市政工程施工技術(shù)監(jiān)理徐文婷.doc

橋梁裂縫產(chǎn)生原因深淺徐文婷（南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南通 226010 ）摘要：大量的橋梁在遠沒有達到預(yù)期使用壽命時，出現(xiàn)了影響正常使用的病害與劣化；特別是一些橋 梁在只使用了幾年、甚至剛建成不久就出現(xiàn)嚴重的耐久性不足的問題，這也與施工質(zhì)量低下有重 要關(guān)系。關(guān)鍵詞： 混凝土；溫度；地基礎(chǔ)；鋼筋銹蝕；凍脹；施工材料質(zhì)量Bridge crack causes depth XU Wen-ting（Nan tong shipping college, Jiangsu Nantong 226010 ）Abstract: a lot of Bridges in far did not reach service life, appeared affect normal use of diseases and degradation; Especially some bridge Beam in only used a few years, or even just built soon appear serious shortage of the durability, this also with low quality of construction have important relationship. Keywords: concrete; temperature ; based ; to corrosion of reinforcement ; frost heaving ; construction material quality 正文：近年來，交通基礎(chǔ)建設(shè)得到迅猛發(fā)展，各地興建了大量的混凝土橋梁。在橋梁建造和使用過程中，有關(guān)因出現(xiàn)裂縫而影響工程質(zhì)量甚至導(dǎo)橋梁垮塌的報道屢見不鮮。其實，如果采取一定的設(shè)計和施工措施，很多裂縫是可以克服和控制的。為了進一步加強對混凝土橋梁裂縫的認識，盡量避免工程中出現(xiàn)危害較大的裂縫，本文盡可能對混凝土橋梁裂縫的種類和產(chǎn)生的原因作較全面的分析、總結(jié)，以方便設(shè)計、施工找出控制裂縫的可行辦法，達到防范于未然的作用。一、混凝土橋梁裂縫種類、成因?qū)嶋H上，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜而繁多，甚至多種因素相互影響，但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要原因。混凝土橋梁裂縫的種類，就其產(chǎn)生的原因，大致可劃分如下幾種：一、荷載引起的裂縫混凝土橋梁在常規(guī)靜、動荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱荷載裂縫，歸納起來主要有直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：1、 設(shè)計計算階段，結(jié)構(gòu)計算時不計算或部分漏算；計算模型不合理；結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實際受力不符；荷載少算或漏算；內(nèi)力與配筋計算錯誤；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠。結(jié)構(gòu)設(shè)計時不考慮施工的可能性；設(shè)計斷面不足；鋼筋設(shè)置偏少或布置錯誤；結(jié)構(gòu)剛度不足；構(gòu)造處理不當；設(shè)計圖紙交代不清等。2、 施工階段，不加限制地堆放施工機具、材料；不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)受力特點，隨意翻身、起吊、運輸、安裝；不按設(shè)計圖紙施工，擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力模式；不對結(jié)構(gòu)做機器振動下的疲勞強度驗算等。3、 使用階段，超出設(shè)計載荷的重型車輛過橋；受車輛、船舶的接觸、撞擊；發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等。次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：a、 在設(shè)計外荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)物的實際工作狀態(tài)同常規(guī)計算有出入或計算不考慮，從而在某些部位引起次應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。例如兩鉸拱橋拱腳設(shè)計時常采用布置“X”形鋼筋、同時削減該處斷面尺寸的辦法設(shè)計鉸，理論計算該處不會存在彎矩，但實際該鉸仍然能夠抗彎，以至出現(xiàn)裂縫而導(dǎo)致鋼筋銹蝕。b、 橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽、開洞、設(shè)置牛腿等，在常規(guī)計算中難以用準確的圖式進行模擬計算，一般根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置受力鋼筋。研究表明，受力構(gòu)件挖孔后，力流將產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，在孔洞附近密集，產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中。在長跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁中，經(jīng)常在跨內(nèi)根據(jù)截面內(nèi)力需要截斷鋼束，設(shè)置錨頭，而在錨固斷面附近經(jīng)?？梢钥吹搅芽p。因此，若處理不當，在這些結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處或構(gòu)件形狀突變處、受力鋼筋截斷處容易出現(xiàn)裂縫。實際工程中，次應(yīng)力裂縫是產(chǎn)生荷載裂縫的最常見原因。次應(yīng)力裂縫多屬張拉、劈裂、剪切性質(zhì)。次應(yīng)力裂縫也是由荷載引起，僅是按常規(guī)一般不計算，但隨著現(xiàn)代計算手段的不斷完善，次應(yīng)力裂縫也是可以做到合理驗算的。例如現(xiàn)在對預(yù)應(yīng)力、徐變等產(chǎn)生的二次應(yīng)力，不少平面桿系有限元程序均可正確計算，但在40年前卻比較困難。在設(shè)計上，應(yīng)注意避免結(jié)構(gòu)突變（或斷面突變），當不能回避時，應(yīng)做局部處理，如轉(zhuǎn)角處做圓角，突變處做成漸變過渡，同時加強構(gòu)造配筋，轉(zhuǎn)角處增配斜向鋼筋，對于較大孔洞有條件時可在周邊設(shè)置護邊角鋼。荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現(xiàn)不同的特點。這類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動嚴重部位。但必須指出，如果受壓區(qū)出現(xiàn)起皮或有沿受壓方向的短裂縫，往往是結(jié)構(gòu)達到承載力極限的標志，是結(jié)構(gòu)破壞的前兆，其原因往往是截面尺寸偏小。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同受力方式，產(chǎn)生的裂縫特征如下：1、 中心受拉。裂縫貫穿構(gòu)件橫截面，間距大體相等，且垂直于受力方向。采用螺紋鋼筋時，裂縫之間出現(xiàn)位于鋼筋附近的次裂縫。2、 中心受壓。沿構(gòu)件出現(xiàn)平行于受力方向的短而密的平行裂縫。3、 受彎。彎矩最大截面附近從受拉區(qū)邊沿開始出現(xiàn)與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中和軸方向發(fā)展。采用螺紋鋼筋時，裂縫間可見較短的次裂縫。當結(jié)構(gòu)配筋較少時，裂縫少而寬，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生脆性破壞。4、 大偏心受壓。大偏心受壓和受拉區(qū)配筋較少的小偏心受壓構(gòu)件，類似于受彎構(gòu)件。5、 小偏心受壓。小偏心受壓和受拉區(qū)配筋較多的大偏心受壓構(gòu)件，類似于中心受壓構(gòu)件。6、 受剪。當箍筋太密時發(fā)生斜壓破壞，沿梁端腹部出現(xiàn)大于45方向的斜裂縫；當箍筋適當時發(fā)生剪壓破壞，沿梁端中下部出現(xiàn)約45方向相互平行的斜裂縫。7、 受扭。構(gòu)件一側(cè)腹部先出現(xiàn)多條約45方向斜裂縫，并向相鄰面以螺旋方向展開。8、 受沖切。沿柱頭板內(nèi)四側(cè)發(fā)生約45方向斜面拉裂，形成沖切面。9、 局部受壓。在局部受壓區(qū)出現(xiàn)與壓力方向大致平行的多條短裂縫。二、 溫度變化引起的裂縫混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應(yīng)力可以達到甚至超出活載應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合攏。引起溫度變化主要因素有：1、 年溫差。一年中四季溫度不斷變化，但變化相對緩慢，對橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向位移，一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設(shè)置柔性墩等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào)，只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時才會引起溫度裂縫，例如拱橋、剛架橋等。我國年溫差一般以一月和七月月平均溫度的作為變化幅度。考慮到混凝土的蠕變特性，年溫差內(nèi)力計算時混凝土彈性模量應(yīng)考慮折減。2、 日照。橋面板、主梁或橋墩側(cè)面受太陽曝曬后，溫度明顯高于其它部位，溫度梯度呈非線形分布。由于受到自身約束作用，導(dǎo)致局部拉應(yīng)力較大，出現(xiàn)裂縫。日照和下述驟然降溫是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度裂縫的最常見原因。3、 驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫度梯度。日照和驟然降溫內(nèi)力計算時可采用設(shè)計規(guī)范或參考實橋資料進行，混凝土彈性模量不考慮折減。4、 水化熱。出現(xiàn)在施工過程中，大體積混凝土（厚度超過2.0米）澆筑之后由于水泥水化放熱，致使內(nèi)部溫度很高，內(nèi)外溫差太大，致使表面出現(xiàn)裂縫。施工中應(yīng)根據(jù)實際情況，盡量選擇水化熱低的水泥品種，限制水泥單位用量，減少骨料入模溫度，降低內(nèi)外溫差，并緩慢降溫，必要時可采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)進行內(nèi)部散熱，或采用薄層連續(xù)澆筑以加快散熱。5、 蒸汽養(yǎng)護或冬季施工時施工措施不當，混凝土驟冷驟熱，內(nèi)外溫度不均，易出現(xiàn)裂縫。6、 預(yù)制T梁之間橫隔板安裝時，支座預(yù)埋鋼板與調(diào)平鋼板焊接時，若焊接措施不當，鐵件附近混凝土容易燒傷開裂。采用電熱張拉法張拉預(yù)應(yīng)力構(gòu)件時，預(yù)應(yīng)力鋼材溫度可升高至350，混凝土構(gòu)件也容易開裂。試驗研究表明，由火災(zāi)等原因引起高溫?zé)齻幕炷翉姸入S溫度的升高而明顯降低，鋼筋與混凝土的粘結(jié)力隨之下降，混凝土溫度達到300后抗拉強度下降50%，抗壓強度下降60%，光圓鋼筋與混凝土的粘結(jié)力下降80%；由于受熱，混凝土體內(nèi)游離水大量蒸發(fā)也可產(chǎn)生急劇收縮。三、 收縮引起的裂縫在實際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。在混凝土收縮種類中，塑性收縮和縮水收縮（干縮）是發(fā)生混凝土體積變形的主要原因，另外還有自生收縮和炭化收縮。塑性收縮。發(fā)生在施工過程中、混凝土澆筑后45小時左右，此時水泥水化反應(yīng)激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時骨料因自重下沉，因此時混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。塑性收縮所產(chǎn)生量級很大，可達1%左右。在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋，便形成沿鋼筋方向的裂縫。在構(gòu)件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂?shù)装褰唤犹帲蛴不俺翆嵅痪鶆驅(qū)l(fā)生表面的順腹板方向裂縫。縮水收縮（干縮）。混凝土結(jié)硬以后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮（干縮）。因混凝土表層水分損失快，內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當表面混凝土承受拉力超過其抗拉強度時，便產(chǎn)生收縮裂縫?；炷劣不笫湛s主要就是縮水收縮。自生收縮。自生收縮是混凝土在硬化過程中，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，這種收縮與外界濕度無關(guān)，且可以是正的（即收縮，如普通硅酸鹽水泥混凝土），也可以是負的（即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土）。炭化收縮。大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發(fā)生，且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計算。混凝土收縮裂縫的特點是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細，且縱橫交錯，成龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律。四、 地基礎(chǔ)變形引起的裂縫由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。基礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因有：1、 地質(zhì)勘察精度不夠、試驗資料不準。在沒有充分掌握地質(zhì)情況就設(shè)計、施工，這是造成地基不均勻沉降的主要原因。比如丘陵區(qū)或山嶺區(qū)橋梁，勘察時鉆孔間距太遠，而地基巖面起伏又大，勘察報告不能充分反映實際地質(zhì)情況。2、 地基地質(zhì)差異太大。建造在山區(qū)溝谷的橋梁，河溝處的地質(zhì)與山坡處變化較大，河溝中甚至存在軟弱地基，地基土由于不同壓縮性引起不均勻沉降。3、 結(jié)構(gòu)荷載差異太大。在地質(zhì)情況比較一致條件下，各部分基礎(chǔ)荷載差異太大時，有可能引起不均勻沉降，例如高填土箱形涵洞中部比兩邊的荷載要大，中部的沉降就要比兩邊大，箱涵可能開裂。4、 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別大。同一聯(lián)橋梁中，混合使用不同基礎(chǔ)如擴大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，或同時采用樁基礎(chǔ)但樁徑或樁長差別大時，或同時采用擴大基礎(chǔ)但基底標高差異大時，也可能引起地基不均勻沉降。5、 分期建造的基礎(chǔ)。在原有橋梁基礎(chǔ)附近新建橋梁時，如分期修建的高速公路左右半幅橋梁，新建橋梁荷載或基礎(chǔ)處理時引起地基土重新固結(jié)，均可能對原有橋梁基礎(chǔ)造成較大沉降。6、 地基凍脹。在低于零度的條件下含水率較高的地基土因冰凍膨脹；一旦溫度回升，凍土融化，地基下沉。因此地基的冰凍或融化均可造成不均勻沉降。7、 橋梁基礎(chǔ)置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質(zhì)時，可能造成不均勻沉降。8、 橋梁建成以后，原有地基條件變化。大多數(shù)天然地基和人工地基浸水后，尤其是素填土、黃土、膨脹土等特殊地基土，土體強度遇水下降，壓縮變形加大。在軟土地基中，因人工抽水或干旱季節(jié)導(dǎo)致地下水位下降，地基土層重新固結(jié)下沉，同時對基礎(chǔ)的上浮力減小，負摩阻力增加，基礎(chǔ)受荷加大。有些橋梁基礎(chǔ)埋置過淺，受洪水沖刷、淘挖，基礎(chǔ)可能位移。地面荷載條件的變化，如橋梁附近因塌方、山體滑坡等原因堆置大量廢方、砂石等，橋址范圍土層可能受壓縮再次變形。因此，使用期間原有地基條件變化均可能造成不均勻沉降。對于拱橋等產(chǎn)生水平推力的結(jié)構(gòu)物，對地質(zhì)情況掌握不夠、設(shè)計不合理和施工時破壞了原有地質(zhì)條件是產(chǎn)生水平位移裂縫的主要原因。五、鋼筋銹蝕引起的裂縫由于混凝土質(zhì)量較差或保護層厚度不足，混凝土保護層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面，使鋼筋周圍混凝土堿度降低，或由于氯化物介入，鋼筋周圍氯離子含量較高，均可引起鋼筋表面氧化膜破壞，鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應(yīng)，其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約24倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫，并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕，使得鋼筋有效斷面面積減小，鋼筋與混凝土握裹力削弱，結(jié)構(gòu)承載力下降，并將誘發(fā)其它形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。要防止鋼筋銹蝕，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求控制裂縫寬度、采用足夠的保護層厚度（當然保護層亦不能太厚，否則構(gòu)件有效高度減小，受力時將加大裂縫寬度）；施工時應(yīng)控制混凝土的水灰比，加強振搗，保證混凝土的密實性，防止氧氣侵入，同時嚴格控制含氯鹽的外加劑用量，沿海地區(qū)或其它存在腐蝕性強的空氣、地下水地區(qū)尤其應(yīng)慎重。六、 凍脹引起的裂縫大氣氣溫低于零度時，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹9%，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水（結(jié)冰溫度在-78度以下）在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強度降低，并導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴重，成齡后混凝土強度損失可達30%50%。冬季施工時對預(yù)應(yīng)力孔道灌漿后若不采取保溫措施也可能發(fā)生沿管道方向的凍脹裂縫。溫度低于零度和混凝土吸水飽和是發(fā)生凍脹破壞的必要條件。當混凝土中骨料空隙多 、吸水性強；骨料中含泥土等雜質(zhì)過多；混凝土水灰比偏大、振搗不密實；養(yǎng)護不力使混凝土早期受凍等，均可能導(dǎo)致混凝土凍脹裂縫。冬季施工時，采用電氣加熱法、暖棚法、地下蓄熱法、蒸汽加熱法養(yǎng)護以及在混凝土拌和水中摻入防凍劑（但氯鹽不宜使用），可保證混凝土在低溫或負溫條件下硬化。七、施工材料質(zhì)量引起的裂縫混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。1、 水泥（1）、水泥安定性不合格，水泥中游離的氧化鈣含量超標。氧化鈣在凝結(jié)過程中水化很慢，在水泥混凝土 凝結(jié)后仍然繼續(xù)起水化作用，可破壞已硬化的水泥石，使混凝土抗拉強度下降。（2）、水泥出廠時強度不足，水泥受潮或過期，可能使混凝土強度不足，從而導(dǎo)致混凝土開裂。（3）、當水泥含堿量較高（例如超過0.6%），同時又使用含有堿活性的骨料，可能導(dǎo)致堿骨料反應(yīng)。2、砂、石骨料砂石的粒徑、級配、雜質(zhì)含量。砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大，