桥梁裂缝的成因分析及防护加固措施

2017-03-01姚金涛

黑龙江交通科技 2017年12期

姚金涛

(宁夏公路勘察设计院有限责任公司，宁夏银川 750000)

1 前言

随着我国桥梁建设的飞速发展，越来越多的混凝土桥梁投入运营使用，但从桥面铺装、桥跨结构到墩柱、下部基础的混凝土开裂问题，一直困扰着工程技术人员。混凝土裂缝有些直接影响结构的承载安全，不引起重视将会引发毁灭性的结构破坏；有些虽然不对结构安全产生影响，但因为裂缝形成的结构初始损伤，使得产生钢筋锈蚀、混凝土剥落等病害问题，严重影响结构的使用寿命。此外，混凝土开裂的因素有多种，如果不掌握裂缝的形成机理，势必难以恢复或提升结构状态。

本文详细归纳桥梁裂缝的形成原因，对其产生机理进行深入剖析，在明确形成机理的基础上提出相关加固措施，避免病害的进一步拓展，并有效保证桥梁的运营安全。

2 桥梁裂缝的类型与特点分析

桥梁裂缝的类型多种多样，根据裂缝的受力特性可以分为结构性裂缝和非结构性裂缝，结构性裂缝表明开裂与结构受力相关，非结构性裂缝则往往与混凝土品质有关，并不是由于结构受力所引起的。

结构性裂缝根据受力特点分为受弯裂缝、受剪裂缝和局部承压裂缝。受弯裂缝表现为与结构受弯内力方向垂直开裂，裂缝贯穿构件横截面，间距大体相等，且垂直于受力方向，例如混凝土连续梁桥底板横向裂缝是由于纵向抗弯性能不足引起，底板纵向裂缝是由于横向抗弯性能不足导致。受剪裂缝则主要分布在腹板上沿斜向开展，是由于腹板主拉应力过大所引起的，例如连续梁桥支座处腹板斜向开裂。局部承压裂缝则是因为局部应力过大，导致结构出现抗压失效引起的开裂问题，常见的有预应力锚固区设计不当引起的开裂，桥面板设计太薄引起的顶板与腹板连接处开裂等，局部承压裂缝的分布没有一致方向性，往往是集中分散分布。

非结构性裂缝的形成与受力因素无关，主要是混凝土材料性能所导致的，例如混凝土品质差、配比不合理、和易性不足等使得浇筑完成后混凝土收缩徐变引起表面开裂，非结构性裂缝往往很细小，零散分布、没有规律性，这些裂缝的产生根源是混凝土材料性能差或者施工养护不足所导致。

结构性裂缝如果不进行修复和加固，会引起结构性失效和破坏，这对于整个桥梁的运营安全都是很大的威胁；非结构性裂缝虽然不与结构安全直接联系，但是会提高构件的退化速率，降低结构的使用寿命，同样需要引起足够重视。

3 桥梁裂缝的成因分析

3.1 混凝土原材料

混凝土原材料品质不仅仅是非结构性裂缝产生的根源，也是结构性裂缝的重要因素。原材料品质差直接形成了混凝土初始的缺陷，因此开裂的风险大大增加。影响混凝土原材料品质的重要因素是水泥、骨料和水的使用。

水泥是混凝土的胶凝材料，水泥质量差例如采用已经硬化的水泥，则会使得混凝土强度直接降低，从而更容易开裂；另外，当水泥出厂时强度不足或者已经受潮、含碱量太高等，都可能引起碱骨料反应从而降低混凝土结构性能。骨料则是混凝土的结构框架，如果骨料的级配不合理、杂质含量多、强度不满足等，都会直接影响混凝土强度，使得混凝土收缩增加，容易形成初始裂缝缺陷，无论是受力还是不受力情况都会导致开裂问题。水是混凝土和易性的重要来源，拌合水中杂质过高会对钢筋锈蚀有很大影响，采用海水或者碱含量较大的水拌合混凝土都是不可行的。

3.2 设计施工不合理

设计施工不合理是很多早先建设的桥梁结构出现过早开裂的重要因素，设计的不合理体现在对结构受力行为的错误估计上，施工不合理则是受限于施工工艺或者施工组织管理不当所产生的，这方面的成因详细分析如下。

设计不合理的例如钢筋混凝土截面不够、梁体跨度过大、高度偏小、配筋不足等，都会使得梁体产生结构性裂缝，设计中还需要尽可能地避免截面的突变问题，保证钢筋设计的连续性。设计不合理的产生源于对结构受力性能的把握不足特别是早先设计的桥梁结构由于计算手段的限制，因此很多设计都是采用经验方法进行，但对于新型结构则存在很大的不适用性，随着现代计算理论和手段的发展，基本可以克服设计不合理所引起的桥梁开裂问题。

施工质量控制不当是产生开裂的另一重要因素，施工中模板的下沉、过早拆除模板导致的混凝土冷激效应、振捣不均匀及养护周期不足等，都会使得混凝土过早开裂。另外，施工人员不严格按照施工工序操作、控制不严格等行为也会引起桥梁的开裂问题，因此需要严格控制施工工艺，确保建设质量。

3.3 自然环境作用

自然环境作用是导致桥梁开裂的另一关键因素，这其中环境作用主要是温度的影响。温度对桥梁的开裂影响可以从整体温差和梯度温度两方面考虑。整体温差层面，一年四季温度不断发生变化，这些变化对于部分超静定桥梁结构会产生附加与约束内力，当约束内力较大叠合其他荷载效应超过混凝土抗拉强度时，就会引起结构开裂和失效。例如拱桥、钢架桥等结构体系对整体升降温的作用就比较敏感。日照温差则是一种非线性梯度温度，表现在日照作用下向阳面结构温度显著大于其他部分，由于温度在结构内部分布的非线性引起截面自身的约束应力，从而产生开裂出现裂缝。

3.4 桥梁荷载影响

桥梁荷载的影响也是引起开裂的因素，表现为设计对荷载考虑的不足，实际荷载远大于结构所能够承担的，从而引起开裂问题。

施工阶段因为一些临时结构，需要增加临时荷载，这部分荷载如何考虑不周全就会引起开裂乃至破坏。例如施工中在桥梁上堆放大量的施工机具和材料，进行随意的起吊和翻身，使用超过规定的重型机械设备等。运营中的荷载影响则更加显著，例如运营车辆荷载作用，突发船舶撞击效应等，这些都是设计中没有准确考虑的，使得结构在运营中损伤不断累积，导致开裂进而引发结构失效破坏。以车辆荷载为例，目前诸多独柱墩曲线梁桥发生垮塌失效问题，这关键的因素就是运营荷载过大，这些倒塌桥梁无一例外是因为多辆超载重车集中作用所产生的。

4 桥梁裂缝的防护加固措施

4.1 裂缝防护措施

裂缝的防护需要从原材料选用、设计施工标准混、运管管理三方面进行考虑。原材料方面需要选用满足要求的产品，特别是水泥材料、骨料级配、水源等，对这些原材料的选用制定严格的标准，从根本上保证混凝土的品质。设计中需要对桥梁结构的各个构件受力性能把握准确，通过多次复核校验确保设计的准确性，同时需要保留一定的设计富余量。施工中应该制定施工指南和标准，施工人员严格按照施工流程进行操作，建立完善的施工组织管理制度，对各个工序各个工种进行管控，确保施工建设质量。运营中需要根据桥梁结构状态实时调整运维策略，如果发现桥梁退化严重，应该控制过桥重车，严格限制超载问题，确保桥梁的运营安全，同时可以建立结构状态预警系统，避免桥梁出现结构性的失效。

4.2 裂缝加固措施

裂缝加固首先需要对裂缝进行修补，然后对桥梁整体状态进行评估以确定是否需要额外的加固措施。

桥梁裂缝的处置，无论是结构性受力裂缝还是非结构性裂缝，都需要对裂缝本身进行修复，采用裂缝灌浆可以使得裂缝得以闭合，避免开裂引起结构安全问题和使用寿命折减问题。非结构性裂缝需要采用水泥浆进行灌注修复，而结构性裂缝则应该采用高强砂浆或者聚合物进行修复，保证修复后的裂缝仍然有受力能力。裂缝修复的主要过程是：首先，对已经开裂的表面进行凿除，使得漏出完整的原混凝土结构，这样可以确保裂缝氧化区和新浇筑区域粘结完好；其次，对凿除部位进行清洗，确保平整及粘结完好；最后，涂抹裂缝修复剂，将病害和裂缝进行修复灌注，使得新灌注材料与原有界面粘结完好。

对于开裂严重影响结构性能改变的桥梁，还需要进行加固才能保证桥梁进一步使用的性能，目前主要加固手段有黏贴钢板加固、碳纤维加固和预应力加固等方式，这些应该在裂缝修复完成后进行。