混凝土橋梁裂縫產生的原因及控制措施

隨著我國公路建設的迅猛發(fā)展，混凝土結構橋梁被廣泛采用，目前我國混凝土結構橋梁建設已達到國際先進水平。但在橋梁建設和使用過程中經常出現(xiàn)裂縫影響工程質量甚至出現(xiàn)工程事故的問題。在鋼筋混凝土、部分預應力混凝土甚至*預應力混凝土橋梁中都有出現(xiàn)裂縫的可能，采取*定的設計和施工措施，許多裂縫是可以克服和控制的。本文混凝土橋梁裂縫的種類和產生的原因進行分析、總結，提出了克服和控制裂縫的措施，以便設計和施工過程中參考，達到防患于未然。

*、荷載引起的裂縫

混凝土橋梁在常規(guī)靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫，歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。

直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫。裂縫產生的原因有：
1、設計計算階段，結構計算時應該計算的沒有計算；計算模型建立的不合理；荷載計算不合理；內力與配筋計算錯誤；結構設計時對施工的影響考慮不足；構造處理不當；設計圖紙交代不清等。
2、施工階段，沒有按設計文件要求施工，影響結構受力；沒有按施工規(guī)范要求施工，影響構件的施工質量。
3、使用階段，*載車輛通過；車輛、船舶等的撞擊；不可預見的影響因素。

荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現(xiàn)不同的特點。這類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動嚴重部位。根據(jù)結構不同受力方式，產生的裂縫特征如下：
1、軸心受拉構件：裂縫貫穿構件橫截面，間距大體相等，且垂直于受力方向。采用螺紋鋼筋時，裂縫之間出現(xiàn)位于鋼筋附近的次裂縫。
2、軸心受壓構件：沿構件出現(xiàn)平行于受力方向的短而密的平行裂縫。
3、受彎構件：彎矩*大截面附近從受拉區(qū)邊沿開始出現(xiàn)與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中和軸方向發(fā)展。采用螺紋鋼筋時，裂縫間可見較短的次裂縫。當結構配筋較少時，裂縫少而寬，結構可能發(fā)生脆性破壞。
4、大偏心受壓構件：大偏心受壓和受拉區(qū)配筋較少的小偏心受壓構件，類似于受彎構件。
5、小偏心受壓構件：小偏心受壓和受拉區(qū)配筋較多的大偏心受壓構件，類似于中心受壓構件。
6、受剪構件：當箍筋太密時發(fā)生斜壓破壞，沿梁端腹部出現(xiàn)大于45°方向的斜裂縫；當箍筋適當時發(fā)生剪壓破壞，沿梁端中下部出現(xiàn)約45°方向相互平行的斜裂縫。
7、受扭構件：構件*側腹部先出現(xiàn)多條約45°方向斜裂縫，并向相鄰面以螺旋方向展開。
控制荷載引起的直接裂縫的方法

1、多角度、*面、系統(tǒng)地分析結構類型和受力狀態(tài)，建立符合結構受力狀態(tài)的計算模型，采用多種方法進行結構計算，嚴格設計、復核、審核制度。

2、施工單位在施工前應對設計文件進行復核，弄清設計意圖，嚴格按照設計和規(guī)范要求施工。

3、做好橋梁使用階段的養(yǎng)護、管理與維修，限制*載車輛通過。

次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生裂縫。裂縫產生的原因有：
1、結構尺寸選擇不合理，如結構突變或斷面突變引起應力集中產生裂縫；由于施加預應力引起產生的二次應力的裂縫�；炷潦湛s、徐變引起的二次應力計算不準確產生的裂縫。

2、橋梁結構中經常需要鑿槽、開洞、設置牛腿等，在常規(guī)計算中難以用準確的圖式進行模擬計算，*般根據(jù)經驗設置受力鋼筋。研究表明，受力構件挖孔后，力流將產生繞射現(xiàn)象，在孔洞附近密集，產生*大的應力集中，從而導致混凝土裂縫產生。在長跨預應力連續(xù)梁中，經常在跨內根據(jù)截面內力需要截斷鋼束，設置錨頭，而在錨固斷面附近經�？梢钥吹搅芽p。

控制荷載引起的次內力的方法

1、擬定結構尺寸時，盡量減少結構形狀的突變，必要的結構形狀突變可以采用曲線變化或多次變化，以減小結構形狀突變引起的次內力。

2、在結構開口、開洞、開槽或其它結構突變處設置足夠數(shù)量的抗裂鋼筋。

3、根據(jù)材料的具體性質，計算預應力鋼束張拉引起的次內力，與其它荷載內力組合進行結構配筋計算。

4、根據(jù)材料的具體性質，計算混凝土收縮、徐變引起的次內力，與其它荷載內力組合進行結構配筋計算。
二、溫度變化引起的裂縫
混凝土材料具有熱脹冷縮性質，當外部環(huán)境或結構內部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力*過混凝土抗拉*度時即產生溫度裂縫。引起溫度變化主要因素有：
1、年平均溫差引起的均勻溫度變化：*年中四季溫度不斷變化，但變化相對緩慢，對橋梁結構的影響主要是導致橋梁的縱向位移，*般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設置柔性墩等構造措施相協(xié)調，對于拱橋、剛構橋等結構的位移受到限制的橋梁會引起溫度裂縫。我國年溫差*般以*月和七月月平均溫度的作為變化幅度。考慮到混凝土的蠕變特性，年溫差內力計算時混凝土彈性模量應考慮折減。
2、日照引起的梯度溫差作用：橋面板、主梁或橋墩側面受太陽曝曬后，溫度明顯高于其它部位，溫度梯度呈非線形分布。由于受到自身約束作用，導致局部拉應力較大，出現(xiàn)裂縫。日照和下述驟然降溫是導致結構溫度裂縫的*常見原因�！豆窐蚝O計通用規(guī)范》JTG D60-2004給出了各種情況下梯度。
3、驟然降溫：突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結構外表面溫度突然下降，但因內部溫度變化相對較慢而產生溫度梯度。日照和驟然降溫內力計算時可采用設計規(guī)范或參考實橋資料進行，混凝土彈性模量不考慮折減。
4、水化熱：大體積混凝土澆筑之后由于水泥水化放熱，致使內部溫度很高，內外溫差太大，致使表面出現(xiàn)裂縫。施工中應根據(jù)實際情況，盡量選擇水化熱低的水泥品種，限制水泥單位用量，減少骨料入模溫度，以降低內外溫差，并緩慢降溫，必要時可采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)進行內部散熱，或采用薄層連續(xù)澆筑以加快散熱。
5、蒸汽養(yǎng)護或冬季施工時施工措施不當，混凝土驟冷驟熱，內外溫度不均，易出現(xiàn)裂縫。
6、由火災等原因引起高溫*的混凝土*度隨溫度的升高而明顯降低，鋼筋與混凝土的粘結力隨之下降，混凝土溫度達到300℃后抗拉*度下降50%，抗壓*度下降60%，光圓鋼筋與混凝土的粘結力下降80%；由于受熱，混凝土體內游離水大量蒸發(fā)也可產生急劇收縮。*般情況下的橋梁設計不考慮此種作用。
三、收縮引起的裂縫
混凝土收縮產生的應力或收縮應力與其它應力組合大于混凝土的拉應力可產生混凝土裂縫。在混凝土收縮種類中，塑性收縮和縮水收縮（干縮）是發(fā)生混凝土體積變形的主要原因，另外還有自生收縮和炭化收縮。
1、塑性收縮：發(fā)生在施工過程中、混凝土澆筑后4~5小時左右，此時水泥水化反應激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時骨料因自重下沉，因此時混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。塑性收縮所產生量級很大，可達1%左右。在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋，便形成沿鋼筋方向的裂縫。在構件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂?shù)装褰唤犹�，因硬化前沉實不均勻將發(fā)生表面的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮，施工時應控制水灰比，避免過長時間的攪拌，下料不宜太快，振搗要密實，豎向變截面處宜分層澆筑。
2、縮水收縮（干縮）：混凝土結硬以后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮（干縮）。因混凝土表層水分損失快，內部損失慢，因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當表面混凝土承受拉力*過其抗拉*度時，便產生收縮裂縫。混凝土硬化后收縮主要*是縮水收縮。如配筋率較大的構件（*過3%），鋼筋對混凝土收縮的約束比較明顯，混凝土表面容易出現(xiàn)龜裂裂紋。
3、自生收縮：自生收縮是混凝土在硬化過程中，水泥與水發(fā)生水化反應，這種收縮與外界濕度無關，且可以是正的（即收縮，如普通硅酸鹽水泥混凝土），也可以是負的（即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土）。
4、炭化收縮。大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學反應引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發(fā)生，且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮*般不做計算。
混凝土收縮裂縫的特點是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細，且縱橫交錯，成龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律。
影響混凝土收縮裂縫的主要有以下幾個方面的因素：
1、水泥品種、標號及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高，普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。另外水泥標號越低、單位體積用量越大、磨細度越大，則混凝土收縮越大，且發(fā)生收縮時間越長。
2、骨料品種及級配。骨料中石英、石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、長石等吸水率較小、收縮性較低；而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大、收縮性較高。另外骨料粒徑大收縮小，含水量大收縮越大。骨料級配越合理，收縮量約小。
3、水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收縮越大。
4、外摻劑。外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。
5、養(yǎng)護方法。良好的養(yǎng)護可加速混凝土的水化反應，獲得較高的混凝土*度。養(yǎng)護時保持濕度越高、氣溫越低、養(yǎng)護時間越長，則混凝土收縮越小。蒸汽養(yǎng)護方式比自然養(yǎng)護方式混凝土收縮要小。
6、外界環(huán)境。大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風速大，則混凝土水分蒸發(fā)快，混凝土收縮越快。
7、振搗方式及時間。機械振搗方式比手工搗固方式混凝土收縮性要小。時間太短，振搗不密實，混凝土*度不足或不均勻；時間太長，混凝土產生離析，*度不均勻，上層易發(fā)生收縮裂縫。
對于溫度和收縮引起的裂縫，增配構造鋼筋可明顯提高混凝土的抗裂性，尤其是薄壁結構（壁厚20~60cm）。構造上配筋宜優(yōu)先采用小直徑鋼筋(φ8~φ12)、小間距布置(@10~@15cm)，*截面構造配筋率不宜低于0.3%，*般可采用0.3%~0.5%。
四、地基礎變形引起的裂縫
由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結構中產生附加應力，*出混凝土結構的抗拉能力，導致結構開裂�；A不均勻沉降的主要原因有：
1、地質勘察精度不夠、試驗資料不準。在沒有充分掌握地質情況*設計、施工，這是造成地基不均勻沉降的主要原因。
2、地基地質差異太大。構件下面的地基承載力不均勻，或局部存在松土、軟弱土、其它不良地質，地基土由于不同壓縮性引起不均勻沉降。
3、結構荷載差異太大。在地質情況比較*致條件下，各部分基礎荷載差異太大時，有可能引起不均勻沉降。
4、結構基礎類型差別大。同*聯(lián)橋梁中，混合使用不同基礎或采用同類基礎，基底落在不同性質的地質上，可能引起地基不均勻沉降。
5、分期建造的構造物。在原有橋梁附近新建構造物時，新建構造物處理時引起地基土重新固結，可能導致原有構造物產生不均勻沉降。
6、地基凍脹。在低于零度的條件下含水率較高的地基土因冰凍膨脹；*旦溫度回升，凍土融化，地基下沉。因此地基的冰凍或融化均可造成不均勻沉降。
7、橋梁基礎置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質時，可能造成不均勻沉降。
8、橋梁建成以后，原有地基條件變化。大多數(shù)天然地基和人工地基浸水后，尤其是素填土、黃土、膨脹土等特殊地基土，土體*度遇水下降，壓縮變形加大。在軟土地基中，因人工抽水或干旱季節(jié)導致地下水位下降，地基土層重新固結下沉，同時對基礎的上浮力減小，負摩阻力增加，基礎受荷加大。有些橋梁基礎埋置過淺，受洪水沖刷、淘挖，基礎可能位移。地面荷載條件的變化，如橋梁附近因塌方、山體滑坡等原因堆置大量廢方、砂石等，橋址范圍土層可能受壓縮再次變形。因此，使用期間原有地基條件變化均可能造成不均勻沉降。
五、凍脹引起的裂縫
大氣氣溫低于零度時，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水轉變成冰，體積膨脹9%，因而混凝土產生膨脹應力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水（結冰溫度在-78度以下）在微觀結構中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土*度降低，并導致裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時受凍*嚴重，成齡后混凝土*度損失可達30%~50%。冰凍裂縫表現(xiàn)為構件表面沿主筋、箍筋方向出現(xiàn)寬窄不*的裂縫，深度*般到主筋。凍漲裂縫產生的原因主要有以下幾個方面：

1、溫度低于零度和混凝土吸水飽和是發(fā)生凍脹破壞的必要條件。當混凝土中骨料空隙多、吸水性*；骨料中含泥土等雜質過多；混凝土水灰比偏大、振搗不密實；養(yǎng)護、保溫不力使混凝土早期受凍等，均可能導致混凝土凍脹裂縫。

2、冬季施工時對預應力孔道灌漿后沒有采取保溫措施，或保溫不完，孔道內灰漿含游離水分較多，受凍后體積膨脹，可能發(fā)生沿管道方向的凍脹裂縫。

預防凍漲裂縫的措施如下

1、冬季施工時，采用普通水泥、配制低水灰比混凝土，采用電氣加熱法、暖棚法、地下蓄熱法、蒸汽加熱法養(yǎng)護，可防止凍漲裂縫的產生。

2、在混凝土拌和水中摻入防凍劑（但氯鹽不宜使用），可保證混凝土在低溫或負溫條件下硬化防止凍漲裂縫的產生。
3、冬季進行預應力孔道灌漿時，在灰漿中摻加早*型防凍減水劑或參加氣劑，防止水泥沉淀產生游離水，灌漿后進行加熱養(yǎng)護，直至達到規(guī)定*度。

4、水在4度時具有*大的容重，*旦高于或低于此溫度均會產生體積膨脹�；炷潦┕r應該避開0~4度溫度段，冬季施工時混凝土入模溫度應在6度以上。
六、施工材料質量引起的裂縫
混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質量不合格，可能導致結構出現(xiàn)裂縫。
1、水泥
（1）、水泥安定性不合格，水泥中游離的氧化鈣含量*標。氧化鈣在凝結過程中水化很慢，在水泥混凝土凝結后仍然繼續(xù)起水化作用，可破壞已硬化的水泥石，使混凝土抗拉*度下降。
（2）、水泥出廠時*度不足，水泥受潮或過期，可能使混凝土*度不能滿足設計要求，從而導致混凝土開裂。
（3）、當水泥含堿量較高（例如*過0.6%），同時又使用含有堿活性的骨料，可能導致堿骨料反應。
2、砂、石骨料
砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大，將導致水泥和拌和水用量加大，影響混凝土的*度，使混凝土收縮加大，如果使用*出規(guī)定的特細砂，后果*嚴重。

3、拌和水及外加劑

拌和水或外加劑中氯化物等雜質含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或含堿泉水拌制混凝土，或采用含堿的外加劑，可能對堿骨料反應有影響。
八、施工工藝質量引起的裂縫
在混凝土結構澆筑、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中，若施工工藝不合理、施工質量低劣，容易產生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進的和貫穿的各種裂縫，特別是細長薄壁結構*容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產生的原因而異，比較典型常見的有：
1、混凝土振搗不密實、不均勻，出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞，導致截面削弱、鋼筋銹蝕或其它荷載裂縫的起源點。
2、混凝土澆筑過快，混凝土流動性較低，在硬化前因混凝土沉實不足，硬化后沉實過大，容易在澆筑數(shù)小時后發(fā)生裂縫，既塑性收縮裂縫。
3、混凝土攪拌、運輸時間過長，使水分蒸發(fā)過多，引起混凝土塌落度過低，使得在混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。
4、混凝土初期養(yǎng)護時急劇干燥，使得混凝土與大氣接觸的表面上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。
5、用泵送混凝土施工時，為保證混凝土的流動性，增加水和水泥用量，或因其它原因加大了水灰比，導致混凝土凝結硬化時收縮量增加，使得混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。
6、混凝土分層或分段澆筑時，接頭部位處理不好，易在新舊混凝土和施工縫之間出現(xiàn)裂縫。
7、混凝土早期受凍，使構件表面出現(xiàn)裂紋，或局部剝落，或脫模后出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象。
8、施工時模板剛度不足，在澆筑混凝土時，由于側向壓力的作用使得模板變形，產生與模板變形*致的裂縫。
9、施工時拆模過早，混凝土*度不足，使得構件在自重或施工荷載作用下產生裂縫。
10、施工前對支架壓實不足或支架剛度不足，澆筑混凝土后支架不均勻下沉，導致混凝土出現(xiàn)裂縫。
11、裝配式結構，在構件運輸、堆放時，受力狀態(tài)與設計不*致，或運輸過程中劇烈顛撞；吊裝時吊點位置不當，T梁等側向剛度較小的構件，側向無可靠的加固措施等，均可能產生裂縫。拆架后再澆筑護欄，則裂縫不易出現(xiàn)。

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