淺析混凝土橋梁裂縫成因

李勇

（安徽 合肥 230000）

橋梁開裂的原因很多，而且形成過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，因此應(yīng)要求所有工程技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)查。在橋梁質(zhì)量問(wèn)題的成因中，橋梁裂縫引起橋梁質(zhì)量問(wèn)題的情況更為普遍。某些開裂會(huì)影響橋梁的穩(wěn)定性。裂縫的出現(xiàn)并不可怕，但是隨后的侵入會(huì)對(duì)橋梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成更嚴(yán)重的破壞，并隨著時(shí)間的推移威脅橋梁的整體結(jié)構(gòu)[1]。如果這種威脅得不到控制和解決，時(shí)間的積累將對(duì)橋梁的質(zhì)量和安全以及行人生命的安全造成嚴(yán)重的問(wèn)題。這不僅影響建設(shè)單位的聲譽(yù)和經(jīng)濟(jì)效益，而且會(huì)造成一定的社會(huì)影響。簡(jiǎn)而言之，如果技術(shù)人員無(wú)法克服和管理橋梁裂縫問(wèn)題，后果將非常嚴(yán)重，以至于技術(shù)人員了解橋梁裂縫的原因尤其重要。

一、橋梁裂縫的類型

橋梁裂縫的原因復(fù)雜多樣。每種類型的裂紋可能由一種原因引起，也可能由多種原因引起。后者在實(shí)際工程中更為常見(jiàn)。裂縫的類型可以大致分為主要由外部載荷引起的結(jié)構(gòu)裂縫和由內(nèi)部引起的非結(jié)構(gòu)裂縫——這通常是由于結(jié)構(gòu)承載力不足所致。由于載荷的緣故，結(jié)構(gòu)裂縫可具體分為不合理的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)。非結(jié)構(gòu)性裂紋主要是由于基礎(chǔ)沉降不均勻引起的結(jié)構(gòu)變形引起的。非結(jié)構(gòu)性裂縫可分為溫度變化和混凝土收縮。

二、發(fā)生結(jié)構(gòu)裂縫

（一）取決于負(fù)載

由載荷引起的結(jié)構(gòu)裂縫是工程結(jié)構(gòu)中非常普遍的情況。結(jié)構(gòu)裂縫經(jīng)常伴隨著結(jié)構(gòu)承載力不足，對(duì)項(xiàng)目的整體績(jī)效產(chǎn)生重大影響?；炷翗蛄涸陟o載荷，外載荷和二次應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu)裂縫被稱為載荷裂縫，大致可分為直接應(yīng)力裂縫和二次應(yīng)力裂縫。直接應(yīng)力裂紋是在外部載荷的影響下由結(jié)構(gòu)的直接應(yīng)力引起的裂紋。裂紋的原因主要如下：

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段：安全參考的結(jié)構(gòu)系數(shù)太小；結(jié)構(gòu)計(jì)算僅基于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)分析，沒(méi)有仔細(xì)的計(jì)算或僅部分計(jì)算；使用的計(jì)算模型不合理；力的假設(shè)與實(shí)際情況不相符。不正確的內(nèi)力和配筋計(jì)算，過(guò)于模糊的藍(lán)圖無(wú)法清楚地說(shuō)明需要呈現(xiàn)的施工條件；施工階段：機(jī)械，設(shè)備，材料的隨機(jī)性橋梁施工（例如堆放和施工現(xiàn)場(chǎng)）的應(yīng)力特性不足工人自由運(yùn)輸，提升和移交設(shè)備，不按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行合理的施工，隨意改變施工順序。駕駛階段：超載車輛的長(zhǎng)期駕駛，其他尖銳物體的撞擊，地震，大雪等。惡劣的自然環(huán)境，例如強(qiáng)風(fēng)。

二次應(yīng)力裂紋是由外部載荷作用下產(chǎn)生的二次應(yīng)力引起的裂紋。原因如下：設(shè)計(jì)在外力作用下，結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用條件與常規(guī)計(jì)算有所不同，或者沒(méi)有考慮計(jì)算，因此結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的二次應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件破裂；在設(shè)置橋梁零件的直角或開孔時(shí)，很難用準(zhǔn)確的數(shù)字模擬計(jì)算，因此在正常情況下，工程師會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)安裝鋼筋。根據(jù)相關(guān)研究，挖空的物體會(huì)在它們周圍產(chǎn)生流動(dòng)，從而在開口中引起很大的應(yīng)力集中，如果進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，很可能?huì)在開口中發(fā)生這種旋轉(zhuǎn)和裂紋。

（二）由于不合理的設(shè)計(jì)而引起

在橋梁施工過(guò)程中，如果最初的設(shè)計(jì)不合理，則可能會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性裂縫。即，設(shè)計(jì)中使用的結(jié)構(gòu)形式是由載荷引起的部件破裂的問(wèn)題。示例：對(duì)于非預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆連續(xù)箱形梁，梁的上部容易出現(xiàn)帶有負(fù)彎矩的結(jié)構(gòu)裂縫。結(jié)構(gòu)的拉伸和剪切區(qū)域最容易開裂。在其他類型的受力區(qū)域中的損壞也意味著組件已達(dá)到承載能力極限，并且橫截面尺寸過(guò)小，即達(dá)到了設(shè)計(jì)不當(dāng)組件的承載極限，導(dǎo)致組件破裂。

（三）由于施工質(zhì)量不足而引起

施工質(zhì)量不合格可分為兩種情況：不合格的建筑材料和不合理的施工技術(shù)?；炷潦菢蛄旱匿摽蚣?，主要以一定比例與砂、石、水泥、水和外加劑混合，因此，如果這些基礎(chǔ)材料不合格，則結(jié)構(gòu)可能會(huì)破裂。其次，不合理施工技術(shù)的總體情況是：所構(gòu)造的混凝土保護(hù)層太厚；配制混凝土?xí)r的攪拌和振動(dòng)不均勻；混凝土的攪拌和運(yùn)輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且水分蒸發(fā)過(guò)多；施工順序不合理。

三、發(fā)生非結(jié)構(gòu)性裂縫

（一）由于溫度變化引起

由于混凝土的熱膨脹和收縮特性，當(dāng)外部溫度變化時(shí)，橋梁的當(dāng)前結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生一定的體積變形。當(dāng)這部分變形受到約束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生恒定的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。當(dāng)抗壓強(qiáng)度小于約束產(chǎn)生的應(yīng)力，從而導(dǎo)致組件損壞和熱裂紋。由于溫度變化引起的結(jié)構(gòu)裂縫的原因如下：

當(dāng)注入混凝土?xí)r，發(fā)生水化反應(yīng)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度升高，但是外部溫度沒(méi)有升高。由于波動(dòng)太大，內(nèi)部和外部的變形程度不同，造成結(jié)構(gòu)破裂；如果冬季未采取溫度保護(hù)措施，內(nèi)外部溫差將過(guò)大而會(huì)產(chǎn)生裂縫；此外還有當(dāng)對(duì)混凝土鋼筋使用拉伸法進(jìn)行工程材料改造時(shí)，鋼筋的預(yù)應(yīng)力溫度過(guò)高，這種由于使用人為改造工程材料手段所產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致的鋼筋混凝土過(guò)度變形而使結(jié)構(gòu)破裂。

（二）由于混凝土的收縮引起

在橋梁結(jié)構(gòu)的施工中，混凝土的收縮是引起構(gòu)件裂縫的最常見(jiàn)因素之一。在混凝土的各種收縮中，收縮和塑性收縮是引起混凝土變形，隨后碳化的主要原因。這些收縮階段的類型也不同。塑性收縮和收縮分別在混凝土硬化和施工期間發(fā)生。在混凝土的硬化和水化反應(yīng)中分別發(fā)生自發(fā)收縮和碳化收縮。澆筑的混凝土零件的蠕變效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致零件隨著時(shí)間的流逝而更多地破裂。選擇預(yù)測(cè)模型和管理預(yù)測(cè)精度對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)也是重要的任務(wù)，因此，如果混凝土收縮在選擇預(yù)測(cè)模型和管理預(yù)測(cè)精度的項(xiàng)目中容易破裂的話，則需要進(jìn)行相應(yīng)的特殊研究和討論。

（三）由于基礎(chǔ)沉降不均勻引起

如果橋墩的基礎(chǔ)由于不良的地質(zhì)狀況而下陷不均勻，或者上下左右移動(dòng)，則會(huì)在橋梁的各個(gè)部件上產(chǎn)生額外的應(yīng)力。如果該區(qū)域的應(yīng)力超過(guò)結(jié)構(gòu)的最大承載能力，則組件將破裂[2]。在以下情況下，基礎(chǔ)沉降不均勻：對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件了解不足。在不詳細(xì)檢查施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，是導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降不均勻的首要也是最重要的原因；基礎(chǔ)子結(jié)構(gòu)的地質(zhì)條件沒(méi)有很大差異，但是由于施加在橋梁混凝土上部結(jié)構(gòu)上力的差異較大，因此，混凝土很容易因過(guò)大的載荷差異而損壞，并且很可能會(huì)發(fā)生裂縫；當(dāng)橋梁在相對(duì)寒冷的地區(qū)建造時(shí)，地基會(huì)產(chǎn)生霜脹。地基凍脹發(fā)生后，當(dāng)溫度升高到一定水平時(shí)，該地區(qū)的凍土受到破壞，發(fā)生融化，地質(zhì)耐受性減弱，地基沉降程度也隨之變化。因此，當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生凍脹或融化時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)破裂；如果基礎(chǔ)是在不同的時(shí)間建造的，則將產(chǎn)生新的荷載，因?yàn)樾碌臉蛄航Y(jié)構(gòu)是建立在原始基礎(chǔ)上的。由于新建的橋梁使基礎(chǔ)土壤固化，因此橋梁的基礎(chǔ)很可能會(huì)下沉；橋梁建成后，該地區(qū)的環(huán)境條件將發(fā)生變化。由于長(zhǎng)期降雨侵蝕降低了基礎(chǔ)土壤的強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)的壓力使基礎(chǔ)變形，導(dǎo)致沉降并自發(fā)地使結(jié)構(gòu)開裂。

結(jié)語(yǔ):橋梁開裂是工程師在施工過(guò)程中遇到的最常見(jiàn)和最困難的問(wèn)題。由于橋梁開裂與橋梁施工的研究、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行密切相關(guān)，因此有必要徹底調(diào)查和分析橋梁裂縫的成因，并及時(shí)預(yù)防和管理裂縫的發(fā)生。因此，工程師在研究，設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中必須嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范。裂縫的出現(xiàn)是不可避免的，因此可以認(rèn)真對(duì)待所有環(huán)節(jié)，至少可以減少裂縫的發(fā)生造成的傷害。