混凝土梁式桥裂缝调查分析与防治

张延年, 李玉兵, 柳成林, 郑　怡, 高　飞, 沈小俊

(1. 沈阳建筑大学 土木工程学院, 辽宁 沈阳　110168;

2. 辽宁省建筑材料监督检验院, 辽宁 沈阳　110032;

3. 重庆市公路工程质量检测中心, 重庆　400060)



混凝土梁式桥裂缝调查分析与防治

张延年1, 李玉兵1, 柳成林1, 郑怡2, 高飞3, 沈小俊3

(1. 沈阳建筑大学 土木工程学院, 辽宁 沈阳110168;

2. 辽宁省建筑材料监督检验院, 辽宁 沈阳110032;

3. 重庆市公路工程质量检测中心, 重庆400060)

摘要:为了解混凝土梁式桥的裂缝状况与病害影响,对沈阳市混凝土梁式桥进行现场调研.搜集该地区混凝土梁式桥的实际运营情况,分别对主梁、盖梁、桥墩、桥台和基础等关键部位的裂缝病害进行分析.结果发现,主梁多处于带裂缝工作状态,箱形梁的裂缝比T形梁严重.盖梁的裂缝多处两端,尤其在两端挡块与盖梁之间缺少预防开裂构件时更为严重.桥墩的裂缝较为严重,且往往造成混凝土剥落,钢筋锈蚀,尤其墩身中下部裂缝更为严重.桥台在前、侧墙以及与护坡交接处的裂缝较多,主要是因为前、侧墙缺乏可靠的连接.基础的裂缝最为严重,由于基础多数处于水中,所以一旦裂缝出现,破坏会随之而来.针对上述裂缝,提出了有效防治措施.

关键词:混凝土梁式桥; 现场调研; 病害实例; 裂缝; 病害防治

混凝土作为现代桥梁工程中的主要材料,实际工程中可根据使用功能的不同,在很大的范围内对其强度、耐久性及所需的工艺性进行调整,以适应各种复杂桥梁工程的施工要求.混凝土的抗渗、抗冻、抗腐蚀、抗碳化性能是其他工程材料所不能媲美的,其耐久年限通常可达数百年以上.但其抗拉能力相对较差,构件容易开裂是混凝土的最大缺点[1-2],在实际的桥梁工程中,这些问题随处可见.笔者通过对沈阳市周边大量的混凝土桥梁调查研究发现,绝大多数的混凝土桥梁构件均有不同程度的裂缝分布,这些裂缝大多是很细微的,对桥梁的正常运营工作不会带来危害[3];但它们并不是保持不变的,有些裂缝会在正常使用或外界环境因素的影响下,不断延伸并产生新的裂缝,进一步将会引起混凝土渗水、碳化、剥落、内部钢筋锈蚀等一系列的病害反应[4],使混凝土的强度和耐久性受到严重削弱,甚至会导致桥梁倒塌,危及行人和车辆的安全,必须严格监控其发展状态[5].

混凝土的易开裂性,一直都是混凝土桥梁安全问题的巨大挑战,在桥梁工程技术界也是一大难题[6].因裂缝而引发的桥梁安全事故在国内外频频发生,也正因为这些常见但不易处理的裂缝,致使桥梁病害日益剧增[7].正确认识不同桥梁构件中的裂缝形式和所诱发的病害,合理有效地处理裂缝,对桥梁的安全运营有着重要意义[8-10].为了了解混凝土桥梁的裂缝状况,笔者通过实地调研数百座桥梁,从混凝土梁式桥方面来讨论裂缝在桥梁构件中的各种影响.其中,混凝土梁式桥上部结构系统中的主梁及盖梁,下部结构中的桥墩、桥台和基础作为整个桥梁的主要承重结构,更是裂缝的多发区,本文将对这五个部位裂缝实际情况作简要总结与分析.

1主梁裂缝

主梁作为桥梁结构中最重要承重构件,其安全性将直接影响到整座桥梁.主梁在梁式桥中按截面形式主要可分为板式梁、T形梁、箱形梁以及工字形梁.这些截面形式不同的主梁,在受到裂缝侵袭后所表现出来的病害形式也不尽相同.调研中笔者发现,沈阳市某立交桥箱形梁下底面发生开裂,其开裂的方向沿着梁体的横截面,并有水从中渗出.开裂部位混凝土较为松散,且颜色较黑,如图1所示.在该开裂部位下方可明显看到有少量的混凝土碎屑与粉末散落.在该箱形梁的缘翼板处也发现有开裂渗水的现象,开裂的方向多是沿横向发展的,且周围混凝土也发生了破坏,但此处渗水病害部位已用止水带及时修补,如图2所示.

图1　梁体开裂

图2　梁体止水修补

在某跨河桥的调研中发现,该桥梁主梁的侧面发生破坏,表层混凝土剥落,内部钢筋裸露在外,并发生锈蚀.经实际测量,该部位的混凝土保护层厚度只有0.5 cm,并且混凝土剥落较为严重,其剥落路径主要沿着竖向钢筋锈蚀的方向,以鳞片状发生剥落,如图3所示.有些主梁侧面混凝土剥落的方向是沿纵向发展的,以块状的形式发生剥落,如图4所示.纵向钢筋锈蚀后在周围混凝土中形成锈斑,这些锈斑会严重消弱混凝土的强度和耐久性,使其变得极为松散.

图3　混凝土竖向剥落

图4　混凝土纵向剥落

混凝土T形梁在桥梁中的应用也是极为广泛的,笔者在跨浑河的某座桥梁中发现,每两个相邻的T形梁连接处,是裂缝病害发生的集中地带,该部位裂缝沿梁的纵向分布,并且在裂缝处存在渗水现象,致使裂缝处混凝土泛白,如图5所示.在调研板式桥梁时笔者发现,其下底面混凝土保护层老化严重,混凝土极为酥松,内部骨料裸露在外部,且存在白华现象,如图6所示.

图5　梁体连接裂缝

图6　梁底面混凝土老化

在现场发现,梁体的开裂都是在主梁已有裂缝的基础上发生的,这些裂缝多数集中在主梁的跨中、梁侧以及梁底, 如图7所示.随着水从裂缝中渗出, 裂缝周围混凝土的渗透性也随之增大, 并致使主梁混凝土开裂的程度不断加大,进而使内部钢筋发生锈蚀, 影响梁的整体承重能力.主梁侧面混凝土剥落部位主要聚集在侧面的裂缝区域, 这些裂缝主要是沿着梁的长度方向发展的,如图8所示.侧裂缝的存在使梁在承受载荷的过程中, 混凝土过早发生剥落并露筋, 会严重危害桥梁的安全性和外观完整性. 混凝土的风化剥落主要是由于北方寒冷的冬季气温和干湿交替循环变化, 致使混凝土微裂缝加大, 给外部水分进入混凝土提供了条件,最终使得混凝土发生风化剥落.

图7　箱梁外部裂缝

图8　箱梁外侧裂缝

通过实地调研和相关的技术规范,笔者对于上述的病害问题提出以下防治措施:

(1) 由于发生在主梁上的裂缝多为细微裂缝,这些裂缝一般不会直接影响到桥梁的安全问题,因此可用高分子聚合物砂浆对裂缝进行处理.

(2) 当裂缝宽度较大并引起混凝土破坏和钢筋锈蚀时,应凿除松散混凝土,将钢筋除锈及作防锈处理,并用高于原强度等级的混凝土补填.

(3) 对于梁表层的浅显缺陷,一般可用纤维网水泥砂浆修复,这样施工较为方便.与此同时,还要建立每座桥梁的病害信息卡,及时解决病害问题.

2盖梁裂缝

盖梁在桥梁中的功能和作用是非常重要的,有着将上部结构载荷传递到下部、转换受力的特点.由于实际工程中每座桥梁的实际参数和限制载荷不同,因此盖梁的设计很难按规范完全通用.其较低的标准化程度,决定着盖梁是桥梁工程中一个关键部分.调研中发现,盖梁处渗水普遍存在,其所占比例在调研桥梁中达1/3以上.盖梁渗水处混凝土白华现象严重,覆盖面积大约占梁身表面积的1/2,尤其在与主梁接触的位置,如图9所示.同时笔者还发现,在某些盖梁端存在混凝土剥落的情况,这些梁端多数悬挑在梁板的外部,能直接受到雨雪的侵害.而且,该梁端的混凝土保护层厚度不足,致使多根钢筋裸露在外,并发生了锈蚀,如图10所示.

图9　盖梁渗水情况

图10　剥落露筋情况

由于盖梁的构造和使用要求,其端部多会有挡块的存在,对桥梁起到稳定和限制上部梁板位移的作用.在调研该部位的过程中发现,有些盖梁挡块被挤压开裂,开裂的方向与竖直方向成45°角,并且部分混凝土被挤压掉,剩余的挡块与盖梁间存在很大的缝隙,随时都有完全脱落的危险,如图11所示.同时,还有些盖梁端部发生大面积混凝土脱落现象,脱落面积大约占到端部的一半,其脱落断面较整齐,断面处的混凝土没有松散现象,如图12所示.

图11　挡块挤压破坏

图12　混凝土大面积破损

盖梁身上的白华和水渍不但影响到桥梁整体的美观,同时还给行人带来安全隐患.在所调研的多数桥梁中发现,那些白华和水渍较严重的部位,多会有很细小的微裂缝,且长度多不足10 cm.这些微裂缝的存在虽然不会直接引起桥梁的损坏和垮塌,但是却加快了水渗入混凝土的速度,最终引发混凝土的病害.经过对盖梁端部调查发现,端部钢筋锈蚀部位都会存在沿钢筋方向的混凝土裂缝,这些裂缝会随着外部水和有害物质的侵袭而发生延伸和膨胀,并致使裂缝周围混凝土剥落和钢筋外露锈蚀.

挡块的开裂原因很多,究其根本都是裂缝的发展所致,一些立交桥梁的挡块经常会受到上部梁体的挤压.当挤压应力超过挡块所能承受的载荷时,挡块就会在根部产生裂缝,随着应力的持续,裂缝宽度和深度也会加大,最终造成挡块的挤裂.在图12中发现,盖梁端部大面积混凝土脱落位置存在钢筋夹在主梁与盖梁之间,这使该部位形成了应力集中现象,突然增大的应力远远超过混凝土的强度极限,使得混凝土形成开裂裂缝,并最终导致大面积混凝土开裂脱落.

对于上述盖梁病害,主要都是由于忽视裂缝的发展所致,因此笔者给出以下防治措施:

(1) 对于盖梁上的微裂缝由于不会影响到其承载力,所以一方面可以采用防水涂料将盖梁涂抹均匀,以将裂缝覆盖,同时还能预防渗水的影响;另一方面可以采用水泥砂浆直接修补,使裂缝闭合,防止继续发展.

(2) 对于盖梁挡块处和梁身的开裂裂缝,由于两者将直接影响到上部结构的稳定性,所以可对其全包钢板,并预留观察空间,监看加固效果.

3桥墩裂缝

桥墩作为桥梁的主要承重构件,对桥梁的安全运营起着至关重要的作用.调研中发现,某立交桥混凝土墩身螺旋箍筋发生外露并锈蚀,长度大约有30 cm,集中在两相邻的箍筋上,并有继续沿箍筋锈蚀的趋势,锈蚀钢筋的外层混凝土有明显的锈迹,如图13所示.其发生部位位于墩身下半部,发生病害部位混凝土如同被水浸湿过,还有水渍印记存在.

还有的桥墩在纵向产生病害,混凝土破坏,露出内部的钢筋骨架,并且钢筋排列较为散乱,锈蚀情况较为严重,其中外露的箍筋全部被锈蚀,表层的锈迹已渗透到混凝土内部.当除去表层混凝土后,发现内部混凝土也较为松散,颜色有些泛白,用手指可轻易捻碎.该处破坏的面积大约有1 m2左右,呈椭圆形分布,如图14所示.同时,在破坏面内还发现有些杂物穿插在钢筋笼内,未发现任何维护措施.

图13　钢筋环向锈蚀

图14　钢筋纵向锈蚀

调研中发现,墩身混凝土开裂也是普遍存在的,在某立交桥的墩身下部存在开裂裂缝,该裂缝的位置处于边角处,柱面裂缝的开裂方向与水平呈45°,开裂的最大宽度达到5 cm,在裂缝处可以清晰看到内部钢筋,如图15所示.在另一座桥梁墩身上也存在病害现象,该墩身底部布满网状裂缝,宽度在0.1~1 cm之间,在裂缝的上部还存在一个椭圆形混凝土缺陷,并且能看到内部钢筋,如图16所示.

桥梁墩身多由钢筋混凝土柱组成,笔者发现,在一些桥墩的柱身上经常会出现沿柱的环向裂缝,这些裂缝多数都是沿柱身闭合的,如图17所示.当墩身出现裂缝以后,外部的水会渗入到墩身裂缝,经过季节交替、温度变化和冷热冻涨的冻融作用,裂缝会进一步扩展.当裂缝延伸到内部钢筋位置后,钢筋就会在水的作用下与之反应发生锈蚀.

图15　墩身开裂

图16　混凝土网状裂缝

图17　桥墩环向裂缝

墩身由于在使用中常受外部载荷作用而产生细微的震动,出现一些裂缝.在实际调研中发现,这些裂缝多是沿竖直方向的,长度不等,大致在5~50 cm之间,如图18所示.

受外部环境的侵害

图18　墩身纵向裂缝

和本身结构的振动损害,裂缝会发展变大,并致使墩身混凝土脱落或剥离.同时,墩身骨料中含有盐分和有害的矿物质,会发生盐害和碱-集料反应,其生成物质的膨胀力也会给墩身造成相当大的破坏裂缝,同样会造成混凝土的脱落.

通过对上述的问题做实地调研和理论分析,对于桥墩所发生的病害问题,笔者给出以下防治措施:

(1) 对于墩身的环向和纵向裂缝,可采用壁可法进行裂缝修补,避免裂缝的进一步增大.墩身的钢筋锈蚀主要发生在表层,因此可采用纤维网水泥砂浆修复.

(2) 当墩身混凝土脱落严重时可采用墩身加固的方法,先桩基要进行加固,再将墩身新老混凝土的结合面打毛,露出新鲜混凝土,并清理干净后,按设计要求安装墩身钢筋,然后安装墩身模板,浇筑混凝土.

(3) 桥墩的病害防治必须要从桥梁的设计和施工开始,采用合理的配筋,以及适宜的混凝土骨料级配,以期得到耐久性能良好的钢筋混凝土,达到防治结合的目的.

4桥台裂缝

桥台的功能在于提供桥梁起点及终点两端点的支撑,稳定两端桥台背后的路基,并支撑上部结构载荷.其类型主要可划分为两大类,一类为重力式桥台,另一类为轻型桥台.在调研中发现,一些桥台在前、侧墙交接处发生开裂,形成自上而下的贯通裂缝,并有水从里面流出,不断侵蚀周围混凝土.裂缝呈现出上宽下窄的劈裂形,且开裂处最大宽度达到4 cm,自上至下的总长度约为2 m,如图19所示.

图19　台身开裂

桥台护坡对桥台的稳定性和承载力起着至关重要的作用,在调研中笔者发现,有些桥梁的桥台护坡发生了严重开裂现象,护坡与桥台之间发生了脱离,两者之间不再存在接触,之间的悬空距离达到5 cm,护坡本身也发生了沿砌筑灰缝方向的裂缝,并且表层混凝土被破坏,如图20所示.

图20　桥台护坡开裂

在某跨河桥梁的调研中发现,该桥梁的桥台被渗水浸害严重,整个桥台都处于潮湿状态,前墙的混凝土表面呈灰黑色,在还有渗水的位置,混凝土表面有大量的青苔生长,如图21所示.在与之相邻的桥梁上发现,该桥台前墙的钢筋发生锈蚀,混凝土麻面严重,其混凝土保护层厚度不到2 cm,并且有两根裸露在外的钢筋,其平均长度约为2 m左右.在钢筋锈蚀的部位,混凝土也被锈迹附着,且在桥台前墙位置有较明显的青苔痕迹,如图22所示.

图21　桥台水浸害

图22　钢筋锈蚀

一些桥梁在实际施工过程中构造措施不够完善,一般在桥台前、侧墙交接处未采取有效的抗裂拉结措施,导致前、侧墙间连接较为薄弱,使桥梁正常使用过程中在两者的连接部位产生了裂缝.特别是桥台的高度较大、桥台整体刚度比较小时,更容易产生裂缝.随着这些裂缝的发展,台身的混凝土耐久性受到严重消弱,最终直接导致桥台开裂.桥台与护坡之间的悬空裂缝多数是由护坡的构造引起的,这是因为护坡多由毛石直接砌筑,整体性相对较差,容易在灰缝处形成裂缝,一旦裂缝形成并扩大,就将致使护坡与桥台逐渐分离.

在调研中发现,台身混凝土剥落及钢筋锈蚀一方面是由于桥梁台身在出现裂缝后,未及时采取修补措施引起的,这使得裂缝完全暴露在空气中,而空气中的有害物质及大量水蒸气进入混凝土内部后,使钢筋发生锈蚀与破坏.另一方面,由于夏季汛期的到来,使得大量小型跨河桥桥台浸没到水里,引起混凝土耐久性不足,致使混凝土保护层剥落,内部钢筋发生锈蚀.

对于上述桥台的病害调研与分析,笔者给出以下防治措施:

(1) 当桥台开裂程度较轻时通常可采用环氧树脂砂浆灌注;而对于开裂程度较严重的情况,应对混凝土进行加固处理,如加入钢筋或直接用钢板加固.

(2) 尽量保持河道的畅通,避免汛期河水长时间浸没桥台,确保桥台的正常工作环境,避免不必要的经济损失.

(3) 在砌筑毛石护坡时,可通过在毛石护坡内埋置拉结件,对护坡进行整体稳定锚固,防止与桥台脱离.

5基础裂缝

桥梁基础的功能就是将桥梁的全部载荷传递到地基,对桥梁的稳定性和功能性起至关重要的作用.因此,为了整座桥梁的安全和正常使用,规定基础要有足够的承载能力和整体稳定性,使其不产生过大的水平位移或不均匀沉降.调研中笔者发现,抚顺市某桥梁基础外表面发现有不同程度的缺损:

(1) 在桥梁的跨中位置发现基础存在病害,该处的基础边角处混凝土局部掉落,出现不规整缺陷;整个基础表面混凝土局部缺浆、粗糙,形成许多小凹坑.

(2) 在基础两边高低不对称,形成一个阶梯面;基础与墩柱之间存在空隙,上方空隙大约有0.5 cm左右,里面充满了淤泥和杂物,如图23所示.

桥梁基础的冲刷问题是一个很普遍的技术难题,在桥梁工程中一直无法很好地防治.调研中笔者发现,在某跨河桥梁的跨中位置,基础被河水冲刷外露,基础混凝土发生了严重破坏,有1/3的基身缺失,内部钢筋裸露,并且发生了锈蚀,如图24所示.在该桥梁的两端位置也存在基础被冲刷的现象,但是这些都被及时用水泥砂浆填封修补,并没有发生基础破坏的现象,如图25所示.

图23　基础腐蚀破坏

图24　基础裸露破坏

图25　基础填埋

跨河桥梁基础常年埋置于水中,还会受到洪水的腐蚀作用,当桥梁基础出现裂缝时,水中的各种有害矿物质就会进入到混凝土内部,从而与混凝土发生化学反应,使桥梁基础出现蜂窝、露筋等病害现象进而遭到破坏.

由于笔者所调研桥梁都处于北方寒冷季节性冻土地区,因此桥梁基础还多有冻害发生.桥梁基础微小裂缝的存在致使混凝土内充满大量水分,在温差和季节的交替下,混凝土体积发生变化,产生基础上抬、倾斜等冻害.上述基础高低差断面就是由于混凝土桥梁基础受到冻害所致.基础的冻害主要是受冻胀力的作用,其表面的冻胀力可分解为切向冻胀力、水平冻胀力和法向冻胀力,如图26所示.

当基础被洪水冲刷后,本身的承载力和稳定性就会受到严重的威胁,由于混凝土裂缝存在,加快了各种有害物质和水分进入的速度,为混凝土的破坏创造了有利条件.随着裂缝加大和上部载荷的持续施加,基础的破坏开裂也会继续进行,直到桥梁垮塌.

图26　膨胀力分布

对于桥梁基础病害一定要做到防患于未然,确保桥梁工程的根基安全,对此笔者提出以下处理措施:

(1) 桥梁基础出现微小裂缝时,可采用高强度砂浆找缝;当混凝土破坏严重时可采用扩大基础加固法,扩大桥梁基础底面积,减小基底压应力.

(2) 当基础受到冻害时,基础本身可能不会出现裂缝破坏现象,但有可能造成墩台基础整体上抬,这时可采用补桩加固法,在基础周围补加钻孔桩或打入钢筋混凝土预制桩,扩大原承台,以提高基础承载力和稳定性.

(3) 桥梁基础的冲刷外露必须要进行及时的埋填和修护,保证基础的承载力和稳定性,防止基础在外部受到更多的侵蚀和破坏,为桥梁的安全运行提供保障.

6结论

通过对沈阳市混凝土梁式桥的主梁、盖梁、桥墩、桥台和基础等关键部位裂缝现场调查分析,得到以下结论:

(1) 主梁多处于带裂缝工作状态,箱形梁的裂缝比T形梁严重,且裂缝多伴随渗水现象发生,混凝土往往发生白华,处理不当将不断恶化.

(2) 盖梁的裂缝多处两端,尤其在两端挡块与盖梁之间缺少预防开裂构件时更为严重,两端常受到风雨侵袭也是一个重要原因.

(3) 桥墩的裂缝较为严重,且往往造成混凝土剥落,钢筋锈蚀,尤其墩身中下部裂缝更为严重,这主要是因为冻融侵蚀严重引起墩身混凝土发生破坏,以及墩身混凝土保护层厚度不足引起钢筋锈蚀.

(4) 桥台在前、侧墙以及与护坡交接处的裂缝较多,主要是因为前、侧墙缺乏可靠的连接且毛石护坡的整体性较差.

(5) 基础的裂缝最为严重,由于基础多数处于水中,所以一旦裂缝出现,破坏都会随之而来.北方桥梁更应该保护好桥梁基础,对于冲刷出来的基础应该立即回填修补,防止季节性气候的温差变化对基础的损害.

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【责任编辑: 祝颖】

(Tian Hao, Chen Airong, Chen Liang. Probabilistic-Based Optimization of Maintenance Actions for Deteriorating RC Bridges[J].Journal of Tongji University: Natural Science, 2011,39(12):1732-1738.)

Analysis and Prevention of Cracks in Concrete Beam Bridge Based on Field Investigation

ZhangYannian1,LiYubing1,LiuChenglin1,ZhengYi2,GaoFei3,ShenXiaojun3

(1. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2. Building Materials Supervision and Inspection Institute of Liaoning Province, Shenyang 110032, China; 3. Chongqing Highway Engineering Quality Inspection Center, Chongqing 400060, China)

Abstract:In order to find out crack condition of concrete girder bridges and its influence, a field investigation of concrete girder bridges were conducted in Shenyang. The actual operating situations of concrete girder bridges were collected; the crack disease in main girder, pier, capping beam, abutment and foundation is analyzed. The results show that main girders tend to work with cracks, and cracks in box girder beam is more serious than that in T-shaped beam. Most cracks occur in both ends of the cap beam, and the situation will be more serious when lacking of preventing cracking members between cap beam and its both ends of block. The cracks in pier, especially in the lower pier, are more serious, which often leads to concrete crumbling and reinforcement corroding. The cracks mostly occur in the front wall and the junction of it and slope because of the lack of the reliable connection. The crack in the basis is the most serious. The failure will soon follow once the cracks happen because the foundation is mostly lying in the water. Finally, an effective prevention and control measure is put forward.

Key words:concrete beam bridge; field investigation; disease case; crack; disease control

收稿日期:2014-12-14

中图分类号:U 445.47+1

文献标志码:A

作者简介:张延年(1976-),男,辽宁沈阳人,沈阳建筑大学教授,博士.

基金项目:质检公益性行业科研专项项目(201510057); 辽宁省高等学校优秀人才支持计划(LR2014015); 重庆市自然科学计划项目(cstc2013yykfA30004); 沈阳市科技计划项目(F12-271-4-00).

文章编号:2095-5456(2015)02-0143-08