混凝土橋梁裂縫產(chǎn)生的原因及控制措施
隨著我國公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)橋梁被廣泛采用，目前我國混凝土結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)已達到國際先進水平。但在橋梁建設(shè)和使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)裂縫影響工程質(zhì)量甚至出現(xiàn)工程事故的問題。在鋼筋混凝土、部分預(yù)應(yīng)力混凝土甚至*預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中都有出現(xiàn)裂縫的可能，采取*定的設(shè)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(chǎn)生的原因進行分析、總結(jié)，提出了克服和控制裂縫的措施，以便設(shè)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(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱荷載裂縫，歸納起來主要有直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。
直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：
1、設(shè)計計算階段，結(jié)構(gòu)計算時應(yīng)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(nèi)力與配筋計算錯誤；結(jié)構(gòu)設(shè)計時對施工的影響考慮不足；構(gòu)造處理不當(dāng)；設(shè)計圖紙交代不清等。
2、施工階段，沒有按設(shè)計文件要求施工，影響結(jié)構(gòu)受力；沒有按施工規(guī)范要求施工，影響構(gòu)件的施工質(zhì)量。
3、使用階段，*載車輛通過；車輛、船舶等的撞擊；不可預(yù)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(jié)構(gòu)不同受力方式，產(chǎn)生的裂縫特征如下：
1、軸心受拉構(gòu)件：裂縫貫穿構(gòu)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(gòu)件：沿構(gòu)件出現(xiàn)平行于受力方向的短而密的平行裂縫。
3、受彎構(gòu)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(dāng)結(jié)構(gòu)配筋較少時，裂縫少而寬，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生脆性破壞。
4、大偏心受壓構(gòu)件：大偏心受壓和受拉區(qū)配筋較少的小偏心受壓構(gòu)件，類似于受彎構(gòu)件。
5、小偏心受壓構(gòu)件：小偏心受壓和受拉區(qū)配筋較多的大偏心受壓構(gòu)件，類似于中心受壓構(gòu)件。
6、受剪構(gòu)件：當(dāng)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(dāng)箍筋適當(dāng)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(gòu)件：構(gòu)件*側(cè)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(jié)構(gòu)類型和受力狀態(tài)，建立符合結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的計算模型，采用多種方法進行結(jié)構(gòu)計算，嚴格設(shè)計、復(fù)核、審核制度。
2、施工單位在施工前應(yīng)對設(shè)計文件進行復(fù)核，弄清設(shè)計意圖，嚴格按照設(shè)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(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：
1、結(jié)構(gòu)尺寸選擇不合理，如結(jié)構(gòu)突變或斷面突變引起應(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫；由于施加預(yù)應(yīng)力引起產(chǎn)生的二次應(yīng)力的裂縫。混凝土收縮、徐變引起的二次應(yīng)力計算不準確產(chǎn)生的裂縫。
2、橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽、開洞、設(shè)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(jīng)驗設(shè)置受力鋼筋。研究表明，受力構(gòu)件挖孔后，力流將產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，在孔洞附近密集，產(chǎn)生*大的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致混凝土裂縫產(chǎn)生。在長跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁中，經(jīng)常在跨內(nèi)根據(jù)截面內(nèi)力需要截斷鋼束，設(shè)置錨頭，而在錨固斷面附近經(jīng)�？梢钥吹搅芽p。
控制荷載引起的次內(nèi)力的方法
1、擬定結(jié)構(gòu)尺寸時，盡量減少結(jié)構(gòu)形狀的突變，必要的結(jié)構(gòu)形狀突變可以采用曲線變化或多次變化，以減小結(jié)構(gòu)形狀突變引起的次內(nèi)力。
2、在結(jié)構(gòu)開口、開洞、開槽或其它結(jié)構(gòu)突變處設(shè)置足夠數(shù)量的抗裂鋼筋。
3、根據(jù)材料的具體性質(zhì)，計算預(yù)應(yīng)力鋼束張拉引起的次內(nèi)力，與其它荷載內(nèi)力組合進行結(jié)構(gòu)配筋計算。
4、根據(jù)材料的具體性質(zhì)，計算混凝土收縮、徐變引起的次內(nèi)力，與其它荷載內(nèi)力組合進行結(jié)構(gòu)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(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力*過混凝土抗拉*度時即產(chǎn)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(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向位移，*般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設(shè)置柔性墩等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào)，對于拱橋、剛構(gòu)橋等結(jié)構(gòu)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(nèi)力計算時混凝土彈性模量應(yīng)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(cè)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(dǎo)致局部拉應(yīng)力較大，出現(xiàn)裂縫。日照和下述驟然降溫是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度裂縫的*常見原因�！豆窐蚝O(shè)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫度梯度。日照和驟然降溫內(nèi)力計算時可采用設(shè)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(nèi)部溫度很高，內(nèi)外溫差太大，致使表面出現(xiàn)裂縫。施工中應(yīng)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(nèi)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(nèi)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(dāng)，混凝土驟冷驟熱，內(nèi)外溫度不均，易出現(xiàn)裂縫。
6、由火災(zāi)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(jié)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(jié)力下降80%；由于受熱，混凝土體內(nèi)游離水大量蒸發(fā)也可產(chǎn)生急劇收縮。*般情況下的橋梁設(shè)計不考慮此種作用。
三、收縮引起的裂縫
混凝土收縮產(chǎn)生的應(yīng)力或收縮應(yīng)力與其它應(yīng)力組合大于混凝土的拉應(yīng)力可產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)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(gòu)件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂?shù)装褰唤犹帲蛴不俺翆嵅痪鶆驅(qū)l(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(yīng)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(jié)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(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當(dāng)表面混凝土承受拉力*過其抗拉*度時，便產(chǎn)生收縮裂縫�；炷劣不笫湛s主要*是縮水收縮。如配筋率較大的構(gòu)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(yīng)，這種收縮與外界濕度無關(guān)，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(xué)反應(yīng)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(yīng)，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(fēng)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(chǎn)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(gòu)造鋼筋可明顯提高混凝土的抗裂性，尤其是薄壁結(jié)構(gòu)（壁厚20~60cm）。構(gòu)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(gòu)造配筋率不宜低于0.3%，*般可采用0.3%~0.5%。
四、地基礎(chǔ)變形引起的裂縫
由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，*出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂�；A(chǔ)不均勻沉降的主要原因有：
1、地質(zhì)勘察精度不夠、試驗資料不準。在沒有充分掌握地質(zhì)情況*設(shè)計、施工，這是造成地基不均勻沉降的主要原因。
2、地基地質(zhì)差異太大。構(gòu)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(zhì)，地基土由于不同壓縮性引起不均勻沉降。
3、結(jié)構(gòu)荷載差異太大。在地質(zhì)情況比較*致條件下，各部分基礎(chǔ)荷載差異太大時，有可能引起不均勻沉降。
4、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別大。同*聯(lián)橋梁中，混合使用不同基礎(chǔ)或采用同類基礎(chǔ)，基底落在不同性質(zhì)的地質(zhì)上，可能引起地基不均勻沉降。
5、分期建造的構(gòu)造物。在原有橋梁附近新建構(gòu)造物時，新建構(gòu)造物處理時引起地基土重新固結(jié)，可能導(dǎo)致原有構(gòu)造物產(chǎn)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(chǔ)置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質(zhì)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(dǎo)致地下水位下降，地基土層重新固結(jié)下沉，同時對基礎(chǔ)的上浮力減小，負摩阻力增加，基礎(chǔ)受荷加大。有些橋梁基礎(chǔ)埋置過淺，受洪水沖刷、淘挖，基礎(chǔ)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(zhuǎn)變成冰，體積膨脹9%，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水（結(jié)冰溫度在-78度以下）在微觀結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(gòu)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(chǎn)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(dāng)混凝土中骨料空隙多、吸水性*；骨料中含泥土等雜質(zhì)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(dǎo)致混凝土凍脹裂縫。
2、冬季施工時對預(yù)應(yīng)力孔道灌漿后沒有采取保溫措施，或保溫不完，孔道內(nèi)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(yù)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(chǎn)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(chǎn)生。
3、冬季進行預(yù)應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生體積膨脹�；炷潦┕r應(yīng)該避開0~4度溫度段，冬季施工時混凝土入模溫度應(yīng)在6度以上。
六、施工材料質(zhì)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(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(jié)過程中水化很慢，在水泥混凝土凝結(jié)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(shè)計要求，從而導(dǎo)致混凝土開裂。
（3）、當(dāng)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(dǎo)致堿骨料反應(yīng)。
2、砂、石骨料
砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大，將導(dǎo)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(zhì)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(yīng)有影響。
八、施工工藝質(zhì)量引起的裂縫
在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、構(gòu)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(zhì)量低劣，容易產(chǎn)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(jié)構(gòu)*容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)致混凝土凝結(jié)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(gòu)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?xí)r，由于側(cè)向壓力的作用使得模板變形，產(chǎn)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(gòu)件在自重或施工荷載作用下產(chǎn)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(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。
11、裝配式結(jié)構(gòu)，在構(gòu)件運輸、堆放時，受力狀態(tài)與設(shè)計不*致，或運輸過程中劇烈顛撞；吊裝時吊點位置不當(dāng)，T梁等側(cè)向剛度較小的構(gòu)件，側(cè)向無可靠的加固措施等，均可能產(chǎn)生裂縫。拆架后再澆筑護欄，則裂縫不易出現(xiàn)。
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