淺談橋梁裂縫病害及其成因分析
2015-05-26
肇慶市公路局養(yǎng)護的現(xiàn)役橋梁大多數(shù)建于在上世紀的60～80年代，有的甚至更早。共有大、中橋122座，其中特大橋3座，大橋34座，中橋85座。主要有以下幾大類較為普遍的橋型：①T梁橋，②連續(xù)梁橋，③雙曲拱橋，④剛架拱橋。近幾年來，本人一直從事橋梁檢測，在檢測過程中通過不斷學習、鉆研、查閱資料并總結經驗，下面談談本人對以上類型橋梁的裂縫病害及其成因分析。
橋梁裂縫病害及其成因分析
一、T梁橋
?。?）豎向裂縫
在鋼筋混凝土T梁的跨中附近，梁肋兩側面出現(xiàn)較多的豎向裂縫，裂縫由梁肋底面向上延伸，長短不一，上端最高延伸至翼緣與梁肋相接處，下端延伸至梁肋底面，裂縫間距約0.3～1.0m，寬度約為0.03～0.3mm，個別裂縫甚至達0.3mm以上。部分裂縫呈兩側對稱狀態(tài)，跨徑較小的T梁，其裂縫數(shù)量及寬度相對來說少而細小。這是T梁在恒載及車輛等荷載作用下產生的豎向裂縫，屬于結構受力裂縫，如圖（a）所示。
（2）斜向裂縫
斜向裂縫多出現(xiàn)在T梁支座至1/4跨之間，傾角約在30°～60°之間，裂縫以跨中為中心，成“八”字形，斜向裂縫一般由梁肋底面向上延伸，寬度一般在0.05～0.3mm之間。是T梁在恒載作用及車輛荷載等作用下產生的斜向裂縫，屬于受力裂縫，如上圖（b）所示。
（3）T梁肋板表面豎向裂縫
鋼筋混凝土T梁肋板表面出現(xiàn)的豎向裂縫，在梁肋的中部附近裂縫寬度較大，一般在0.15mm～0.3mm左右，而裂縫上、下端處的裂縫寬度較小，又稱為欖核形裂縫。產生的原因有兩個方面：①T梁水平分布鋼筋數(shù)量偏少或鋼筋直徑偏細，布置間距過大；②在T梁混凝土澆筑后，肋板混凝土硬化收縮，受到受壓翼板和梁肋下部較多主筋的約束而造成的。
鋼筋砼T梁出現(xiàn)裂縫的機率很大，并且以跨中居多，基本上是帶裂縫工作。總體來說，整體搭支架現(xiàn)澆的T梁其整體性及剛度較好，裂縫相對較少，而預制吊裝的T梁則整體性欠佳，因此容易出現(xiàn)較多的裂縫；預應力砼T梁由于受到預應力筋的約束，在營運期間出現(xiàn)裂縫的機率較小，其出現(xiàn)裂縫的原因往往是由于施工過程中及后期養(yǎng)護條件控制措施不當及張拉預應力時引起的，如圖（c）所示。
二、連續(xù)箱梁
?。?）箱梁腹板斜向裂縫
混凝土連續(xù)箱梁腹板一般有兩類斜裂縫：
一類斜向裂縫往往出現(xiàn)在邊跨梁端附近、中跨在墩支座中心線與反彎點之間的區(qū)域，斜向裂縫往往由箱梁腹板下邊緣向上斜向延伸，傾角約在30°～60°角范圍內。腹板斜向裂縫在跨間兩邊往往對稱發(fā)生，如圖（d）、（e）所示。
另一類腹板斜向裂縫是斜向裂縫與底板的橫向裂縫相連，一般多發(fā)生在節(jié)段懸臂施工的預應力混凝土箱梁的腹板上。
第一類箱梁腹板斜向裂縫可能產生的原因為：
?、?、箱梁截面高度和腹板厚度尺寸偏小，雖然在設計計算上滿足規(guī)范要求，但在營運階段箱梁混凝土抗裂富余能力不足；
?、?、在邊跨梁端附近梁段，緊鄰邊跨支座，剪力較大，同時還存在著箱梁截面彎矩作用，剪應力與彎曲應力共同作用。在初始開裂后，腹板上的表面豎向彎曲裂縫會繼續(xù)斜向發(fā)展，形成彎-剪斜向裂縫。
?、?、預應力混凝土箱梁底板中鋼束錨固的齒板與頂板中鋼束錨固齒板之間在梁的縱向錯開距離不夠，出現(xiàn)腹板拉裂的斜向裂縫。
第二類預應力混凝土箱梁腹板斜向裂縫產生的可能原因有：
?、?、在預應力鋼束錨固的齒板后部的箱梁底板上，由于非預應力鋼筋數(shù)量不足或布置不合理，造成底板產生橫橋向裂縫，并向著腹板擴展，形成與梁縱軸呈30°～60°角的腹板斜向裂縫。
?、?、箱梁施工造成的較大混凝土超方，實際上是增加了箱梁自重恒載作用，增加了恒載剪力和彎矩。
?。?）箱梁腹板豎向裂縫
一類是在連續(xù)箱梁的跨中區(qū)段和墩頂部位區(qū)段分別出現(xiàn)由箱梁底板邊緣向上延伸和由箱梁頂板邊緣向下延伸的豎向裂縫，其中較常見的是在跨中區(qū)段由梁底板邊緣向上延伸的豎向裂縫。對節(jié)段施工的預應力混凝土箱梁，一般易在箱梁節(jié)段的接縫內或接縫附近出現(xiàn)豎向裂縫。箱梁腹板豎向裂縫往往還伴著隨箱梁底板或頂板的橫向裂縫。
其產生原因主要是：在支架上現(xiàn)澆混凝土施工時荷載作用效應的結果。當豎向裂縫最大寬度超過限值時，應結合設計、施工資料進行檢算，進一步查明原因。
另一類是箱梁腹板豎向裂縫是在腹板的半高處，離翼板及底板均有一段距離，而裂縫呈中間較大兩端細小的欖核形裂縫，在箱梁跨中部位往往間距較密，而在其他部位間距較疏。
其產生原因主要是箱梁混凝土的收縮造成的。
?。?）箱梁底板橫向裂縫
在箱梁底板表面上，沿箱梁跨度方向上的裂縫。可分為如下三類：
第一類：底板的橫向裂縫主要發(fā)生在鋼筋混凝土連續(xù)梁的跨中區(qū)段，常常伴隨出現(xiàn)腹板上的豎向彎曲裂縫；
第二類：底板的橫向裂縫主要出現(xiàn)在節(jié)段施工的預應力混凝土連續(xù)箱梁的相鄰節(jié)段之間的接縫附近；
第三類：底板的橫向裂縫出現(xiàn)在后張法預應力混凝土連續(xù)箱梁底板齒塊后方區(qū)段，往往伴隨著出現(xiàn)腹板的斜裂縫。
在支架上現(xiàn)澆混凝土施工的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁底板出現(xiàn)橫向裂縫的主要原因為荷載作用效應，即為使用階段正彎矩作用產生的，另外也可能為箱梁混凝土溫度收縮變形受到約束而施工對策不當引起的， （4）箱梁頂板縱向裂縫
箱梁頂板下表面沿箱梁跨徑方向的縱向裂縫，通常情況下，縱向裂縫的裂縫寬度較小，斷斷續(xù)續(xù)延伸。箱梁頂板表面縱向裂縫一般有兩種情況：
一種是縱向裂縫延伸較長，往往在箱梁的跨中區(qū)段和接近支座部位箱梁區(qū)段；另一種是在節(jié)段懸臂澆筑混凝土箱梁的節(jié)段分界線之間，縱向裂縫起始于節(jié)段接縫處，但縱向裂縫延伸不超過另一節(jié)段接縫。
第一類裂縫主要可能是日照輻射作用，即由溫差產生的收縮作用而產生的，特別是在連續(xù)箱梁的跨中區(qū)域。另一個原因可能是箱梁頂板寬度較大，橫向配筋或橫向預應力不足，在車輛輪載作用下產生的裂縫。
第二類裂縫產生的原因可能是節(jié)段懸臂澆筑混凝土箱梁施工時，未能采取有力保養(yǎng)措施而由新舊混凝土之間溫度收縮產生的。
三、雙曲拱
?。?）拱肋在跨中附近的徑向裂縫
主拱圈混凝土拱肋在跨中附近出現(xiàn)的垂直于拱軸線方向的裂縫一般是由拱肋截面下邊緣向上延伸發(fā)展。
該類型裂縫產生的原因有以下幾點：
①、拱肋截面設計尺寸偏小，截面受力鋼筋配筋率偏低或不足，在自重和車輛荷載作用下，主拱圈在跨中區(qū)段正彎矩較大，導致拱肋在跨中區(qū)段產生混凝土開裂；
②、拱腳（墩臺）可能發(fā)生了過大的水平位移，使主拱圈跨中區(qū)段截面正彎矩大大增加；
?。?）拱肋在拱腳區(qū)段的橫向裂縫
拱肋在拱腳區(qū)段的混凝土橫向裂縫（拱背不設錨入臺座鋼筋的雙曲拱，拱背徑向縫往往出現(xiàn)在拱腳截面，即與臺座的接觸面上），又稱為拱背徑向縫，是由于拱腳（墩臺）發(fā)生較大水平位移產生的。
?。?）拱波沿橋跨徑方向的裂縫
出現(xiàn)在拱波頂部沿橋跨徑方向的裂縫，又稱“波頂裂縫”。較多地出現(xiàn)在主拱圈頂部（跨中）附近并前后延伸，大多數(shù)裂縫長度在1/4～3/4跨之間，有時也會出現(xiàn)在主拱圈拱腳附近。
產生這種裂縫的原因有以下幾點：
?、佟⒐安ń孛驿摬挠昧坎蛔?，可能在施工安裝起吊時就已產生裂縫；
?、?、拱波上方的混凝土現(xiàn)澆層（又稱為拱板）過厚，拱板混凝土收縮較大，加之拱波頂處混凝土厚度最小，是主拱圈截面上最薄弱的地方，故拱波產生沿跨徑方向的縱向裂縫；
?、?、拱肋間橫系梁數(shù)量及剛度不足，荷載橫向分布不均勻造成拱肋受力不均，而拱波又是與拱肋連接在一起，各拱肋間的不均勻沉降造成裂縫的產生。
?。?）拱波與拱肋結合面處的裂縫
拱波與拱肋結合面處出現(xiàn)平行于拱軸線的裂縫，又稱環(huán)向縫。
環(huán)向縫產生的原因是沒有采取足夠保證主拱圈整體性的有效措施，或者在設計中未能考慮主拱圈拱腳過大水平位移產生的作用，這時主拱圈的拱頂正彎矩及拱腳剪力大大增加，當其大于結合面的極限粘結力時，進而使環(huán)向縫產生。
四、剛架拱橋
（1）拱片實腹段混凝土豎向裂縫
混凝土剛架拱拱片實腹段厚度較小，又位于拱片跨中區(qū)段，使用階段實腹段主要承受正彎矩，較易產生混凝土裂縫。拱頂實腹段處的裂縫是呈豎向裂縫狀態(tài)，且裂縫寬度是上窄下寬。
這種裂縫可能是超過設計荷載的車輛荷載作用而造成實腹段截面彎矩過大，即截面下邊緣混凝土拉應變較大，超出混凝土極限拉應變而導致開裂。
?。?）節(jié)點附近的混凝土斜裂縫
拱片各桿件節(jié)點處混凝土開裂原因有以下幾點：
①、節(jié)點部位設計上缺少必要的斜向鋼筋，以抵抗節(jié)點部位混凝土受拉主應力；
?、凇⒏鳁U件軸線在節(jié)點部位實際并未相交于一點，且受其他附加應力影響，使節(jié)點局部應力過大引起混凝土開裂；
?、?、剛架拱片二次拼裝施工時，可能會造成節(jié)點剛度弱化，使得桿件混凝土開裂發(fā)生在節(jié)點連接部位。
（3）剛架拱拱腿及斜撐根部的混凝土環(huán)向裂縫
拱腿及斜撐底部區(qū)段附近有較多由上而下的環(huán)形裂縫，有的開裂至拱腿及斜撐截面高度一半左右。
當墩臺發(fā)生不均勻沉降時，作用在拱腿及斜撐底部截面為負彎矩，即使較小的不均勻下沉量，也在此區(qū)段將產生較大的截面混凝土拉應力。
?。?）橫系梁裂縫
拱片間橫系梁出現(xiàn)豎向的裂縫，往往裂縫由橫系梁的截面下邊緣延伸到上邊緣。
對中等跨徑和大跨徑鋼筋混凝土剛架拱橋，在橋面車輛荷載作用下，拱片會發(fā)生側向變形，在拱片跨中附近（實腹段）設置橫系梁的作用是約束這種變形，保證各拱片橫向整體工作。當橫系梁本身截面尺寸不足，或者在跨中附近橫系梁設置數(shù)量不夠時，橫系梁本身受拉力較大，致使橫系梁開裂。
結論
裂縫病害是橋梁營運過程中出現(xiàn)的最嚴重病害類型之一，其嚴重程度直接影響著橋梁的使用壽命及行車安全，及時發(fā)現(xiàn)并掌握裂縫的類型及成因，對橋梁的安全營運至關重要。通過對橋梁檢測和普查，特別是對國、省道的大中橋定期全面檢測，及時掌握橋梁的質量狀況，發(fā)現(xiàn)隱患及時上報，將安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。養(yǎng)護部門根據(jù)檢測結果，進行及時維修和加固，不但確保了行車安全，而且延長了橋梁的使用壽命。
