城市砼立交橋梁裂縫影響因素調(diào)查分析

【關(guān)鍵詞】混凝土立交橋梁；裂縫；原因 

　　1. 前言 

　　（1）立交橋全稱(chēng)“立體交叉橋”，在城市重要交通交匯點(diǎn)建立的上下分層、多方向行駛、互不相擾的現(xiàn)代化陸地橋。1928年，美國(guó)首先在新澤西州的兩條道路交叉處修建了第一條苜蓿葉形公路交叉。1930 年，芝加哥建起了一座立體交叉橋。1931年至1935 年，瑞典陸續(xù)在一些城市修建起立體交叉橋。1974年，復(fù)興門(mén)立體交叉橋的建成，開(kāi)創(chuàng)了北京市立交橋的先河。截止目前北京市約有一千多座立交橋。立交橋在當(dāng)今交通中，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。立交橋大多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，部分采用簡(jiǎn)支梁，部分采用連續(xù)梁。 

　�。�2）本文討論的裂縫則是指混凝土結(jié)構(gòu)表面寬度達(dá)到一定程度后的可見(jiàn)裂縫：即寬度0.05mm 以上的裂縫�；炷�土出現(xiàn)宏觀裂縫的原因多種多樣，通常是因混凝土發(fā)生體積變化時(shí)受到約束，或因受到荷載作用時(shí)，在混凝土內(nèi)引起拉應(yīng)力（或拉應(yīng)變）而開(kāi)裂縫。裂縫就其開(kāi)裂深度可分為表面的、貫穿的；就其在結(jié)構(gòu)物表面開(kāi)關(guān)可分為網(wǎng)狀裂縫、爆裂狀裂縫、不規(guī)則短裂縫、縱向裂縫、橫向裂縫、斜裂縫等；按其發(fā)展情況可分為穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的、能愈合的和不能愈合的；按其產(chǎn)生的時(shí)間可分為混凝土硬化之前產(chǎn)生的塑性裂縫和硬化之后產(chǎn)生的裂縫。按其產(chǎn)生的原因可分為荷載裂縫和荷載（變形）裂縫。 

　　2. 裂縫形成原因 

　　裂縫按產(chǎn)生的原因可以分可以分為荷載作用引發(fā)的裂縫、非荷載引發(fā)的裂縫。其中荷載裂縫又可分為直接應(yīng)力裂縫與次應(yīng)力裂縫。而非荷載作用引發(fā)的裂縫又包括：混凝土自身特性引發(fā)的裂縫（混凝土的收縮、混凝土的脆性）、環(huán)境作用引發(fā)的裂縫（溫差引起的約束應(yīng)力、強(qiáng)迫位移引起的約束應(yīng)變、耐久性環(huán)境作用）、設(shè)計(jì)和施工缺陷引發(fā)裂縫、施工時(shí)的早期作用引發(fā)裂縫。 

　　2.1 荷載引起的裂縫。 

　　2.1.1 直接應(yīng)力裂縫。 

　�。�1）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：設(shè)計(jì)階段：計(jì)算抽象力學(xué)模型不合理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮施工的可能性、設(shè)計(jì)圖紙交代不清等；施工階段：不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，隨意翻身、起吊、運(yùn)輸、安裝；不按設(shè)計(jì)圖紙施工，擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力模式；不對(duì)結(jié)構(gòu)做機(jī)器振動(dòng)下的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算等；使用階段。超出設(shè)計(jì)載荷的重型車(chē)輛過(guò)橋；受車(chē)輛、船舶的接觸、撞擊；發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等。 

　�。�2）混凝土橋梁在常規(guī)靜、動(dòng)荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱(chēng)荷載裂縫，也稱(chēng)為受力裂縫。這種裂縫規(guī)律性極強(qiáng)，一般通過(guò)計(jì)算分析可以得出確切的結(jié)論�？缰袨檎�截面受彎裂縫，垂直于梁軸，下大上小；端部為斜截面受剪裂縫，起始于支座，指向梁頂集中花卉。裂縫沿柱軸縱向分布，中間稍密。裂縫集中在最大彎矩部位，受拉面裂縫為水平走向，外大內(nèi)小，垂直于柱軸；臨近極限狀態(tài)，受壓面混凝土有壓碎現(xiàn)象。受剪裂縫起始于集中荷載作用點(diǎn)，斜向牛腿外斜面與下柱面交匯點(diǎn)自延伸；受彎裂縫起始于牛腿支承面與上柱面交匯點(diǎn)，斜向柱內(nèi)延伸。板面裂縫成環(huán)狀，框架梁邊分布；板底裂縫成十字或米字，集中于跨中，裂縫分布于板面，垂直于長(zhǎng)軸，由板面向下延伸；有的縱肋預(yù)應(yīng)力筋端部還存在局壓裂縫。 

　　2.1.2 次應(yīng)力裂縫。次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有： 

　�。�1）在設(shè)計(jì)外荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)物的實(shí)際工作狀態(tài)同抽象的結(jié)果有出入，從而在某些部位引起次應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。 

　�。�2）橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽、開(kāi)洞、設(shè)置牛腿等，在常規(guī)計(jì)算中難以用準(zhǔn)確的圖式進(jìn)行模擬計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置受力鋼筋。研究表明，受力構(gòu)件挖孔后，在孔洞附近產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中。對(duì)于復(fù)合梁應(yīng)力集中不可忽略，并且很大。在長(zhǎng)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?cái)噤撌�，設(shè)置錨頭，而在錨固斷面附近經(jīng)�？梢钥吹搅芽p。因此，若處理不當(dāng)，在這些結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處或構(gòu)件形狀突變處、受力鋼筋截?cái)嗵幦菀壮霈F(xiàn)裂縫。實(shí)際工程中，次應(yīng)力裂縫是產(chǎn)生荷載裂縫的最常見(jiàn)原因。次應(yīng)力裂縫多屬?gòu)埨�、劈裂、剪切性質(zhì)。次應(yīng)力裂縫也是由荷載引起，僅是按常規(guī)一般不計(jì)算，但隨著現(xiàn)代計(jì)算手段的不斷完善，次應(yīng)力裂縫也是可以做到合理驗(yàn)算的。在設(shè)計(jì)上，應(yīng)注意避免結(jié)構(gòu)突變（或斷面突變），當(dāng)不能回避時(shí)，應(yīng)做局部處理，如轉(zhuǎn)角處做圓角，突變處做成漸變過(guò)渡，同時(shí)加強(qiáng)構(gòu)造配筋，轉(zhuǎn)角處增配斜向鋼筋，對(duì)于較大孔洞有條件時(shí)可在周邊設(shè)置護(hù)邊角鋼，以抵抗應(yīng)力集中的影響。 

　　2.2 溫度變化引起的裂縫�；炷�土具有熱脹冷縮性質(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)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超出荷載應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴(kuò)張或合攏。引起溫度變化的主要因素有：

 　 （1）年溫差。一年中四季溫度不斷變化，但變化相對(duì)緩慢，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向位移，一般可通過(guò)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)，只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時(shí)才會(huì)引起溫度裂縫，例如拱橋、剛架橋等。我國(guó)年溫差一般以一月和七月月平均溫度作為變化幅度�？紤]到混凝土的蠕變特性，年溫差內(nèi)力計(jì)算時(shí)混凝土彈性模量應(yīng)考慮折減。 

　�。�2）蒸汽養(yǎng)護(hù)或冬季施工時(shí)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。 

　�。�3）預(yù)制T梁之間橫隔板安裝時(shí)，支座預(yù)埋鋼板與調(diào)平鋼板焊接時(shí)，若焊接措施不當(dāng)，鐵件附近混凝土容易燒傷開(kāi)裂。采用電熱張拉法張拉預(yù)應(yīng)力構(gòu)件時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼材溫度可升高至350℃，混凝土構(gòu)件也容易開(kāi)裂。 

　　2.3 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，超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂�；�礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因有： 

　�。�1）地質(zhì)勘察精度不夠、試驗(yàn)資料不準(zhǔn)。在沒(méi)有充分掌握地質(zhì)情況下就設(shè)計(jì)、施工，這是造成地基不均勻沉降的主要原因。比如丘陵區(qū)或山嶺區(qū)橋梁，勘察時(shí)鉆孔間距太遠(yuǎn)，而地基巖面起伏又大，勘察報(bào)告不能充分反映實(shí)際地質(zhì)情況。 

　�。�2）地基地質(zhì)差異太大。建造在山區(qū)溝谷的橋梁，河溝處的地質(zhì)與山坡處變化較大，河溝中甚至存在軟弱地基，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)情況比較一致條件下，各部分基礎(chǔ)荷載差異太大時(shí)，有可能引起不均勻沉降，例如高填土箱形涵洞中部比兩邊的荷載要大，中部的沉降就要比兩邊大，箱涵可能開(kāi)裂。 

　�。�4）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類(lèi)型差別大。同一聯(lián)橋梁中，混合使用不同基礎(chǔ)如擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，或同時(shí)采用樁基礎(chǔ)但樁徑或樁長(zhǎng)差別大時(shí)，或同時(shí)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)但基底標(biāo)高差異大時(shí)，也可能引起地基不均勻沉降。 

　　（5）分期建造的基礎(chǔ)。在原有橋梁基礎(chǔ)附近新建橋梁時(shí)，如分期修建的高速公路左右半幅橋梁，新建橋梁荷載或基礎(chǔ)處理時(shí)引起地基土重新固結(jié)，均可能對(duì)原有橋梁基礎(chǔ)造成較大沉降。 

　�。�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；一旦溫度回升，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(dòng)斷層等不良地質(zhì)時(shí)，可能造成不均勻沉降。 

　�。�8）臨近場(chǎng)地工程施工由于現(xiàn)代城市建筑環(huán)境日益惡化，在原有橋梁附近修建地下工程、大地上建筑等構(gòu)筑物的情況越來(lái)越多，都會(huì)引起既有橋梁的地基基礎(chǔ)的附加應(yīng)力產(chǎn)生相應(yīng)變化，甚而產(chǎn)生裂縫等嚴(yán)重后果。 

　　2.4 凍脹引起的裂縫。大氣氣溫低于零度時(shí)，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，尤其是混凝土初凝時(shí)受凍最嚴(yán)重，成齡后混凝土強(qiáng)度損失可達(dá)30%～50%。北京地區(qū)的外露混凝土結(jié)構(gòu)，年復(fù)一年地遭受雨雪，長(zhǎng)期處于干濕交替、反復(fù)凍融的狀態(tài)下，當(dāng)混凝土密實(shí)度較差、空隙率較大時(shí)，容易產(chǎn)生凍脹裂縫，造成結(jié)構(gòu)表面混凝土酥松、剝落，引起鋼筋銹蝕。 

　　2.5 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(yùn)輸、堆放、拼裝及吊裝過(guò)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(jìn)的和貫穿的各種裂縫，特別是細(xì)長(zhǎng)薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(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(jiàn)的有： 

　�。�1）混凝土保護(hù)層過(guò)厚，或亂踩已綁扎的上層鋼筋，使承受負(fù)彎矩的受力筋保護(hù)層加厚，導(dǎo)致構(gòu)件的有效高度減小，形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。 

　�。�2）混凝土振搗不密實(shí)、不均勻，出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞，導(dǎo)致鋼筋銹蝕引起荷載不均勻產(chǎn)生裂紋。 

　　（3）混凝土澆筑過(guò)快，混凝土流動(dòng)性較低，在硬化前因混凝土沉實(shí)不足，硬化后沉實(shí)過(guò)大，容易在澆筑數(shù)小時(shí)后發(fā)生裂縫，既塑性收縮裂縫。 

　　（4）混凝土攪拌、運(yùn)輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使水分蒸發(fā)過(guò)多，引起混凝土塌落度過(guò)低，使得在混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。 

　�。�5）混凝土初期養(yǎng)護(hù)時(shí)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。 

　�。�6）用泵送混凝土施工時(shí)，為保證混凝土的流動(dòng)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(shí)收縮量增加，使得混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。 

　�。�7）混凝土分層或分段澆筑時(shí)，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。如混凝土分層澆筑時(shí)，后澆混凝土因停電、下雨等原因未能在前澆混凝土初凝前澆筑，引起層面之間的水平裂縫；采用分段現(xiàn)澆時(shí)，先澆混凝土接觸面鑿毛、清洗不好，新舊混凝土之間粘結(jié)力小，或后澆混凝土養(yǎng)護(hù)不到位，導(dǎo)致混凝土收縮而引起裂縫。 

　�。�8）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。 

　�。�9）施工時(shí)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)生與模板變形一致的裂縫。 

　　（10）施工時(shí)拆模過(guò)早，混凝土強(qiáng)度不足，使得構(gòu)件在自重或施工荷載作用下產(chǎn)生裂縫。 

　�。�11）施工前對(duì)支架壓實(shí)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。 

　�。�12）裝配式結(jié)構(gòu)，在構(gòu)件運(yùn)輸、堆放時(shí)，支承墊木不在一條垂直線上，或懸臂過(guò)長(zhǎng)，或運(yùn)輸過(guò)程中劇烈顛撞；吊裝時(shí)吊點(diǎn)位置不當(dāng)，T 梁等側(cè)向剛度較小的構(gòu)件，側(cè)向無(wú)可靠的加固措施等，均可能產(chǎn)生裂縫。 

　�。�13）安裝順序不正確，對(duì)產(chǎn)生的后果認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫。如鋼筋混凝土連續(xù)梁滿堂支架現(xiàn)澆施工時(shí)，鋼筋混凝土墻式護(hù)欄若與主梁同時(shí)澆筑，拆架后墻式護(hù)欄往往產(chǎn)生裂縫；拆架后再澆筑護(hù)欄，則裂縫不易出現(xiàn)。 

　�。�14）施工質(zhì)量控制差。任意套用混凝土配合比，水、砂石、水泥材料計(jì)量不準(zhǔn)，結(jié)果造成混凝土強(qiáng)度不足和其他性能（和易性、密實(shí)度）下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。 

　　2.6 鋼筋銹蝕引起的裂縫�；炷�土碳化到鋼筋部位，鋼筋失去了混凝土鈍化膜保護(hù)，會(huì)逐漸生銹，鋼筋生銹后體積膨脹，會(huì)引起混凝土沿鋼筋開(kāi)裂；混凝土裂縫的開(kāi)展，反過(guò)來(lái)又促進(jìn)鋼筋更快銹蝕，尤其是當(dāng)環(huán)境溫度變化，周?chē)�存在有害介質(zhì)時(shí)，這種惡性循環(huán)顯著加快。碳化銹蝕裂縫的特征是，裂縫沿鋼筋分布，系由膨脹鐵銹向外將混凝土脹開(kāi)，裂縫周?chē)�混凝土發(fā)酥，高出原有混凝土表面，并附著有褐色銹漬滲出物。 

　　3. 檢測(cè)結(jié)論 

　　由于混凝土構(gòu)件所處的復(fù)雜環(huán)境，實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)工程中真正的裂縫，很小是由單一因素引起的，往往是多種原因共同作用的綜合結(jié)果。而我們?cè)诜治隽芽p成因時(shí)，一般都是找它的主要作用。根據(jù)裂縫的形態(tài)，包括它的部位、走向、寬度、外觀等因素，調(diào)查了解所屬橋梁的服役歷史及維護(hù)檢修情況。確定這兩條裂縫為銹脹、凍脹裂縫。而其余非銹脹、凍脹裂縫也非承受荷載所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫，不影響結(jié)構(gòu)的安全性能。 

　　在監(jiān)控工程開(kāi)工前，先對(duì)所查明的病害進(jìn)行處理：將松散、剝離的混凝土予以鑿除，鋼筋除銹，用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)，完善橋梁的防水、排水系統(tǒng)，避免雨水對(duì)橋梁構(gòu)件的侵蝕；對(duì)裂縫注漿封閉處理。在工程施工過(guò)程中，對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)。工程結(jié)束后，再對(duì)橋進(jìn)行一次工后檢測(cè)。 

　　參考文獻(xiàn) 

　　[1] 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制手冊(cè)，主編：張彬，天津：天津大學(xué)出版社，2012.11. 

　　[2] 辛登云.《常規(guī)混凝土梁裂縫原因的分析》.石家莊聯(lián)合技術(shù)職業(yè)學(xué)院，2006（12）.