桥梁工程裂缝成因及防治措施

陈子龙

（江西嘉特信工程技术有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

随着桥梁在道路中的占比越来越大，在适应道路线形方面起到了不可替代的作用，但作为直接暴露在自然环境的大型工程设施，难免产生一些病害，其中裂缝是桥梁工程最常见的病害之一。虽然一些初期裂缝并不会对桥梁造成实质性影响，但随着时间的推移裂缝会不断扩展，进而造成大面积破坏，威胁桥梁安全，因此有必要在明确桥梁裂缝产生原因的基础上，探究有效的防治措施。

1 桥梁工程裂缝产生原因分析

桥梁在施工与使用过程中都可能产生裂缝。裂缝的种类和产生原因有多种，为了给裂缝修补及桥梁养护提供可靠依据，有必要对其进行深入分析。

（1）由温度作用产生的裂缝

如水泥水化过程、太阳光照射、环境温度、电弧焊接等都会引起冷热变化进而造成混凝土收缩或膨胀，在内部产生一定的温度应力，当温度应力超过极限强度后就会产生裂缝。该类裂缝具体产生原因有以下几种：①全年温差使桥梁产生纵向位移，但纵向位移往往会受到很大阻碍，进而产生温度裂缝；②日照作用，使温度梯度处于非线性分布状态，在直接受到光照的部位产生很大拉应力，进而产生裂缝；③温度骤变，如在极端恶劣天气条件下桥面温度剧烈变化，而内部结构温度并不会快速变化，从而产生很大的梯度变化，引起开裂[1]。

（2）由荷载作用产生的裂缝

桥梁工程施工与使用中会受到多种荷载的直接或间接作用，如静力、动力与次应力荷载等。在这些荷载的共同作用下，结构难免产生一定程度的损伤，进而出现裂缝。由此造成的裂缝可分为直接应力裂缝和二次应力裂缝。设计计算过程中，若结构实际受力和理论计算结果差异较大，当应力超出结构自身约束力后就会产生裂缝；桥梁施工中若未能严格遵照设计规划与图纸要求，也会导致结构产生裂缝。二次应力裂缝的产生原因主要为结构实际情况和所用计算方法及结果之间存在较大差异[2]。

（3）因地基变形产生的裂缝

桥梁施工与使用中，地基基础会由于诸多原因发生变形，包括水平位移与不均匀沉降，地基一旦产生变形将使结构受力发生变化，随之产生一定附加应力，导致桥梁结构开裂。导致地基产生不均匀沉降的原因有：桥梁施工过程中试验数据不够准确或完善，地质勘查过程中所用计算方法精度不够；结构基础类型差异较大，即在同一座桥梁中使用完全不同的基础，导致基础产生沉降有明显差异；地基的地质条件有明显差异，比如修建于河谷的桥梁，其山坡与河谷两个位置的地基有很大差异，表现为压缩性完全不同；地基发生冻胀，我国北方地区冬季气温普遍在0℃以下，如果地基土含水量较高，则会在低温条件下发生冻结，而在来年气温转暖后，地基土融化，导致地基沉降。

（4）因混凝土收缩产生的裂缝

混凝土硬化时必然产生一定程度的收缩，这种收缩现象会引起结构变形，产生裂缝。对于混凝土收缩，通常可分为缩水收缩和塑性收缩。干缩指混凝土强度不断增长时，伴随表面水分的持续蒸发，湿度降低，体积不断减小，内部收缩远小于外部，导致混凝土表面受到拉力，造成收缩性裂缝。塑性收缩是桥梁施工时，浇筑完成后5h水泥水化作用达到最激烈的程度，内部水分很快散失，混凝土中的骨料随着时间的推移开始下沉，此时混凝土内部并未达到足够硬化，产生塑性收缩。对此，施工时应做好水灰比控制，确定适宜的搅拌时间，竖向变截面部位浇筑应采用分层的方法，且浇筑完成后要进行养护[3]。

2 桥梁工程裂缝修补技术

桥梁裂缝不仅影响桥梁外观，还会影响结构，甚至威胁到桥梁使用安全。为此，在桥梁维护要及时发现并修补裂缝。当前桥梁裂缝修补方法主要包含两类，即单纯的裂缝修补与结构加固。

裂缝修补的目的在于防止裂缝不断发展导致钢筋外露而产生锈蚀，缩短结构寿命。修补后的裂缝能使结构构件回到开裂之前的状态，裂缝修补不会引起结构承载力的变化。修补前，需对裂缝进行调查，明确其类型、形态及尺寸，然后根据调查结果选择适宜的修补方法。在修补过程中，要充分考虑裂缝的产生原因及所处外部环境，确保在适宜的时间采用最佳的方法进行修补。目前较为常用的修补方法主要有以下几种。

（1）表面封闭法

主要用于非压力型裂缝修补，裂缝宽度一般不超过0.2mm，具体流程为：抹浆→凿槽嵌补→喷浆→填缝。该修补方法的主要缺点为只能对表面裂缝进行修补，无法修补深度较大的裂缝[4]。

（2）压力灌浆法

采用水泥等材料实施灌浆，确保浆液灌满裂缝。该修补方法能在保证良好耐久性的基础上满足结构构件的受力要求。

（3）表面粘贴法

通过在结构构件表面粘贴一层加固材料来修补裂缝。该方法能在解决裂缝病害的同时改善结构承载能力。

（4）体外预应力法

通过在结构体外施加一定的预应力来防止裂缝的产生。实践表明，在结构体外施加预应力后，能改善桥梁结构承载能力，提高耐久性，预防包含裂缝在内的一系列病害问题的发生。

3 桥梁工程裂缝加固技术

桥梁裂缝加固是指在桥梁结构性能降低时（裂缝修补完成后），为尽快恢复应有的承载力而采取适当措施对结构进行加固，以提高结构刚度与承载力，防止再次产生裂缝。桥梁裂缝修补完成后，若不进行加固处理，一段时间后会重新开裂，因此必须重视裂缝加固。常用加固方法有多种，不同方法的加固原理、适用条件及优缺点各不相同。

3.1 增大截面法

该方法是在开裂修补后结构表面通过浇筑混凝土等方式来增加截面，进而起到提高结构自身承载力的作用。按照加大截面部位的不同，该方法可分为以下两种：

（1）顶部加强，即对铺装层进行加强或增加面板厚度，使截面高度方向上分布的应力发生变化，进而起到提高承载力的作用。

（2）底部加强，大多在主梁底部进行，并配合增大截面钢筋的面积，同时处理原结构表面，用于保证最终的加固质量与效果。目前该方法已经十分成熟，在提高结构承载力与改善截面刚度方面都有显著的效果，计算也比较简单。

3.2 外包钢法

该方法在开裂修补完成后通过在结构外部增加钢材来实现加固的目的，适用于截面相对较大但承载力不足的结构，具体可分为干式和湿式两种。该方法最主要的优点为施工较简单，完成加固后结构受力均匀，且相较于其他加固方法，有更好的加固效果。然而，该方法需在梁上打很多孔，即便可以在梁根部进行外包钢，柱上节点处理也十分复杂，另外，外包钢还存在容易腐蚀的问题。

3.3 锚栓与钢板法

该方法借助高强锚栓将钢板锚固在开裂后修补构件表面，促使钢板与待加固结构构件形成一体，实现共同受力。采用锚固的方法固定钢板能防止发生掉落，最大限度地发挥钢板性能，直接承受外部压力作用，提升结构体系抗弯承载力。

3.4 粘贴钢板法

该方法在开裂后修补结构表面直接粘贴一层钢板，原理和锚栓与钢板法相同，但该方法主要用于受拉区，能提升结构体系的抗开裂能力、抗弯和抗剪性能，基本不会改变结构形状，从20世纪70年代开始成为增大截面法的主要替代方法。但伴随该方法的日益普及，其缺点也不断暴露，如加固效果受黏结工艺和实操水平的直接影响，最终的加固效果可能无法达到预期。

3.5 高强复合纤维法

碳纤维增强塑料作为新型材料之一，不仅重量较轻，而且有很高的强度，最早应用在军事领域，伴随其研发成本不断降低和相关技术日益成熟，开始在诸多民用项目中使用，如广泛用于桥梁工程中并产生了以其为核心的结构加固方法，尤其在裂缝加固中能有效加固裂缝修补后的结构。该方法借助高强度黏结剂将碳纤维增强塑料粘贴在需要加固的结构构件上，进而和原结构一同承受所有作用，减缓裂缝的产生和发展，其主要优势如下：

（1）不会增加结构自重与尺寸。纤维材料的单位面积重量只有200～300g/m2，同时厚度一般不超过0.167mm，基本不改变结构自重，还能按照补强要求实施多层粘贴，这是其他加固方法无法实现的。

（2）适应构件外形，成型比较方便。对于形状复杂、特殊的结构构件进行加固时，传统方法施工流程往往十分复杂，但该方法能降低施工难度和复杂度，缩短加固工期，降低相应的经济成本。

（3）不会对结构构件造成损坏。只采用专门的胶黏剂将预先准备好的纤维材料粘贴到待加固结构的表面，对结构的影响相较于其他加固方法要小。

（4）可大幅提高结构自身承载力。根据实验结果可知，采用该方法完成加固后，若粘贴3层，则结构延性可以提高至少60%，其原理为纤维材料能限制结构发生变形与破坏。

（5）化学性质稳定，耐腐蚀能力强。在酸性或碱性条件下基本不会发生反应，能减少防腐成本，加固质量效果相较于其他方法更易于保证。

3.6 预应力法

基于预应力技术的结构加固方法广泛应用于桥梁工程。相较于其他结构，桥梁有很大的恒载，结构加固时必然承受很大的荷载，使加固材料和原结构之间无法一同作用，产生滞后性，而预应力法能从本质上解决这一问题。按照具体加固方式的不同，预应力法可分为黏结法与体外法两种。

3.7 改变受力体系法

该方法借助托梁实施拔柱或通过增加支点促使结构受力体系产生变化，其中以增加支点数量的方法较为常用，其主要优势为能减小力矩、跨中截面部位的挠度、裂缝缝宽，提升桥梁结构受力性能。另外，该方法在施工可操作性上具有很大优势，故得以广泛使用，其缺点是会减小桥梁优先使用空间。

4 桥梁加固方法选用原则

通过以上分析可知，桥梁加固方法多种多样，在实际情况中选取具体加固方法时，要充分考虑以下原则：

（1）尽可能减小交通影响。对于仍需使用的桥梁，在加固过程中不能长时间中断正常交通，或尽可能减小给交通造成的影响，这是选择加固方式时必须充分考虑的因素，同时也是桥梁加固时必须达到的基本目标。

（2）综合比选裂缝加固方案的过程中，要综合考虑桥梁与交通的承载力和桥梁自身实际状况，不同裂缝加固方式的优缺点和适用条件不同，在某一座桥梁中较为适用的裂缝加固方案不一定适合其他桥梁，所以在方案设计过程中必须结合实际，保证加固方案的针对性。

（3）在确定加固方案时还应考虑耗时与成本，从机械设备、材料、人工与后期养护方面综合比选方案的经济性，综合考虑现场施工条件和环境因素，选择经济合理的方案；分析外部环境可能给结构耐久性造成的影响，以保证最终方案的可行性。

（4）如果方案的经济性差，则可拆除部分结构重新建设，不可局限于仅对桥梁结构实施加固。

5 结语

综上所述，桥梁在施工与使用期间均可能产生裂缝，导致裂缝产生的原因主要有温度、荷载、地基变形与混凝土收缩。裂缝一旦产生，如果没有得以及时有效的处理，可能造成严重破坏，产生安全隐患，因此应在及时发现裂缝的同时，根据裂缝的形状、产生原因，结合现场施工条件，选择适宜的修补或加固技术，消除裂缝，并改善结构构件性能，延长桥梁使用寿命。