某混凝土板橋裂縫成因分析及修補措施
摘 要：在橋梁建造和使用過程中，因出現(xiàn)裂縫而影響工程質量甚至導橋梁垮塌的現(xiàn)象屢見不鮮。正確分析裂縫的成因，是克服和控制裂縫的關鍵。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，本文通過對某混凝土橋梁裂縫產生的原因進行分析、總結，以方便設計、施工找出控制裂縫的可行辦法，達到防范于未然的作用。
關鍵詞：橋梁裂縫 混凝土 橋面板 荷載 材料 橋面鋪裝 修補措施
1、前言
在橋梁建造與使用過程中，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構構件出現(xiàn)裂縫，是非常值得關注的問題。裂縫的發(fā)展會使結構物產生異常的內部應力或變形，嚴重的可能會危及橋梁的結構安全和正常使用。由于橋面板直接受到車輪荷載的影響，一旦開裂容易迅速惡化。因此對橋面板出現(xiàn)的裂縫，更應盡早發(fā)現(xiàn)，盡量提前進行適當?shù)奶幚怼?
造成橋面板出現(xiàn)裂縫的原因比較復雜，主要受材料、施工、使用環(huán)境以及結構設計等方面因素的影響。裂縫的種類繁多，不同的裂縫對橋梁的危害各有輕重。正確地分析裂縫出現(xiàn)的原因，是克服和控制裂縫、保證橋梁正常使用的關鍵。
2、工程實例
省道S223線K80+780小橋為該二級路改建時新增加的單跨現(xiàn)澆混凝土實心板橋，跨度為1×8米，寬度為8.5米。橋面板厚40厘米，采用柱式橋臺，直徑為1米，鉆孔樁基礎，樁徑為1.1米，每邊各二根。樁基持力層為中風化石英巖。板面板及橋臺材料均為C30混凝土，樁基材料為C25混凝土。設計荷載為汽-20、掛-100。
該橋在通車一年后，左側橋面板距路中線約50cm處出現(xiàn)一道較明顯的縱向裂縫，縫寬0.2~0.3mm，局部超過0.3mm，且有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。
為正確地研究橋面板裂縫產生的原因，必須對橋梁的設計、施工過程及使用環(huán)境進行詳細地分析，才能采取有效的修補加固措施，確保橋梁的正常使用。
3、橋面板裂縫產生原因分析
3.1 概述
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，每一條裂縫均有其產生的一種或幾種原因。在鋼筋混凝土橋面板上所看到的損傷都是由于構造上的或與荷載條件有關的種種原因而造成的。導致鋼筋混凝土橋面板裂縫產生的原因，大致可分為以下幾類：
3.1.1 作用的常規(guī)靜、動荷載過大或次應力的產生
在設計計算階段，計算模型不合理；設計斷面不足；結構計算時部分荷載漏算；構造處理不當，鋼筋設置偏少或布置錯誤；設計圖紙交代不清等。在施工階段，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。在橋梁使用階段，超出設計載荷的重型車輛頻繁過橋；受車輛、船舶的接觸、撞擊等。以上幾種情況都會使橋面板在荷載的作用下發(fā)生應力集中而出現(xiàn)微裂縫。這種由常規(guī)靜、動荷載或次生應力所產生的裂縫稱為荷載裂縫。荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現(xiàn)不同的特點，其分布規(guī)律是沿主拉應力方向開展，其走向與主拉應力方向垂直。這類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動嚴重部位。
3.1.2 溫度變化頻繁或溫差過大
混凝土具有熱脹冷縮的性能，當外部環(huán)境或結構內部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。
3.1.3 混凝土的干縮
在混凝土中，水以結合水、層間水、物理吸附水和毛細水等狀態(tài)存在。當這些水在混凝土硬化過程中失去時，水泥漿體就會收縮，當收縮受到限制產生收縮應力時，就會產生裂縫?；炷潦湛s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。橋梁工程中，由于混凝土的干縮所引起的干縮裂縫是最常見的。
3.1.4 地基變形
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，導致結構開裂產生裂縫。
3.1.5 施工質量不良
在施工過程中，假如混凝土級配不良或施工工藝不合理、施工質量低劣，造成結構構件強度不足，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。
3.2 病因分析
3.2.1 現(xiàn)場勘測情況
對該小橋進行詳細地勘測發(fā)現(xiàn)，除了左側橋面板靠近路中線處的那道縱向裂縫外，橋面板上表面未出現(xiàn)其它裂縫，但在橋面板底部同一位置上卻發(fā)現(xiàn)存在裂縫，縫寬0.2~0.3mm，也呈縱向布置，由此可判斷該裂縫是上下貫通的。對橋面板底部進行細致檢查，發(fā)現(xiàn)在其它位置還有多條極細微的裂縫，縫寬小于0.1mm，均呈縱向布置。對橋臺臺帽及錐坡進行檢查，未發(fā)現(xiàn)有裂縫。
現(xiàn)場交通量正常，但大型貨車較多，且時有超載的違章車輛通過。
3.2.2 施工情況
該小橋所使用的混凝土和鋼筋各項指標均合格，水泥凝結試驗以及摻合料、水、細骨料的試驗結果均屬正常。施工期間氣象條件良好，平均氣溫24℃，濕度60~85%，混凝土澆灌過程中，天氣睛朗，風速較小。橋面板采用整體澆筑，鋼筋布設均按圖施工，但鋼筋搭接恰好處于距路中50cm左右的左側橋面上。 3.2.3 基礎情況
由地質勘察資料分析，該路段地基地質情況較為一致，未有較大的地質差異，且沒有軟弱地質層；鉆孔樁嵌入中風化石英巖。橋臺臺帽及錐坡沒有出現(xiàn)裂縫，因此可排除因地基不均勻沉降所造成的裂縫。
3.2.4 設計情況
根據(jù)實際使用荷載進行驗算，發(fā)現(xiàn)原設計橋面板配筋量為承載力要求的1.5~1.6倍，偏于安全。但設計圖紙中，橋面鋪裝層采用4cm厚的水泥混凝土，厚度偏薄，且未配置構造鋼筋。
3.2.5 診斷結論
綜上所述，本例中橋面板裂縫不可能是由溫差變化、混凝土干縮及基礎不均勻沉降所引起。造成橋面板開裂的主要原因，應該是橋面鋪裝層過薄，導致橋面板局部沖擊荷載過大，產生應力集中而出現(xiàn)裂縫。我們知道，橋面鋪裝即行車道鋪裝，亦稱橋面保護層，它是車輪直接作用的部分。橋面鋪裝層的作用在于防止車輛輪胎或履帶直接磨耗行車道板，保護主梁（橋板）免受雨水侵濕，并對車輛輪重的集中荷載起分布作用，起到聯(lián)系各主梁（橋板）共同受力的作用。為使鋪裝層具有足夠的強度和良好的整體性，一般在混凝土中鋪設直徑為4-6mm的鋼筋。
本例中，因為橋面鋪裝層厚度過薄，且未配置構造鋼筋，喪失了保護橋面板的作用，使橋面板直接承受車輪荷載的沖擊作用。在車輪荷載頻繁沖擊的板帶，由于動荷載的不斷作用而發(fā)生應力集中，出現(xiàn)縱向微裂縫；當應力反復作用時，裂縫逐步擴展，從而不斷減小承受應力作用的有效面積，最終在車輪荷載反復作用達到一定次數(shù)后導致破壞，橋面板出現(xiàn)裂縫。在這種情況下，裂縫會迅速擴展，最后上下貫通，使橋面板失去整體性，承載力不斷下降，最終導致破壞，危害性較大，必須及時采取有效的修補措施，控制裂縫的發(fā)展，增強橋面板的整體性，保證橋梁的正常使用。
4、修補措施
根據(jù)橋面板裂縫的成因，可采取以下幾種修補處理措施。
4.1 橋面鋪裝層重新鋪設
4.1.1 橋面鋪裝層采用C40防水混凝土，路線中心處厚度為13.6cm，路邊緣處厚度為8cm，構造筋采用φ10@120，提高鋪裝層的整體強度。
4.1.2 嚴格控制施工質量，橋面板頂面鑿毛至露出骨料3~5mm，并用高壓氣泵或水槍清理干凈；嚴格控制混凝土的配合比和坍落度，使混合料具有良好的和易性；混凝土采用低收縮配方，減少收縮開裂。
4.1.3 為使橋面鋪裝層與橋面板緊密結合，使橋面鋪裝層共同參與受力，同時固定橋面鋪裝鋼筋的位置，采用“植筋”的技術。在橋面板上按1m×1m的間距鉆孔，孔深大于鋼筋錨固長度，孔徑略大于鋼筋直徑，前后排孔的布置成梅花狀；用高壓氣泵將孔清理干凈后，灌入調配好的環(huán)氧樹脂膠液，然后植入Φ18螺紋鋼筋，待膠液固化并達到強度后，將植入的鋼筋與橋面鋪裝鋼筋牢固焊接后，再澆筑防水混凝土。
4.1.4 鑿開橋頭搭板，重新調整搭板厚度，并鋪設構造鋼筋，使其與橋面板及橋兩側路面連接順暢。
4.2 裂縫的修補
4.2.1 對于橋面板中間帶上下貫通的裂縫，其下部采用鋼板粘結施工法進行修補。這種施工法是用環(huán)氧樹脂把鋼板粘貼在橋面板混凝土受拉緣的外表面，使其與原橋面形成整體化，在活載的作用下可作為鋼筋來使用。本工程采用6mm厚、100mm寬的長條鋼板，順橋方向進行加固。施工時采用液狀環(huán)氧樹脂注入施工法，根據(jù)橋面板的平整度，用錨固螺栓預先固定鋼板，并使鋼板與橋面板表面間保持2~4mm的間隙，然后用膩子狀環(huán)氧樹脂封閉鋼板的邊緣，再從適當設置在封閉線上及鋼板中部的注入口注入環(huán)氧樹脂，并保持原狀使其硬化。
4.2.2 對于橋面板中間帶上下貫通的裂縫，其上部采用注入施工法進行處理。沿裂縫7~8cm寬度的范圍內，用砂輪機和鋼絲刷去混凝土表面的游離石灰和灰塵等，并用洗凈劑清洗，然后加壓注入具有滲透性和粘著性的環(huán)氧樹脂，以此來填充混凝土裂縫，提高橋面板的防水性，防止鋼筋銹蝕及混凝土老化。
4.2.3 對橋面板下部寬度小于0.2mm的其它裂縫，采用表面處理法進行修補，在混凝土表面沿裂縫涂抹樹脂保護膜。施工時先用鋼絲刷除去混凝土表面的附著物，再用清水清洗，經充分干燥后，用油灰狀樹脂填充混凝土表面的凹癟部分后，再進行必要的涂抹。
5、結束語
造成橋梁出現(xiàn)裂縫的原因是多種多樣，非常復雜的，設計疏漏、施工低劣、監(jiān)理不力，均可能使混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫。結構設計中，鋼筋混凝土結構構件是允許帶裂縫工作的，問題不在有無裂縫，而在于出現(xiàn)什么樣的裂縫。當橋梁發(fā)生開裂現(xiàn)象后，應從設計、施工及其使用狀況等各方面進行細致地調查測試及詳盡地分析，找出開裂的主要原因，分析裂縫的性質，預料其對結構的危害性，判斷其需要修補或加固的緊迫性，最后采取合理、有效、經濟的修補加固措施，使橋梁損傷尚在輕微時期就能得到修補，保證其正常地使用。
（中國混凝土與水泥制品網 轉載請注明出處）
關鍵詞：橋梁裂縫 混凝土 橋面板 荷載 材料 橋面鋪裝 修補措施
1、前言
在橋梁建造與使用過程中，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構構件出現(xiàn)裂縫，是非常值得關注的問題。裂縫的發(fā)展會使結構物產生異常的內部應力或變形，嚴重的可能會危及橋梁的結構安全和正常使用。由于橋面板直接受到車輪荷載的影響，一旦開裂容易迅速惡化。因此對橋面板出現(xiàn)的裂縫，更應盡早發(fā)現(xiàn)，盡量提前進行適當?shù)奶幚怼?
造成橋面板出現(xiàn)裂縫的原因比較復雜，主要受材料、施工、使用環(huán)境以及結構設計等方面因素的影響。裂縫的種類繁多，不同的裂縫對橋梁的危害各有輕重。正確地分析裂縫出現(xiàn)的原因，是克服和控制裂縫、保證橋梁正常使用的關鍵。
2、工程實例
省道S223線K80+780小橋為該二級路改建時新增加的單跨現(xiàn)澆混凝土實心板橋，跨度為1×8米，寬度為8.5米。橋面板厚40厘米，采用柱式橋臺，直徑為1米，鉆孔樁基礎，樁徑為1.1米，每邊各二根。樁基持力層為中風化石英巖。板面板及橋臺材料均為C30混凝土，樁基材料為C25混凝土。設計荷載為汽-20、掛-100。
該橋在通車一年后，左側橋面板距路中線約50cm處出現(xiàn)一道較明顯的縱向裂縫，縫寬0.2~0.3mm，局部超過0.3mm，且有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。
為正確地研究橋面板裂縫產生的原因，必須對橋梁的設計、施工過程及使用環(huán)境進行詳細地分析，才能采取有效的修補加固措施，確保橋梁的正常使用。
3、橋面板裂縫產生原因分析
3.1 概述
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，每一條裂縫均有其產生的一種或幾種原因。在鋼筋混凝土橋面板上所看到的損傷都是由于構造上的或與荷載條件有關的種種原因而造成的。導致鋼筋混凝土橋面板裂縫產生的原因，大致可分為以下幾類：
3.1.1 作用的常規(guī)靜、動荷載過大或次應力的產生
在設計計算階段，計算模型不合理；設計斷面不足；結構計算時部分荷載漏算；構造處理不當，鋼筋設置偏少或布置錯誤；設計圖紙交代不清等。在施工階段，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。在橋梁使用階段，超出設計載荷的重型車輛頻繁過橋；受車輛、船舶的接觸、撞擊等。以上幾種情況都會使橋面板在荷載的作用下發(fā)生應力集中而出現(xiàn)微裂縫。這種由常規(guī)靜、動荷載或次生應力所產生的裂縫稱為荷載裂縫。荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現(xiàn)不同的特點，其分布規(guī)律是沿主拉應力方向開展，其走向與主拉應力方向垂直。這類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動嚴重部位。
3.1.2 溫度變化頻繁或溫差過大
混凝土具有熱脹冷縮的性能，當外部環(huán)境或結構內部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。
3.1.3 混凝土的干縮
在混凝土中，水以結合水、層間水、物理吸附水和毛細水等狀態(tài)存在。當這些水在混凝土硬化過程中失去時，水泥漿體就會收縮，當收縮受到限制產生收縮應力時，就會產生裂縫?；炷潦湛s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。橋梁工程中，由于混凝土的干縮所引起的干縮裂縫是最常見的。
3.1.4 地基變形
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，導致結構開裂產生裂縫。
3.1.5 施工質量不良
在施工過程中，假如混凝土級配不良或施工工藝不合理、施工質量低劣，造成結構構件強度不足，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。
3.2 病因分析
3.2.1 現(xiàn)場勘測情況
對該小橋進行詳細地勘測發(fā)現(xiàn)，除了左側橋面板靠近路中線處的那道縱向裂縫外，橋面板上表面未出現(xiàn)其它裂縫，但在橋面板底部同一位置上卻發(fā)現(xiàn)存在裂縫，縫寬0.2~0.3mm，也呈縱向布置，由此可判斷該裂縫是上下貫通的。對橋面板底部進行細致檢查，發(fā)現(xiàn)在其它位置還有多條極細微的裂縫，縫寬小于0.1mm，均呈縱向布置。對橋臺臺帽及錐坡進行檢查，未發(fā)現(xiàn)有裂縫。
現(xiàn)場交通量正常，但大型貨車較多，且時有超載的違章車輛通過。
3.2.2 施工情況
該小橋所使用的混凝土和鋼筋各項指標均合格，水泥凝結試驗以及摻合料、水、細骨料的試驗結果均屬正常。施工期間氣象條件良好，平均氣溫24℃，濕度60~85%，混凝土澆灌過程中，天氣睛朗，風速較小。橋面板采用整體澆筑，鋼筋布設均按圖施工，但鋼筋搭接恰好處于距路中50cm左右的左側橋面上。 3.2.3 基礎情況
由地質勘察資料分析，該路段地基地質情況較為一致，未有較大的地質差異，且沒有軟弱地質層；鉆孔樁嵌入中風化石英巖。橋臺臺帽及錐坡沒有出現(xiàn)裂縫，因此可排除因地基不均勻沉降所造成的裂縫。
3.2.4 設計情況
根據(jù)實際使用荷載進行驗算，發(fā)現(xiàn)原設計橋面板配筋量為承載力要求的1.5~1.6倍，偏于安全。但設計圖紙中，橋面鋪裝層采用4cm厚的水泥混凝土，厚度偏薄，且未配置構造鋼筋。
3.2.5 診斷結論
綜上所述，本例中橋面板裂縫不可能是由溫差變化、混凝土干縮及基礎不均勻沉降所引起。造成橋面板開裂的主要原因，應該是橋面鋪裝層過薄，導致橋面板局部沖擊荷載過大，產生應力集中而出現(xiàn)裂縫。我們知道，橋面鋪裝即行車道鋪裝，亦稱橋面保護層，它是車輪直接作用的部分。橋面鋪裝層的作用在于防止車輛輪胎或履帶直接磨耗行車道板，保護主梁（橋板）免受雨水侵濕，并對車輛輪重的集中荷載起分布作用，起到聯(lián)系各主梁（橋板）共同受力的作用。為使鋪裝層具有足夠的強度和良好的整體性，一般在混凝土中鋪設直徑為4-6mm的鋼筋。
本例中，因為橋面鋪裝層厚度過薄，且未配置構造鋼筋，喪失了保護橋面板的作用，使橋面板直接承受車輪荷載的沖擊作用。在車輪荷載頻繁沖擊的板帶，由于動荷載的不斷作用而發(fā)生應力集中，出現(xiàn)縱向微裂縫；當應力反復作用時，裂縫逐步擴展，從而不斷減小承受應力作用的有效面積，最終在車輪荷載反復作用達到一定次數(shù)后導致破壞，橋面板出現(xiàn)裂縫。在這種情況下，裂縫會迅速擴展，最后上下貫通，使橋面板失去整體性，承載力不斷下降，最終導致破壞，危害性較大，必須及時采取有效的修補措施，控制裂縫的發(fā)展，增強橋面板的整體性，保證橋梁的正常使用。
4、修補措施
根據(jù)橋面板裂縫的成因，可采取以下幾種修補處理措施。
4.1 橋面鋪裝層重新鋪設
4.1.1 橋面鋪裝層采用C40防水混凝土，路線中心處厚度為13.6cm，路邊緣處厚度為8cm，構造筋采用φ10@120，提高鋪裝層的整體強度。
4.1.2 嚴格控制施工質量，橋面板頂面鑿毛至露出骨料3~5mm，并用高壓氣泵或水槍清理干凈；嚴格控制混凝土的配合比和坍落度，使混合料具有良好的和易性；混凝土采用低收縮配方，減少收縮開裂。
4.1.3 為使橋面鋪裝層與橋面板緊密結合，使橋面鋪裝層共同參與受力，同時固定橋面鋪裝鋼筋的位置，采用“植筋”的技術。在橋面板上按1m×1m的間距鉆孔，孔深大于鋼筋錨固長度，孔徑略大于鋼筋直徑，前后排孔的布置成梅花狀；用高壓氣泵將孔清理干凈后，灌入調配好的環(huán)氧樹脂膠液，然后植入Φ18螺紋鋼筋，待膠液固化并達到強度后，將植入的鋼筋與橋面鋪裝鋼筋牢固焊接后，再澆筑防水混凝土。
4.1.4 鑿開橋頭搭板，重新調整搭板厚度，并鋪設構造鋼筋，使其與橋面板及橋兩側路面連接順暢。
4.2 裂縫的修補
4.2.1 對于橋面板中間帶上下貫通的裂縫，其下部采用鋼板粘結施工法進行修補。這種施工法是用環(huán)氧樹脂把鋼板粘貼在橋面板混凝土受拉緣的外表面，使其與原橋面形成整體化，在活載的作用下可作為鋼筋來使用。本工程采用6mm厚、100mm寬的長條鋼板，順橋方向進行加固。施工時采用液狀環(huán)氧樹脂注入施工法，根據(jù)橋面板的平整度，用錨固螺栓預先固定鋼板，并使鋼板與橋面板表面間保持2~4mm的間隙，然后用膩子狀環(huán)氧樹脂封閉鋼板的邊緣，再從適當設置在封閉線上及鋼板中部的注入口注入環(huán)氧樹脂，并保持原狀使其硬化。
4.2.2 對于橋面板中間帶上下貫通的裂縫，其上部采用注入施工法進行處理。沿裂縫7~8cm寬度的范圍內，用砂輪機和鋼絲刷去混凝土表面的游離石灰和灰塵等，并用洗凈劑清洗，然后加壓注入具有滲透性和粘著性的環(huán)氧樹脂，以此來填充混凝土裂縫，提高橋面板的防水性，防止鋼筋銹蝕及混凝土老化。
4.2.3 對橋面板下部寬度小于0.2mm的其它裂縫，采用表面處理法進行修補，在混凝土表面沿裂縫涂抹樹脂保護膜。施工時先用鋼絲刷除去混凝土表面的附著物，再用清水清洗，經充分干燥后，用油灰狀樹脂填充混凝土表面的凹癟部分后，再進行必要的涂抹。
5、結束語
造成橋梁出現(xiàn)裂縫的原因是多種多樣，非常復雜的，設計疏漏、施工低劣、監(jiān)理不力，均可能使混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫。結構設計中，鋼筋混凝土結構構件是允許帶裂縫工作的，問題不在有無裂縫，而在于出現(xiàn)什么樣的裂縫。當橋梁發(fā)生開裂現(xiàn)象后，應從設計、施工及其使用狀況等各方面進行細致地調查測試及詳盡地分析，找出開裂的主要原因，分析裂縫的性質，預料其對結構的危害性，判斷其需要修補或加固的緊迫性，最后采取合理、有效、經濟的修補加固措施，使橋梁損傷尚在輕微時期就能得到修補，保證其正常地使用。
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