城市砼立交桥梁裂缝影响因素调查分析

【关键词】混凝土立交桥梁；裂缝；原因 

　　1. 前言 

　　（1）立交桥全称“立体交叉桥”，在城市重要交通交汇点建立的上下分层、多方向行驶、互不相扰的现代化陆地桥。1928年，美国首先在新泽西州的两条道路交叉处修建了第一条苜蓿叶形公路交叉。1930 年，芝加哥建起了一座立体交叉桥。1931年至1935 年，瑞典陆续在一些城市修建起立体交叉桥。1974年，复兴门立体交叉桥的建成，开创了北京市立交桥的先河。截止目前北京市约有一千多座立交桥。立交桥在当今交通中，发挥着越来越重要的作用。立交桥大多为钢筋混凝土结构，部分采用简支梁，部分采用连续梁。 

　　（2）本文讨论的裂缝则是指混凝土结构表面宽度达到一定程度后的可见裂缝：即宽度0.05mm 以上的裂缝。混凝土出现宏观裂缝的原因多种多样，通常是因混凝土发生体积变化时受到约束，或因受到荷载作用时，在混凝土内引起拉应力（或拉应变）而开裂缝。裂缝就其开裂深度可分为表面的、贯穿的；就其在结构物表面开关可分为网状裂缝、爆裂状裂缝、不规则短裂缝、纵向裂缝、横向裂缝、斜裂缝等；按其发展情况可分为稳定的和不稳定的、能愈合的和不能愈合的；按其产生的时间可分为混凝土硬化之前产生的塑性裂缝和硬化之后产生的裂缝。按其产生的原因可分为荷载裂缝和荷载（变形）裂缝。 

　　2. 裂缝形成原因 

　　裂缝按产生的原因可以分可以分为荷载作用引发的裂缝、非荷载引发的裂缝。其中荷载裂缝又可分为直接应力裂缝与次应力裂缝。而非荷载作用引发的裂缝又包括：混凝土自身特性引发的裂缝（混凝土的收缩、混凝土的脆性）、环境作用引发的裂缝（温差引起的约束应力、强迫位移引起的约束应变、耐久性环境作用）、设计和施工缺陷引发裂缝、施工时的早期作用引发裂缝。 

　　2.1 荷载引起的裂缝。 

　　2.1.1 直接应力裂缝。 

　　（1）直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：设计阶段：计算抽象力学模型不合理、结构设计时不考虑施工的可能性、设计图纸交代不清等；施工阶段：不了解预制结构受力特点，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；使用阶段。超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。 

　　（2）混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝，也称为受力裂缝。这种裂缝规律性极强，一般通过计算分析可以得出确切的结论。跨中为正截面受弯裂缝，垂直于梁轴，下大上小；端部为斜截面受剪裂缝，起始于支座，指向梁顶集中花卉。裂缝沿柱轴纵向分布，中间稍密。裂缝集中在最大弯矩部位，受拉面裂缝为水平走向，外大内小，垂直于柱轴；临近极限状态，受压面混凝土有压碎现象。受剪裂缝起始于集中荷载作用点，斜向牛腿外斜面与下柱面交汇点自延伸；受弯裂缝起始于牛腿支承面与上柱面交汇点，斜向柱内延伸。板面裂缝成环状，框架梁边分布；板底裂缝成十字或米字，集中于跨中，裂缝分布于板面，垂直于长轴，由板面向下延伸；有的纵肋预应力筋端部还存在局压裂缝。 

　　2.1.2 次应力裂缝。次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有： 

　　（1）在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同抽象的结果有出入，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。 

　　（2）桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。研究表明，受力构件挖孔后，在孔洞附近产生巨大的应力集中。对于复合梁应力集中不可忽略，并且很大。在长跨预应力连续梁中，经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。次应力裂缝也是由荷载引起，仅是按常规一般不计算，但随着现代计算手段的不断完善，次应力裂缝也是可以做到合理验算的。在设计上，应注意避免结构突变（或断面突变），当不能回避时，应做局部处理，如转角处做圆角，突变处做成渐变过渡，同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢，以抵抗应力集中的影响。 

　　2.2 温度变化引起的裂缝。混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，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荷载应力。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化的主要因素有：

 　 （1）年温差。一年中四季温度不断变化，但变化相对缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移，一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调，只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝，例如拱桥、刚架桥等。我国年温差一般以一月和七月月平均温度作为变化幅度。考虑到混凝土的蠕变特性，年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。 

　　（2）蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当，混凝土骤冷骤热，内外温度不均易出现裂缝。 

　　（3）预制T梁之间横隔板安装时，支座预埋钢板与调平钢板焊接时，若焊接措施不当，铁件附近混凝土容易烧伤开裂。采用电热张拉法张拉预应力构件时，预应力钢材温度可升高至350℃，混凝土构件也容易开裂。 

　　2.3 地基础变形引起的裂缝。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： 

　　（1）地质勘察精度不够、试验资料不准。在没有充分掌握地质情况下就设计、施工，这是造成地基不均匀沉降的主要原因。比如丘陵区或山岭区桥梁，勘察时钻孔间距太远，而地基岩面起伏又大，勘察报告不能充分反映实际地质情况。 

　　（2）地基地质差异太大。建造在山区沟谷的桥梁，河沟处的地质与山坡处变化较大，河沟中甚至存在软弱地基，地基土由于不同压缩性引起不均匀沉降。 

　　（3）结构荷载差异太大。在地质情况比较一致条件下，各部分基础荷载差异太大时，有可能引起不均匀沉降，例如高填土箱形涵洞中部比两边的荷载要大，中部的沉降就要比两边大，箱涵可能开裂。 

　　（4）结构基础类型差别大。同一联桥梁中，混合使用不同基础如扩大基础和桩基础，或同时采用桩基础但桩径或桩长差别大时，或同时采用扩大基础但基底标高差异大时，也可能引起地基不均匀沉降。 

　　（5）分期建造的基础。在原有桥梁基础附近新建桥梁时，如分期修建的高速公路左右半幅桥梁，新建桥梁荷载或基础处理时引起地基土重新固结，均可能对原有桥梁基础造成较大沉降。 

　　（6）地基冻胀。在低于零度的条件下含水率较高的地基土因冰冻膨胀；一旦温度回升，冻土融化，地基下沉。因此地基的冰冻或融化均可造成不均匀沉降。 

　　（7）桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时，可能造成不均匀沉降。 

　　（8）临近场地工程施工由于现代城市建筑环境日益恶化，在原有桥梁附近修建地下工程、大地上建筑等构筑物的情况越来越多，都会引起既有桥梁的地基基础的附加应力产生相应变化，甚而产生裂缝等严重后果。 

　　2.4 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，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%。北京地区的外露混凝土结构，年复一年地遭受雨雪，长期处于干湿交替、反复冻融的状态下，当混凝土密实度较差、空隙率较大时，容易产生冻胀裂缝，造成结构表面混凝土酥松、剥落，引起钢筋锈蚀。 

　　2.5 施工工艺质量引起的裂缝。在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异，比较典型常见的有： 

　　（1）混凝土保护层过厚，或乱踩已绑扎的上层钢筋，使承受负弯矩的受力筋保护层加厚，导致构件的有效高度减小，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。 

　　（2）混凝土振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀引起荷载不均匀产生裂纹。 

　　（3）混凝土浇筑过快，混凝土流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后发生裂缝，既塑性收缩裂缝。 

　　（4）混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸发过多，引起混凝土塌落度过低，使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝。 

　　（5）混凝土初期养护时急剧干燥，使得混凝土与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝。 

　　（6）用泵送混凝土施工时，为保证混凝土的流动性，增加水和水泥用量，或因其它原因加大了水灰比，导致混凝土凝结硬化时收缩量增加，使得混凝土体积上出现不规则裂缝。 

　　（7）混凝土分层或分段浇筑时，接头部位处理不好，易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。如混凝土分层浇筑时，后浇混凝土因停电、下雨等原因未能在前浇混凝土初凝前浇筑，引起层面之间的水平裂缝；采用分段现浇时，先浇混凝土接触面凿毛、清洗不好，新旧混凝土之间粘结力小，或后浇混凝土养护不到位，导致混凝土收缩而引起裂缝。 

　　（8）混凝土早期受冻，使构件表面出现裂纹，或局部剥落，或脱模后出现空鼓现象。 

　　（9）施工时模板刚度不足，在浇筑混凝土时，由于侧向压力的作用使得模板变形，产生与模板变形一致的裂缝。 

　　（10）施工时拆模过早，混凝土强度不足，使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。 

　　（11）施工前对支架压实不足或支架刚度不足，浇筑混凝土后支架不均匀下沉，导致混凝土出现裂缝。 

　　（12）装配式结构，在构件运输、堆放时，支承垫木不在一条垂直线上，或悬臂过长，或运输过程中剧烈颠撞；吊装时吊点位置不当，T 梁等侧向刚度较小的构件，侧向无可靠的加固措施等，均可能产生裂缝。 

　　（13）安装顺序不正确，对产生的后果认识不足，导致产生裂缝。如钢筋混凝土连续梁满堂支架现浇施工时，钢筋混凝土墙式护栏若与主梁同时浇筑，拆架后墙式护栏往往产生裂缝；拆架后再浇筑护栏，则裂缝不易出现。 

　　（14）施工质量控制差。任意套用混凝土配合比，水、砂石、水泥材料计量不准，结果造成混凝土强度不足和其他性能（和易性、密实度）下降，导致结构开裂。 

　　2.6 钢筋锈蚀引起的裂缝。混凝土碳化到钢筋部位，钢筋失去了混凝土钝化膜保护，会逐渐生锈，钢筋生锈后体积膨胀，会引起混凝土沿钢筋开裂；混凝土裂缝的开展，反过来又促进钢筋更快锈蚀，尤其是当环境温度变化，周围存在有害介质时，这种恶性循环显著加快。碳化锈蚀裂缝的特征是，裂缝沿钢筋分布，系由膨胀铁锈向外将混凝土胀开，裂缝周围混凝土发酥，高出原有混凝土表面，并附着有褐色锈渍渗出物。 

　　3. 检测结论 

　　由于混凝土构件所处的复杂环境，实际混凝土结构工程中真正的裂缝，很小是由单一因素引起的，往往是多种原因共同作用的综合结果。而我们在分析裂缝成因时，一般都是找它的主要作用。根据裂缝的形态，包括它的部位、走向、宽度、外观等因素，调查了解所属桥梁的服役历史及维护检修情况。确定这两条裂缝为锈胀、冻胀裂缝。而其余非锈胀、冻胀裂缝也非承受荷载所产生的结构裂缝，不影响结构的安全性能。 

　　在监控工程开工前，先对所查明的病害进行处理：将松散、剥离的混凝土予以凿除，钢筋除锈，用环氧砂浆修补，完善桥梁的防水、排水系统，避免雨水对桥梁构件的侵蚀；对裂缝注浆封闭处理。在工程施工过程中，对桥梁进行监测。工程结束后，再对桥进行一次工后检测。 

　　参考文献 

　　[1] 混凝土结构裂缝控制手册，主编：张彬，天津：天津大学出版社，2012.11. 

　　[2] 辛登云.《常规混凝土梁裂缝原因的分析》.石家庄联合技术职业学院，2006（12）.