桥梁混凝土裂缝分析及防治措施
摘要：混凝土桥梁开裂是工程中比较常见的病害,本文分析了混凝土桥梁裂缝形成的原因, 并从施工和设计两方面提出了预防措施，取得了良好的效果。
关键词： 桥梁工程；混凝土裂缝；预防措施
随着我国交通基础建设的发展，各地兴建了大量的混凝土桥梁。在桥梁建造和使用过程中，由于混凝土裂缝而影响工程质量甚至造成桥梁坍塌的事例屡见不鲜。混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”，严重影响了桥梁的使用性能，也经常困扰着桥梁工程技术人员，要想控制桥梁混凝土裂缝的产生，就必须了解其成因。本文就桥梁裂缝的产生原因作一分析，供参考。
一、公路混凝土桥梁裂缝的成因
混凝土结构裂缝的成因复杂、繁多，有时多种因素互相影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要因素。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：
1、 荷载过大
在设计计算阶段，计算模型不合理；设计断面不足；结构计算时部分荷载漏算；构造处理不当，钢筋设置偏少或位置错误；设计图纸交代不清等。在施工阶段，不加地堆放施工机具、材料；不了解预制结构及结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。在桥梁使用阶段，超出设计载荷的重型车辆频繁过桥；受车辆、船舶的接触、撞击等。以上几种情况都会使桥面板在荷载的作用下发生应力集中而出现微裂缝。
2、 温度变化频繁或温差过大
混凝土具有热胀冷缩的性能，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝上将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，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。温度裂缝区别其他裂缝最主要是将随温度变化而扩张或合拢。
3、 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。
4 、地基变形引起的裂缝
由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构中产生附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。基础不均匀沉降的主要原因有：地质勘察精度不够、试验资料不准：地基地质差异太大；结构荷载差异太大；结构基础类型差别太大；地在冻胀；桥梁基础基于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时，可能造成不均匀沉降。
5 、钢筋锈蚀引起的裂缝
由于混凝土质量较差或保护层厚度不足．混凝土保护层受一氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低，或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高，均可引起钢筋表面氧化膜破坏，钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应，其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2-4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀，使得钢筋有效断面面积减小，钢筋与混凝土握裹力削弱，结构承载力下降，并将诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。
6 、冻胀引起的裂缝
大气气温低于零度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水转变成冰，体积膨胀9%，因而混凝土产生膨胀应力；同时混凝土凝胶孔中的过冷水（结冰温度在-78度以下）在微观结构中迁移和重分布引起渗透压，使混凝土膨胀力加大，混凝土强度降低，并导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重，成龄后混凝土强度损失可达30%-50%。冬季施工时对预应力孔适灌浆后若不采取保温措施也可能发生沿管道方向的冻胀裂缝。
二、工程介绍
某大桥全长951.66m。主桥P1#、P2#扩大基础尺寸为30×25×5m。P1#主塔高197.45m，设计有12.4m高垂直段，P2#主塔高185.05m，两个塔柱标准节段长度均为4.0m。塔柱由4个混凝土塔肢头尾相连组成的“钻石型”双向曲线结构，四个塔肢在L15#节段以下通过纵、横向混凝土裙板连接在一起，L15#节段以上四个塔肢分开，采用塔梁固结体系。
塔柱结构简洁，混凝土用量少，设计全部采用空心薄壁结构，大大减少了混凝土的用量，达到美观、经济的效果。
图一 主塔L2节段底面断面图 图二 塔柱L1节段底面断面图
P1#、P2#主塔扩大基础采用CPJ45水泥，混凝土标号为C30/37，塔柱采用CPJ55水泥，混凝土标号为C40/50。在承台混凝土浇筑完31天后，浇筑塔柱第一节混凝土，结构断面如图一、图二所示。一个星期后拆除第一节塔柱模板，发现在塔肢连接的裙摆上出现开放性裂缝，裂缝宽度达0.1～0.8mm。裂缝位置为：
--V形横向裙板：中轴线位置和塔肢连接处
--竖向垂直裙板：塔肢连接处
经钻心取样后，得到结果均为贯穿性裂缝。
三、分析结果及分析
1、初步分析
对塔柱节段连续浇筑过程中自重应力的计算已经经过了复核，认为结构自重不会是产生裂缝的主要原因，因此，需考虑以下两种可能：
--裙板早期收缩
--早期热应力
由混凝土收缩引起的裂缝产生较缓慢，BAEL配合比是按照10天3.3%强度进行设计的，相当于1.3℃的冷却收缩，基本可以忽略不计。利用欧洲规范的计算公式，得到10天的内部收缩量为最终收缩量的12.2%，相当于3.5℃的冷却收缩。因此，在混凝土凝固期间，混凝土的发热和降温的热应力必然大于混凝土净收缩应力。
2、混凝土的配合比及浇筑过程中热量的变化
评估裙板混凝土浇筑时的温度变化情况。混凝土的放热报告如下表1所示：
表一 混凝土放热报告
以上分析得到结果，塔柱第一节施工时新拌混凝土温度由27℃升高17℃，然后降温到拉巴特环境温度18℃。最终降温为17+27-18=26℃。
降温而产生的应力分布图如下所示：
四、结论及预防措施
因此，塔柱第一节段混凝土早期裂缝出现的最大可能是由于热收缩（主要原因）和内部收缩的共同作用。这些裂缝将会因为长期收缩应力而继续缓慢发展，并且无法消除。
1、预防措施
由上述分析可知，防止裂缝的条件是混凝土的抗拉强度要大于由于各种因素引起开裂的温度应力。而温度应力的大小取决于混凝土的浇筑温度、混凝土的配合比和混凝土表面散热条件。因此，在施工中，要特别注意做好以下防范措施：
①尽量使混凝土具有较大的抗裂能力，即混凝土的绝对温升小，抗拉强度大，线膨胀系数小。
②提高混凝土施工质量，即控制好混凝土出机温度和浇筑温度，采用二次投料法和二次振捣法等。
③加强混凝土的养护和保温，减小混凝土表面内部温差及表面混凝土的温度梯度，防止表面裂缝产生等。
④加强混凝土的测温工作，为施工组织者在施工过程中及时准确采取温控对策提供可靠数据。
根据分析计算已经确定，降温对于裙板的温度应力变化和塔肢（无论是实心断面还是空心断面）的影响是一样的。由于裙板相对于塔柱的刚度要小很多，因此，同样的裂缝也会出现在空心塔柱上。
2、裂缝的处理
对于已经浇筑的节段，对所发现裂缝进行灌注处理。先对裂缝进行表面处理，沿裂缝凿开，再用预缩水泥砂浆或微膨胀预缩水泥砂浆嵌缝，粘贴或涂刷防渗堵漏材料。
3、结构设计上的优化
对于第一节段以上的塔柱钢筋图设计，加强裙板水平钢筋，特别是和塔柱相连的裙板部位。目前纵向裙板和塔柱相连处的钢筋量为0.48%，中轴线处钢筋量为0.75%。现将裙板整个长度上的内部竖向筋增加，是钢筋量达到1%。如下图红色标记所示。
综合采取上述措施后，工程项目目前施工至第三节段，塔柱裙板上除中轴线上仍旧出现少量裂缝外，其余裙板裂缝情况已经得到明显改善。
参考文献：
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