淺析混凝土橋梁結構產生裂縫的原因

吳馬保

(大成工程股份有限公司361000)

    近年來，我國交通基礎建設得到迅猛發展，各地興建了大量的混凝土橋梁。在橋梁建造和使用過程中，有關因出現裂縫而影響工程質量甚至導橋梁垮塌的報道屢見不鮮�；炷�土開裂屬“常發病”和“多發病”，經常困擾著橋梁工程技術人員。如果采取一定的設計和施工措施，很多裂縫是可以克服和控制的。本文從多方面剖析混凝土橋梁裂縫的種類和產生的原因，以便設計、施工、運營中找出控制裂縫的可行辦法，達到防范于未然的作用。

實際上，混凝土結構裂縫的成因復雜而繁多，甚至多種因素相互影響，但每一條裂縫均有其產生的一種或幾種主要原因。混凝土橋梁裂縫的種類，就其產生的原因，大致可劃分如下幾種：

1.收縮引起的裂縫

    1.1在實際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。混凝土收縮裂縫分為塑性收縮和縮水收縮(干縮)。

    1)塑性收縮。發生在施工過程中、混凝土澆筑后4～5h左右，此時水泥水化反應激烈，分子鏈逐漸形成，出現泌水和水分急劇蒸發，混凝土失水收縮，同時骨料因自重下沉，而此時混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。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。在構件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂底板交接處，因硬化前沉實不均勻將發生表面的順腹板方向裂縫。

    2)縮水收縮(干縮)�；炷�土硬化以后，隨著表層水分逐步蒸發，產生表面收縮混凝土硬化后收縮主要就是縮水收縮�；炷�土表面容易出現龜裂裂紋。

    1.2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，形狀沒有任何規律。

研究表明，影響混凝土收縮裂縫的主要因素有：

    1)水泥品種、標號及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥}昆凝土收縮性較高，普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。另外水泥標號越低、單位體積用量越大、磨細度越大，則混凝土收縮越大，且發生收縮時間越長。

    2)骨料品種。骨料中石英、石灰巖、白云巖、花崗巖、長石等吸水率較小、收縮性較低；而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大、收縮性較高。另外骨料粒徑大收縮小，含水量大收縮越大。

    3)水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝士收縮越大。

    4)外摻劑。外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。

    5)養護方法。良好的養護可加速混凝土的水化反應，獲得較高的混凝土強度。養護時保持濕度越高、氣溫越低、養護時間越長，則混凝土收縮越小。蒸汽養護方式比自然養護方式混凝士收縮要小。

    6)外界環境。大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風速大，則}昆凝土水分蒸發快，混凝土收縮越快。

    7)振搗方式及時間。機械振搗方式比手工搗固方式混凝土收縮性要小。振搗時間應根據機械性能決定，一般以5—15S／次為宜。時間太短，振搗不密實，形成混凝土強度不足或不均勻；時間太長，造成分層，粗骨料沉入底層，細骨料留在上層，強度不均勻，上層易發生收縮裂縫。

2.溫度變化引起的裂縫

    混凝土具有熱脹冷縮性質，當外部環境或結構內部溫度發生變化，混凝土將發生變形，若變形遭到約束，則在結構內產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應力可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區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，對橋梁結構的影響主要是導致橋梁的縱向位移，一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設置柔性墩等構造措施相協調，只有結構的位移受到限制時才會引起溫度裂縫，例如拱橋、剛架橋等。

    2)日照。橋面板、主梁或橋墩側面受太陽曝曬后，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，導致局部拉應力較大，出現裂縫。

    3)驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結構外表面溫度突然下降，但因內部溫度變化相對較慢而產生溫度梯度。

    4)水化熱。出現在施工過程中，大體積混凝土澆筑之后由于水泥水化放熱，致使內部溫度很高，內外溫差太大，致使表面出現裂縫。

    5)蒸汽養護或冬季施工時施工措施不當，混凝土驟冷驟熱，內外溫度不均，易出現裂縫。

3.荷載引起的裂縫

    3.1混凝土橋梁在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫。裂縫產生的原因有：

    1)設計計算階段，結構計算時不計算或部分漏算；計算模型不合理；結構受力假設與實際受力不符；荷載少算或漏算；內力與配筋計算錯誤；結構安全系數不夠。結構設計時不考慮施工的可能性；設計斷面不足：鋼筋設置偏少或布置錯誤；結構剛度不足；構造處理不當；設計圖紙交代不清等。

    2)施工階段，不加限制地堆放施工機具、材料；不了解預制結構結構受力特點，隨意翻身、起吊、運輸、安裝；不按設計圖紙施工，擅自更改結構施工順序，改變結構受力模式；不對結構做機器振動下的疲勞強度驗算等。

    3)橋梁結構中經常需要鑿槽、開洞、設置牛腿等，一般根據經驗設置受力鋼筋。研究表明，受力構件挖孔后，力流將產生繞射現象，在孔洞附近密集，產生巨大的應力集中。在長跨預應力連續梁中，經常在跨內根據截面內力需要截斷鋼束，設置錨頭，而在錨固斷面附近經�？梢钥吹搅芽p。因此，若處理不當，在這些結構的轉角處或構件形狀突變處、受力鋼筋截斷處容易出現裂縫。

    3.2荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現不同的特點。這類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位。根據結構不同受力方式，產生的裂縫特征如下：

    1)中心受拉。裂縫貫穿構件橫截面，間距大體相等，且垂直于受力方向。采用螺紋鋼筋時，裂縫之間出現位于鋼筋附近的決裂縫。

    2)中心受壓。沿構件出現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邊沿開始出現與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中和軸方向發展。采用螺紋鋼筋時，裂縫間可見較短的次裂縫。當結構配筋較少時，裂縫少而寬，結構可能發生脆性破壞。

    4)受剪。當箍筋太密時發生斜壓破壞，沿梁端腹部出現人于45。方向的斜裂縫；當箍筋適當時發生剪壓破壞，沿梁端中下部出現約45o方向相互平行的斜裂縫。

    5)受扭。構件一側腹部先出現多條約45。方向斜裂縫，并向相鄰面以螺旋方向展開。

    6)受沖切。沿柱頭板內四側發生約45。方向斜面拉裂，形成沖切面。

    7)局部受壓。在局部受壓區出現與壓力方向大致平行的多條短裂縫。

4.施工工藝質量引起的裂縫

    在混凝土結構澆筑、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中，若施工工藝不達不到要求、施工質量低劣，容易產生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進的和貫穿的各種裂縫，特別是細長薄壁結構更容易出現。裂縫出現的部位和走向、裂縫寬度因產生的原因而異，比較典型常見的有：

    1)混凝土保護層過厚，或亂踩已綁扎的上層鋼筋，使承受負彎矩的受力筋保護層加厚，導致構件的有效高度減小，形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。

    2)混凝土振搗不密實、不均勻，出現蜂窩、麻面、空洞，導致鋼筋銹蝕或其它荷載裂縫的起源點。

    3)混凝土澆筑過快，混凝土流動性較低，在硬化前因混凝土沉實不足，硬化后沉實過大，容易在澆筑數小時后發生裂縫，即塑性收縮裂縫。

    4)混凝土攪拌、運輸時間過長，使水分蒸發過多，引起混凝土塌落度過低，使得在?昆凝土體積上出現不規則的收縮裂縫。

    5)混凝土初期養護時急劇干燥，使得混凝土與大氣接觸的表面上出現不規則的收縮裂縫。

    6)用泵迭混凝土施工時，為保證混凝土的流動性，增加水和水泥用量，或因其它原因加大了水灰比，導致混凝土凝結硬化時收縮量增加，使得混凝土體積上出現不規則裂縫。

    7)混凝土分層或分段澆筑時，接頭部位處理不好，易在新舊混凝士和施工縫之間出現裂縫。如混凝土分層澆筑時，后澆混凝土因停電、下雨等原因未能在前澆混凝土初凝前澆筑，引起層面之間的水平裂縫；采用分段現澆時，先澆混凝土接觸面鑿毛、清洗不好，新舊混凝土之間粘結力小，或后澆混凝土養護不到位，導致混凝土收縮而引起裂縫。

    8)混凝土早期受凍，使構件表面出現裂紋，或局部剝落，或脫模后出現空鼓現象。

    9)施工時模板剛度不足，在澆筑混凝土時，由于側向壓力的作用使得模板變形，產生與模板變形一致的裂縫。

    10)施工時拆模過早，混凝土強度不足，使得構件在自重或施工荷載作用下產生裂縫。

    11)施工前對支架壓實不足或支架剛度不足，澆筑混凝土后支架不均勻下沉，導致混凝土出現裂縫。

    12)裝配式結構，在構件運輸、堆放時，支承墊木不在一條垂直線上，或懸臂過長，或運輸過程中劇烈顛撞；吊裝時吊點位置不當，T梁等側向剛度較小的構件，側向無可靠的加固措施等，均可能產生裂縫。

    13)安裝順序不正確，對產生的后果認識不足，導致產生裂縫。如鋼筋混凝土連續梁滿堂支架現澆施工時，鋼筋混凝士墻式護欄著與主梁同時澆筑，拆架后墻式護欄往往產生裂縫；拆架后再澆筑護欄，則裂縫不易出現。

    14)施工質量控制差。任意套用混凝土配合比，水、砂石、水泥材料計量不準，結果造成混凝土強度不足和其他性能(和易性、密實度)下降，導致結構開裂。

5.原材料質量引起的裂縫

    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量不合格，可能導致結構出現裂縫。

    5.1水泥

    1)水泥安定性不合格，水泥中游離的氧化鈣含量超標。氧化鈣在凝結過程中水化很慢，在水泥混凝土凝結后仍然繼續起水化作用，可破壞已硬化的水泥石，使混凝上杭拉強度下降。

    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，從而導致混凝土開裂。

    5.2砂、石骨料、砂、石粒徑太小、級配不良、空隙率大，將導致水泥和拌和水用量加大，影響混凝土的強度，使混凝土收縮加大，如果使用超出規定的特細砂，后果更嚴重。砂石中云母的含量較高，將削弱水泥與骨料的粘結力，降低混凝士強度。砂石中含泥量高，不僅將造成水泥和拌和水用量加大，而且還降低混凝土強度和抗凍性、抗滲性。砂、石中有機質和輕物質過多，將延緩水泥的硬化過程，降低混凝土強度，特別是早期強度。砂石中硫化物可與水泥中的鋁酸三鈣發生化學反應，體積膨脹2.5倍。

    5.3拌和水及外加劑

    拌和水或外加劑中氯化物等雜質含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或含堿泉水拌制混凝土，或采用含堿的外加劑，可能對堿骨料反應有影響。

6.地基變形引起的裂縫

    由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結構中產生附加應力，超出混凝土結構的抗拉能力，導致結構開裂�；�礎不均勻沉降的主要原因有：

    1)地質勘察精度不夠、試驗資料不準。在沒有充分掌握地質情況就設計、施工，這是造成地基不均勻沉降的主要原因。比如丘陵區或山嶺區橋梁，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情況。

    2)地基地質差異太大。建造在山區溝谷的橋梁，河溝處的地質與山坡處變化較大，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)結構荷載差異太大。在地質情況比較一致條件下，各部分基礎荷載差異太大時，有可能引起不均勻沉降。

    4)結構基礎類型差別大。同一聯橋梁中，混合使用不同基礎如擴大基礎和樁基礎，或同時采用樁基礎但樁徑或樁長差別大時，或同時采用擴大基礎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。在原有橋梁基礎附近新建橋梁時，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處理時引起地基土重新團結，均可能對原有橋梁基礎造成較大沉降。

    6)橋梁基礎置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質時，可能造成不均勻沉降。

    7)橋梁建成以后，原有地基條件變化。大多數天然地基和人工地基浸水后，尤其是黃土、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導致地下水位下降，地基土層重新固結下沉，同時對基礎的上浮力減小，負摩阻力增加，基礎受荷加大。有些橋梁基礎埋置過淺，受洪水沖刷、淘挖，基礎可能位移。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。

    對于拱橋等產生水平推力的結構物，對地質情況掌握不夠、設計不合理和施工時破壞了原有地質條件是產生水平位移裂縫的主要原因。

7.鋼筋銹蝕引起的裂縫

    由于混凝土質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，鋼筋中鐵離于與侵入到混凝土中的氧氣和水分發生銹蝕反應，其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2～4倍，從而對周圍混凝土產生膨脹應力，導致保護層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產生裂縫，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，結構承載力下降，并將誘發其它形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導致結構破壞。

8.凍脹引起的裂縫

    大氣氣溫低到0oC時，吸水飽和的混凝土出現冰凍，游離的水轉變成冰，體積膨脹，因而混凝土產生膨脹應力。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％。

結束語

    一座橋梁從方案到建成使用，牽涉到設計、施工、監理、運營管理等各個方面。由上述可知，設計疏漏、施工低劣、監理不力、運營不當，均可能使}昆凝土橋梁出現裂縫。因此，嚴格按照國家有關規范、技術標準進行設計、施工和監理，是保證結構安全耐用的前提和基礎，在運營管理過程中，進一步加強巡查和管理，及時發現和處理問題，也是相當重要的一個環節�？傊�，做到設計理念不斷完善，施工規范，檢測技術先進，合理使用等，就能盡可能地避免和減少混凝土橋梁裂縫。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)