混凝土桥梁裂缝的形成机理及控制措施研究

温鹏

摘要：针对桥梁裂缝问题，重点研究了混凝土桥梁裂缝的形成机理和控制措施。在桥梁裂缝形成机理部分，首先总体概述了桥梁裂缝的形成机理，然后从荷载原因、温度原因、收缩原因、基础变形和钢筋锈蚀等方面分析了桥梁裂缝的形成机理。在控制措施部分，重点介绍了桥梁裂缝的修补方法和加固方法。在桥梁裂缝修补方法方面，阐述了表面封闭修补方法、压力灌浆修补方法等两种常用方法。在桥梁加固方法方面，介绍了增大截面和配筋的加固方法、喷混凝土加固方法和粘贴钢板（筋）加固方法等三种方法。

Abstract： In view of the crack problem of bridges， the formation mechanism and control measures of cracks in concrete bridges are mainly studied. In the formation mechanism of bridge cracks， the formation mechanism of bridge cracks is firstly summarized， and then the formation mechanism of bridge cracks is analyzed from the aspects of load causes， temperature causes， shrinkage causes， foundation deformations and steel corrosion. In the control measures section， the repair methods and reinforcement methods for bridge cracks are highlighted. In the aspect of bridge crack repair method， two common methods such as surface sealing repair method and pressure grout repair method are described. In the aspect of bridge reinforcement method， three methods of increasing the section and reinforcement， the method of strengthening the shotcrete and the method of reinforcing the steel plate are introduced.

關键词：混凝土桥梁；裂缝；形成机理；控制措施

Key words： concrete bridge；crack；formation mechanism；control measures

中图分类号：TU755 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）33-0086-03

0 引言

随着经济的持续发展，我国交通运输量的逐年增加对桥梁的承载能力造成严重挑战。随着使用时间的逐年推移，在自然环境（如空气的温度与湿度，以及腐蚀物影响）和使用环境（桥梁的荷载与疲劳程度等）的共同作用下，桥梁的部分位置常出现裂缝现象，而裂缝多演变为桥梁的多种病害问题，严重危及桥梁的承载力、耐久性等。同时，裂缝除影响桥梁承载力外，其还会引发钢筋锈蚀问题，进而影响桥梁的使用寿命，降低其使用功能和安全系数。此外，混凝土桥梁的结构破坏乃至坍塌，多由裂缝发展而来。而且，调查结果显示，我国已建桥梁中普遍存在裂缝问题，严重影响了混凝土桥梁的设计与使用寿命。因此，探究混凝土桥梁裂缝的形成机理，并制定桥梁裂缝的控制措施，成为本文的研究主题。

1 桥梁裂缝的形成机理研究

1.1 裂缝形成机理的概述

当前，混凝土桥梁的裂缝形成的影响因素较多，对桥梁裂缝的成因进行全面系统的研究，是发掘桥梁病害的产生原因及衍生机理的重要前提。因此，本文对混凝土桥梁裂缝的形成机理进行研究，不仅可发现裂缝的形成原因，还可为混凝土桥梁裂缝的危害性评定及后续桥梁裂缝的控制，提供参考依据。

因此，在桥梁裂缝的形成机理部分，本文重点探究引发桥梁裂缝的各种原因。因桥梁裂缝的成因较多且彼此之间相互影响，本文将其成因归纳为荷载、温度、收缩等因素。

1.2 裂缝形成机理分析

1.2.1 荷载原因导致的裂缝

荷载裂缝是指混凝土桥梁受动荷载、静荷载以及应力作用等共同影响所形成的裂缝，业界与学界对该种裂缝关注较早。该种形式裂缝产生的主要原因有：①设计原因。受设计人员自身技术与知识经验限制，致使结构设计的计算结果存在较大误差，导致完工后的桥梁结构的实际受力情况与理论受力情况之间的偏差较大。②施工原因。桥梁施工质量的优劣直接影响桥梁承载能力以及裂缝产生情况。当前，我国桥梁施工过程中，存在管理体制不完善，组织协调能力较差，偷工减料情况较严重等问题，上述问题可直接或间接导致桥梁裂缝产生。此外，刻意压缩工期、变相缩减成本、随意变换施工顺序等，亦会致使桥梁裂缝产生。③使用原因。在混凝土桥梁使用阶段，其裂缝产生的主要原因包括：车辆超载，车船与桥梁之间的接触和撞击，风雪荷载的影响，以及地震、爆炸等外部因素的影响。

1.2.2 温度原因导致的裂缝

因混凝土的热胀冷缩特性明显，当混凝土桥梁的内外部温差变化较大时，则混凝土桥梁会发生不同程度的变形。温度裂缝相对于其他形式裂缝，主要差异点在于温度裂缝的张缩直接受温度变化的影响。引起温度裂缝的因素主要有：①年温差问题。一般而言，年温差对桥梁结构的影响，主要集中于纵向位移方面。在温度差异存在的情况下，当纵向位移受其他多余约束作用时，会在一定程度上导致温度应力和温度裂缝的产生。②日照因素。受太阳的照射范围、角度等差异影响，混凝土桥梁各部位所承受的温度存在不同。同时，太阳直射部位相对于其他部位而言，温度明显较高。由此，致使导致桥梁各个部位的温度存在不均匀分布。③水化热因素。在混凝土桥梁施工过程中，若一次性浇筑大体积混凝土，则所浇筑部件所产生的水化热难以向外部散发，由此，受混凝土构件内外部温差较大的影响，其极易产生较为明显的温度裂缝。④在混凝土桥梁的养活阶段和冬季施工的过程中，混凝土桥梁构件的内外部温差较大，易出现裂缝。

1.2.3 收缩原因导致的裂缝

混凝土桥梁中，由收缩引发的裂缝较为普遍。常见的收缩裂缝种类包括塑性收缩和缩水收缩两种类型。①塑性收缩是指混凝土桥梁在浇筑完成后的较短一段时期内，受水泥水化反应的影响，混凝土的水分蒸发情况较为严重，致使混凝土内部失水情况明显，最终随着骨料自重的影响发生收缩现象。②缩水收缩是指混凝土桥梁在完成凝结后，其表面水分随着凝结时间的延续，呈现不断蒸发现象，引起混凝土体积缩小。当混凝土收缩至一定程度时，混凝土将产生缩水收缩裂缝。

1.2.4 基础变形导致的裂缝

基础变形裂缝是指，当混凝土基础发生竖向不均匀沉降或者在一定范围内水平位移时，会产生附加应力，进而引发桥梁出现结构裂缝。基础变形裂缝产生的原因主要为桥梁所处地区的地质存在较大差异，基础建造时间不同，原地质环境条件发生变化，勘察设计资料存在偏差，基础中不同位置的荷载差异较大，地基受冻现象严重，桥梁基础处于不良地质环境中。因此，桥梁基础在建设过程中，应重视所处位置的地质环境，保证勘察设计资料的准确性，保持各个构件受力一致性。

1.2.5 钢筋锈蚀导致的裂缝

受潮濕环境影响，由钢筋锈蚀导致的桥梁裂缝常出现于桥墩、箱梁底板等部位。钢筋锈蚀裂缝产生的主要原因是混凝土保护层厚度存在不足，然后钢筋与介入的二氧化碳发生反应，导致周边碱度降低，引起钢筋锈蚀。此外，氯化物等易导致周边氯离子的比例较高，导致氧化膜破坏，造成钢筋锈蚀。钢筋锈蚀会导致桥梁承载能力降低，使用寿命不能满足预期要求，甚至可能引发其他形式裂缝出现。

2 桥梁裂缝的控制措施研究

混凝土桥梁裂缝的控制措施主要为桥梁裂缝维修以及桥梁加固等。在桥梁通车后，定期进行检查、养护与维修工作，是保证桥梁结构安全、提升其耐久性的重要措施。桥梁裂缝的维修工作包括修补混凝土的空洞、裂缝，清理钢筋铁锈，补设通风设施等。同时，其加固措施包括上部和下部结构加固。

2.1 桥梁裂缝的修补方法

2.1.1 表面封闭修补方法

桥梁裂缝的表面封闭修补方法主要用于不影响桥梁承载力、灌入注浆材料的难度较大、亟需进行桥梁的大面积防渗漏。其主要方法包括：①水泥砂浆涂抹方式。该修补方式的主要过程为，首先清理裂缝区域的混凝土表面的槽毛，然后清扫干净混凝土表面，并将其润湿，最后抹水泥浆。②表面喷浆方式。该方式的主要内容为首先检查桥梁构件表面的缺陷程度，并修补其缺陷，然后清楚桥梁构件的露筋铁锈，最后，将构件表面润湿并进行喷浆。

2.1.2 压力灌浆修补方法

桥梁裂缝的压力灌浆修补方法主要工作原理为，首先配置低浓度浆液，然后借助灌浆加压设备将其注入桥梁构件的裂缝中以封闭裂缝。该方法所需流程较为复杂，且对各个施工环节要求较高，其施工质量对加固效果起决定性作用。该方法的主要流程为：①裂缝检查与处理环节。检查拟修补部位的裂缝情况，并做好测量和记录工作，清理该部位裂缝表面存在的油污及杂质等。②该方法的第二步为采用裂缝表面固定或钻孔固定的方式，粘贴注浆嘴。③该步为检查注浆工作过程中的密封情况，密封质量的优劣对灌浆质量起决定性作用，可通过压水的方式进行检测。④该步为配制注浆液，该步骤应综合考虑浆体稠度，以提升灌浆质量。⑤当灌浆材料固化后，可进行后续相关的处理工作，恢复对裂缝位置的美观要求。此外，还需对试块进行试验，以保证灌浆效果。

2.2 桥梁结构的加固方法

2.2.1 增大截面和配筋的加固方法

该方法是指采用与原桥梁构件相同标号的混凝土与钢筋，通过增大桥梁构件的截面，以提高桥梁的承载能力，主要应用于桥梁的刚度、强度等出现不足情况时。该方法的核心工作原理为，增加桥梁受拉区域的钢筋数量，扩大桥梁构件受压区的面积，从而实现提高桥梁构件的抗弯刚度与强度的目的。同时，可根据上述进一步将其分为以加大桥梁构件截面面积和增加构件钢筋数量为主的桥梁加固方案。该方法的优点为适应性强，施工工艺的流程较为简单，对车辆通行的影响程度较小，并且加固效果较为明显。该方法的缺点在于相关流程的施工工期相对较长，并在一定程度上增加桥梁的自重。

2.2.2 喷混凝土加固方法

该方法是指借助专业机械在现有构件的基础上，采用喷涂的方式，喷涂一层混凝土。该方法可在一定程度上增加原有混凝土的强度，加大桥梁构件的受力面积，可较为有效的保护桥梁结构的钢筋，并可改善其外观。该方法通常用于桥梁结构破坏程度较小的情况。该方法在加固工作进行之前，应分析裂缝的影响程度，评估桥梁现有的承载能力。同时，在施工过程中，应不断进行强度测算，以保证其承载能力。

2.2.3 粘贴钢板（筋）加固方法

该方法主要是将加固工作所需的钢板、钢筋等材料通过粘合材料，将其粘贴于桥梁构件的受拉位置的边缘或者薄弱位置，以提升其承载能力。该方法具有施工简单，工期短，构件外形影响小，经济效益高等特点。该加固方式的使用条件是：在使用过程中，桥梁出现受拉主筋，以及配筋等较为不足的情况；桥梁构件中的受力钢筋被破坏，不能继续正常使用；为提升桥梁构件的耐久性和刚度等。该种加固方式，是为了是钢板与原桥梁结构连成统一整体，从而增强其荷载承受能力。此外，为解决桥梁结构的分阶段受力问题，还应适当增大原受拉钢筋承受的容许应力，但不应高于其屈服应力，并应控制该区域混凝土的压应力情况。

3 结论

随着使用时间的增长，在自然环境和使用环境的共同作用下，桥梁的部分位置常出现裂缝现象，而裂缝多演变为桥梁的多种病害问题。上述问题将严重危及桥梁的承载力、耐久性等。同时，裂缝除影响桥梁承载力外，还会引发钢筋锈蚀问题，进而影响桥梁的使用寿命，降低其使用功能和安全系数。此外，混凝土桥梁的结构破坏乃至坍塌，多由裂缝发展而来。因此，探究混凝土桥梁裂缝的形成机理，并制定桥梁裂缝的控制措施，是本文的主要研究内容。

针对上述问题，本文重点研究了混凝土桥梁裂缝的形成机理和控制措施。在桥梁裂缝形成机理部分，首先总体概述了桥梁裂缝的形成机理，然后从荷载原因、温度原因、收缩原因、基础变形和钢筋锈蚀等方面，分析了桥梁裂缝的形成机理。在控制措施部分，本文重点介绍了桥梁裂缝的修补方法和加固方法。在桥梁裂缝修补方法方面，本文阐述了表面封闭修补方法、压力灌浆修补方法等两种常用方法。在桥梁加固方法方面，本文介绍了增大截面和配筋的加固方法、喷混凝土加固方法和粘贴钢板（筋）加固方法等三种方法。

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