充分，对于竖向变截面部位建议采用分层浇筑的方法，最后在浇筑结束后立即养护。对于干缩，是指在混凝土达到结硬状态后，伴随混凝土表面水分不断蒸发，湿度进一步降低，使混凝土体积有所减小。由于混凝土表面的失水速度大于内部，所以会出现不均匀收缩，在表面发生的收缩变形如果受到内部约束作用，则会使结构承受一定程度的拉力，在这一拉力超出极限抗拉强度后，就会引起收缩裂缝。对于自生收缩，是指在混凝土持续硬化时水泥和水之间发生水化反映，它与外界湿度没有直接关系，而且收缩与膨胀都有可能发生。最后，对于碳化收缩，是指空气含有的CO2和水泥水化反应生成的水化物之间发生一系列反应导致的收缩变形现象。这种收缩对湿度有苛刻的要求，即只能在湿度为50%时才可以发生，并且还会伴随CO2实际浓度的不断提高而加快[3]。

1.4 地基基础导致的裂缝

因基础沿竖向出现不均匀沉降或沿水平方向发生位移导致结构体系中出现一定附加应力，在这一应力超出结构自身抗拉能力后，就会使结构产生裂缝。导致基础出现不均匀沉降现象的原因包括：1)前期地质勘察工作的精度不足，缺乏准确的试验资料；2)地质土质存在显著差异。在山区沟谷中修筑的桥梁，河沟和山坡的地质条件有很大变化，且河沟范围内分布大面积软弱地基，这种压缩性上的差异就会导致不均匀沉降现象的发生[4]；3)结构所用基础的类型有很大差别，在同一联桥梁当中，使用多种基础类型，如扩大基础与桩基础，或只使用桩基，但桩长或桩径存在明显差别，或只使用扩大基础，但其底部标高存在明显差别，都有可能导致地基出现不均匀沉降；4)分期建造而成的基础更容易产生不均匀沉降；5)地基发生冻胀，温度回升后地基范围内的冻土融化，导致地基下沉。可见，无论是地基冰冻还是融化，都会导致不均匀沉降现象的发生[5]。

1.5 施工裂缝

1)保护层厚度过大或施工人员直接踩踏绑扎完成的上层钢筋，导致受力筋保护层厚度增加，这样会使构件自身有效高度大幅减小，产生和受力钢筋分布方向保持垂直的裂缝；2)混凝土振捣未能达到密实和均匀，出现包含蜂窝麻面与空洞等在内的各类缺陷；3)混凝土拌制与运输时间未能达到有效控制，导致水分大量蒸发，使混凝土自身坍落度相对较低，产生分布不规则的裂缝，这种裂缝以收缩裂缝为主；施工时浇筑速度过快，在硬化之前由于混凝土未能达到沉实，而在硬化之后大量沉实，在一段时间后出现开裂；4)对混凝土进行初期养护时过于干燥，导致混凝土和大气直接接触的表面产生若干收缩裂缝，这种裂缝分布往往不规则；5)在泵送施工过程中为了使混凝土有良好的流动性，提高水与水泥的实际用量，或由于其它方面的原因增大水灰比，导致凝结硬化过程中收缩量大幅增加，最终在混凝土上产生若干分布不规则的裂缝；6)对混凝土进行分段或分层浇筑过程中未能有效处理接头部位，导致在新旧两部分混凝土之间或在施工缝之间产生开裂。

2 桥梁裂缝防治措施

2.1 裂缝修补

裂缝修补常用方法为封闭宽度在0.15mm以内的裂缝，常用方法为均匀涂刷一层高分子树脂材料；对于宽度达到0.15mm及以上的裂缝，可使用灌浆的方法处理。

以裂缝宽度为依据采取适宜的方法封闭混凝土裂缝，如果裂缝宽度在0.2mm以内，则进行表面封闭处理即可；如果裂缝宽度为0.2～0.3mm，则可进行灌浆处理，对还存在活动趋势的裂缝，建议采用柔性材料作为灌浆材料；对宽度超过0.5mm的裂缝，应先进行开槽再用聚合物砂浆进行填补。低压注浆是当前较为常用的裂缝处理方法，采用该方法进行施工时，要注意以下几方面要点：当表面存在防风化或防渗要求时间，需在裂缝处理前进行必要的表面处理；对于可能影响到结构体系整体性和防渗性或可能导致钢筋产生锈蚀的裂缝，必须采用灌浆的方法处理；对可能威胁到建筑安全使用的裂缝，除了要进行灌浆处理，还要适时采取其它方式进行加固；对温度有敏感反映的裂缝，需在后期裂缝开度明显变大后立即处理；对于活动性裂缝，宜使用柔性材料及时处理。

2.2 裂缝加固

2.2.1 裂缝加固基本原理

梁结构在竖向荷载作用下，同时受到弯矩M与剪力F的，荷载在梁结构上即产生弯矩又产生剪力。梁结构不同截面上弯矩与剪力的量值有差异，根据材料力学给出的弹性状态下正应力的计算公式，荷载作用下主梁产生的正应力σ、荷载对主梁产生的弯矩M、主梁截面的几何抗弯弹性模量E之间存在σ=M/E的关系，也就是说，梁式桥梁的主要受力情况由三个因素决定，即由荷载(荷载P、活载q)作用产生的内力(弯矩M)、主梁截面的面积AS决定的截面几何特性(惯性矩I、几何抗弯弹性模量E)及材料的而自身强度决定。

当外界条件改变，如荷载增加，对桥梁引起的内力增大，超过主梁结构和材料强度允许范围时，必然造成桥梁开裂；随着运营年限的增加，各种外界因素导致材料性能恶化、强度降低，也将造成桥梁承载能下降、开裂。

当前梁式桥加固的方法和技术种类繁多，但是基本原理是相同的，都是遵循力学的基本原理，即为了减少主梁承受的拉应力或增强主梁承受拉应力的能力，满足结构受力的需要，提高桥梁承载能力。

2.2.2 裂缝加固常见方法

增大截面法。该方式是指在原结构基础额外浇筑一层厚度适宜的混凝土，使受弯构件自身截面高度与钢筋面积显著增加，作为一种常规方法得到了广泛应用。按照增大截面具体位置，可将其分成两种情况，即顶部加强与底部加强。其中，顶部加强是指通过增加桥面板厚度或增铺铺装层补强整个受压区，使其受力面积与梁体高度均有所提高，进而提高结构的承载力。对I型梁桥与T型梁桥而言，推荐使用底部加强的方法，也就是增加梁底处的主梁腹板高度，或增加梁侧腹板宽度，同时增大沿纵向布置的受拉钢筋的实际面积。该方法的关键点在于确保新旧两部分混凝土达到良好结合，对结合面进行凿毛清理，也可采用设置剪力键的方法。该施工工艺有很高的成熟度，能大幅提高结构截面刚度，结构承载力也能得到显著提升，而且结构计算也十分简单。

粘钢加固。该方法是指在待加固部位使用专用结构胶粘贴一层钢板，以此和既有结构之间形成一个整体，在提高刚度的同时限制裂缝不断扩展，以此提高桥梁整体承载力。将钢板粘贴到位后，与结构中的原有钢筋一同承受外部荷载持续作用，在进行加固设计的过程中，可将粘贴钢板换算成钢筋面积，以此承受新增加的荷载，以此简化结构计算。相较于传统加固方法，该方法的优劣势为。

1)施工相对容易，工期短，结构截面尺寸不会发生变化，也不会增加结构重量，施工需要的场地与空间都较小，无需使用大型器具，成型速度快，施工对桥面正常交通造成的影响较小，加固时使用的钢板不会占用太大空间，使原截面尺寸与净空均得以保留，基本不影响结构整体外观，完成加固后原结构整体重量与截面积小幅增加，无需对基础或其它部位实施连锁加固。

2)加固效果良好，施工工艺成熟，经济性好，强度与刚度较大，加固梁还能表现出良好延性。施工后承载力得以大幅提升，截至目前该方法已经经历很长一段时间的发展，操作工艺成熟，材料的消耗量少，经济性好。

3)抗腐蚀与抗疲劳性能相对较差，容易出现粘结破坏现象。因粘钢加固采用钢材作为外贴材料，所以其耐化学腐蚀与耐潮湿能力很差。在实际的加固施工中，需要对胶结材料所用施工工艺予以严格控制，并采用锚固的方法使粘贴达到牢固。在充分考虑锚固长度的基础上，为防止自由端的钢板由于脱胶被拉开，可在端部使用夹紧螺栓进行固定，也可采用布置U形箍板的方式。

4)该加固方法的优劣势在很大程度上决定了它的具体适用范围与条件，主要用于由于设计疏忽或施工不当导致的受力钢筋不足，使结构体系的承载能力切实满足设计要求。综合考虑钢材和粘结材料自身特性，通常需要在温度低于60℃且相对湿度不超过70%的情况下施工，若桥梁所处环境较为恶劣，则要采取合理可行的保护措施。为了使钢板的粘结达到可靠，所用混凝土的强度等级需达到C20及以上。该方法施工会受到结构形状直接影响，部分情况下的施工有很大难度。粘贴钢板加固施工工艺流程如图1所示。

图1 粘贴钢板加固施工工艺流程图

2.2.3 碳纤维复合材料加固

该加固方法是指待加固区域通过粘贴碳纤维复合材料来改善局部结构受力特性，预防新裂缝产生，延缓既有裂缝扩展，该加固方法主要具有以下几方面特点。

1)重量轻、强度大、施工方便、基本不会受到构件外部形状的限制，也不会使结构的截面尺寸发生变化。不会增加结构荷载，也无需使用大型机械设备，对施工空间的要求相对较小，能快速完成施工，减轻对正常交通造成的影响，可适应多种外形情况；2)加固不会对原结构造成任何损伤，采用专门的粘结材料在待加固混凝土表面粘贴碳纤维布，对原结构没有任何损伤破坏；3)耐久性能良好。无论是碳纤维复合材料还是粘结材料，都能有效抵抗不同介质的腐蚀作用，尤其是当受弯构件底部产生裂缝时，能有效阻止进水，避免钢筋发生锈蚀，并能延缓混凝土碳化，改善既有结构综合技术性能；4)既有裂缝修复与刚度提升效果并不显著，且防火性能相对较差。该加固方法因材料截面抗弯惯性矩相对较小，所以对既有裂缝基本没有闭合的效果，但由于该方法工艺简单、速度快，所以一经出现就得到了广泛应用，伴随这种材料性能的不断改善提高，以及价格的持续降低，在未来加固施工中必定得到进一步发展。

3 结语

在桥梁运营管理过程中应通过检查及时发现裂缝问题，并根据其产生原因和具体部位，采取有效措施的加以处理，以此减轻裂缝造成的影响与破坏，延长桥梁结构使用寿命。以上对桥梁裂缝形成机制及相应的防治措施进行了初步分析与总结，旨在为实际的桥梁裂缝防治工作提供可靠技术参考。