浅析桥梁工程中混凝土裂缝的成因

刘春俏 王勇

摘 要： 混凝土桥梁裂缝产生的原因，随着社会的发展，我国交通基础建设得到迅猛发展，各地兴建了大量的混凝土桥梁。混凝土早已经成为当今世界建筑結构中使用最广泛的建筑材料之一。它取材广泛、价格低廉、抗压强度高、可浇筑成各种形状，并且耐火性好、不易风化、养护费用低。其最主要的缺点是抗拉能力差，容易开裂。大量的工程实践和理论分析表明，几乎所有的混凝土构件均是带裂缝工作，甚至有些裂缝是肉眼看不见的（<0.05mm）。这种裂缝一般对结构的使用无大的危害，允许其存在;有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下，不断产生和扩展，引起混凝土碳化、保护层剥落、钢筋腐蚀，使混凝土的强度和刚度受到削弱，耐久性降低，严重时甚至发生垮塌事故，危害结构的正常使用。

关键词： 混凝土;桥梁;裂缝

近几年来有关因出现裂缝而影响工程质量甚至导桥梁垮塌的报道屡见不鲜。混凝土开裂可以说是工程质量的一个棘手通病，经常困扰着桥梁工程技术人员。从分析裂缝产生的原因来看，如果采取一定的设计和施工措施，很多裂缝是可以克服和控制的。本文将从对混凝土桥梁裂缝的认识出发，尽可能对混凝土桥梁裂缝的种类和产生的原因作较全面的分析，以便设计、施工找出控制裂缝的可行办法，减少和减轻混凝土裂缝产生对桥梁的危害。

一、混凝土桥梁裂缝种类、成因

从实际的施工中发现，混凝土结构裂缝的成因非常复杂，很多种因素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。混凝土桥梁裂缝的种类，就其产生的原因，大致可划分如下几种：

（一）、荷载引起的裂缝

荷载裂缝分为直接应力裂缝、次应力裂缝两种。荷载裂缝指混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝。

1、直接应力裂缝

直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：

（1）设计阶段。结构设计时没有充分考虑施工条件;断面设计不足;钢筋设置数量偏少或布置错误;结构刚度不足;构造处理不当;设计交底不清等。结构计算时个别部分不计算或漏算;计算模型不合理;结构受力假设与实际受力不符;荷载少算或漏算;内力与配筋计算错误;结构安全系数不够;没能充分考虑模板、拱架和支架的自重;新浇筑混凝土及振捣混凝土时的荷载。

施工阶段。施工单位不能严格按设计图纸施工，私自变更施工顺序、改变结构受力模式;随意堆放施工机具、施工材料，增加主体结构的荷载;不了解预制构件的受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装。

（3）使用阶段。受车辆、船舶的接触、撞击;发生大风、大雪、地震、爆炸等。超载重型车辆通过桥梁。

2、次应力裂缝

次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：

在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。

（2）桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。研究表明，受力构件挖孔后，力流将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。在长跨预应力连续梁中，经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。

实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。次应力裂缝也是由荷载引起，仅是按常规一般不计算，但随着现代计算手段的不断完善，次应力裂缝也是可以做到合理验算的。例如现在对预应力、徐变等产生的二次应力，不少平面杆系有限元程序均可正确计算。在设计上，应注意避免结构突变（或断面突变），当不能回避时，应做局部处理，如转角处做圆角，突变处做成渐变过渡，同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。

3、荷载裂缝及特征

（二）、温度变化引起的裂缝

混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或原有混凝土的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力，有时温度应力可超过其它外荷载所起的应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。在某些大跨径桥梁中，温度应力可以达到甚至超出活载应力。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。温度变化引起的裂缝，主要原因有：

（1）、年温差。一年中四季温度不断变化，但变化相对缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移，一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调，只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝，例如拱桥、刚架桥等。我国年温差一般以一月和七月月平均温度的作为变化幅度。考虑到混凝土的蠕变特性，年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。

（2）、日照温差。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后，温度明显高于其它部位，温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。日照和下述骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。

（3）、骤然降温。突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实桥资料进行，混凝土弹性模量不考虑折减。

（4）、水泥水化热。出现在施工过程中，大体积混凝土浇筑之后由于水泥水化放热，致使内部温度很高，内外温差太大，致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况，尽量选择水化热低的水泥品种，限制水泥单位用量，减少骨料入模温度，降低内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内部散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热。例如：全面分层、分段分层、斜面分层浇筑等。

二 、收缩引起的裂缝

在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中，塑性收缩和缩水收缩（干缩）是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和炭化收缩。

（一）、缩水收缩（干缩）

混凝土结硬以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为缩水收缩（干缩）。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。如配筋率较大的构件（超过3%），钢筋对混凝土收缩的约束比较明显，混凝土表面容易出现龟裂裂纹。

（二）、塑性收缩

发生在施工过程中、混凝土浇筑后4～5小时左右，此时水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉，因此时混凝土尚未硬化，称为塑性收缩。塑性收缩所产生量级很大，可达1%左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处如T梁、箱梁腹板与顶底板交接处，因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝。为减小混凝土塑性收缩，施工时应控制水灰比，避免过长时间的搅拌，下料不宜太快，振捣要密实，竖向变截面处宜分层浇筑。

（三）、炭化收缩。

大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。炭化收缩只有在湿度50%左右才能发生，且随二氧化碳的浓度的增加而加快。炭化收缩一般不做计算。

混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。

三、材料质量引起的裂缝

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌合水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格，可能导致结构出现裂缝。拌合水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。采用海水或碱泉水拌制混凝土，或采用含有碱的外加剂，可能对碱骨料反应有影响。