預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的裂縫成因及其對(duì)策

　　預(yù)應(yīng)力梁橋（包括簡支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)）目前是我國修建最多的橋梁。在這些橋梁的修建過程中和運(yùn)營過程中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)梁體不同部位出現(xiàn)龜裂、橫向、縱向和斜向裂縫。裂縫一但出現(xiàn)，輕則影響結(jié)構(gòu)的耐久性、重則直接影響結(jié)構(gòu)的承載能力，甚至危及結(jié)構(gòu)的安全，值得予以重視，并應(yīng)弄清裂縫產(chǎn)生的原因，首先采取措施預(yù)防裂縫發(fā)生，一旦裂縫發(fā)生，則必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?，予以及時(shí)的觀察監(jiān)測和處理，以保證橋梁的安全和耐久性能。]

　　一、預(yù)應(yīng)力梁橋的裂縫種類及其原因

　　1、預(yù)應(yīng)力簡支梁橋的裂縫種類及其原因

　?。?）龜裂

　　預(yù)應(yīng)力簡支梁橋在預(yù)制時(shí)容易產(chǎn)生龜裂，其原因除了由于混凝土配比不合適，個(gè)別混凝土澆筑不均勻外，在養(yǎng)護(hù)過程中灑水不及時(shí)，覆蓋不嚴(yán)，采用蒸養(yǎng)時(shí)過快的升、降溫等均可能產(chǎn)生梁體表面龜裂。

　　（2）縱向裂縫

　　縱向裂縫多發(fā)生在運(yùn)營期間，其原因除了張拉力過大（設(shè)計(jì)不合理或施工超張拉）外，也與混凝土的質(zhì)量有關(guān)，如有一些鐵路運(yùn)營線上的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，在運(yùn)營10多年或20多年后出現(xiàn)沿縱向力筋的裂縫，后通過調(diào)查確定為堿骨料反應(yīng)導(dǎo)致混凝土的承載力下降造成。由于這種裂縫處于主要受力鋼束部位，極易引起縱向鋼束銹蝕，對(duì)結(jié)構(gòu)影響非常大。

　　（3）橫向裂縫

　　橫向裂縫多發(fā)生在運(yùn)期間，超載、各種原因是預(yù)應(yīng)力損失超過設(shè)計(jì)預(yù)想，都可能導(dǎo)致裂縫的發(fā)生。此外，由于徐變上拱的發(fā)生和發(fā)展，在梁的上翼緣也會(huì)產(chǎn)生橫向裂縫，特別對(duì)活荷載比重較大的鐵路橋梁更是如此，而且隨徐變的發(fā)展，裂縫也會(huì)發(fā)展，而當(dāng)橋上荷載較大時(shí)，這種裂縫又會(huì)暫時(shí)閉合。

　?。?）主拉應(yīng)力方向斜裂縫

　　這種裂縫一般發(fā)生在運(yùn)營期間，且多在跨度四分之一附近區(qū)域的腹板上，可以認(rèn)為基本上是由于主拉應(yīng)力方向抗裂安全儲(chǔ)備不足而造成的。

　　2、預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)橋的裂縫種類及其原因

　　（1）表面龜裂

　　與預(yù)應(yīng)力簡支梁類似，這種裂縫一般是由于連續(xù)梁與連續(xù)剛構(gòu)在施工過程中養(yǎng)護(hù)不及時(shí)或溫度變化較大時(shí)產(chǎn)生的。由于這類橋在國內(nèi)大部分是采用懸臂灌注或支架法施工的，高空養(yǎng)護(hù)條件比地面更差，極易因養(yǎng)護(hù)澆水不及時(shí)而造成混凝土表面干縮快，內(nèi)部干縮慢，使外部混凝土受拉超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生開裂。此外，由于新澆筑的混凝土暴露在高空大氣中，周圍環(huán)境溫度的過快變化，如施工過程中的保溫措施不力、水泥結(jié)硬過程產(chǎn)生水化熱時(shí)發(fā)生驟然降溫等，均有可能產(chǎn)生表面龜裂。

　　（2）在跨度l/4附近出現(xiàn)的斜裂縫

　　這種裂縫一般是由于剪應(yīng)力過大，主拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度而造成的，有時(shí)也與構(gòu)造鋼筋的布置有關(guān)。當(dāng)荷載增大時(shí)，裂縫會(huì)逐漸向受拉區(qū)發(fā)展。在開裂嚴(yán)重的情況下，縫隙可能沿腹板貫通。

　?。?）梁底沿縱向預(yù)應(yīng)力的貫通裂縫

　　這種裂縫一般是由于預(yù)應(yīng)力或截面尺寸設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致壓力過大造成的，有時(shí)與施工質(zhì)量也有一定的關(guān)系，有的橋梁在施工過程中就發(fā)生了底板長距離貫通開裂的現(xiàn)象。

　?。?）支撐處頂板或跨中底板的橫向裂縫

　　這種裂縫一般是預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)不合理，梁在收縮徐變和鋼束松弛的影響下，彎矩最大截面的混凝土受拉區(qū)出現(xiàn)超過混凝土抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力，導(dǎo)致開裂。對(duì)于邊、中跨比較大的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)，在邊跨端部區(qū)域容易引起開裂，早期用頂推法施工的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁，由于設(shè)計(jì)配筋不合理，梁在頂推施工中結(jié)構(gòu)受力與運(yùn)營狀態(tài)的結(jié)構(gòu)受力相反時(shí)，也容易出現(xiàn)橫向裂縫，有的橋在頂推過程中甚至出現(xiàn)貫通截面的裂縫，但這種裂縫在頂推就位后一般在反向受力下即可閉合。

　?。?）梁全截面的破壞性崩裂

　　曾經(jīng)有一座利用滑移支架法逐段施工的預(yù)應(yīng)力梁，在某階段張拉只將要結(jié)束時(shí)，錨下崩裂破壞，同時(shí)產(chǎn)生巨大的沖擊能，致使箱梁全截面開裂并發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。將近10m長的梁體報(bào)廢。經(jīng)事后詳細(xì)的受力分析，找出事故的原因是設(shè)計(jì)在箱梁底板的布束過密，底板高度較小，錨下局部應(yīng)力過大導(dǎo)致了混凝土壓潰。[Page]

　　二、預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的裂縫預(yù)防與處置對(duì)策

　　1、龜裂的預(yù)防和處置對(duì)策

　?。?）對(duì)于收縮裂縫應(yīng)注意合理配置適當(dāng)?shù)臉?gòu)造鋼筋，盡可能降低水灰比，并在混凝土澆筑后及時(shí)覆蓋澆水養(yǎng)護(hù)，在干燥環(huán)境下更應(yīng)注意加強(qiáng)養(yǎng)生。

　?。?）對(duì)于因溫度變化過大造成的裂縫，首先應(yīng)選擇低水化熱的水泥，合理配置構(gòu)造鋼筋；其次是對(duì)采用蒸汽養(yǎng)生的梁，應(yīng)嚴(yán)格控制開始的升溫和結(jié)束時(shí)的降溫時(shí)間，按規(guī)定使梁體混凝土緩緩升、降溫；在寒冷地區(qū)澆筑梁體混凝土?xí)r，要采用切實(shí)可行的保溫、隔熱措施等。有時(shí)，新舊混凝土接縫處，沿接縫面中部的垂直方向，由于新混凝土結(jié)硬的水化熱與已經(jīng)結(jié)硬、冷卻的舊混凝土之間存在溫差；同時(shí)由于舊混凝土齡期較長，收縮大部分完成，而新澆混凝土結(jié)硬時(shí)收縮受阻等原因也會(huì)引起混凝土開裂，這種情況應(yīng)該盡量避免，若必須如此，則應(yīng)采取增加構(gòu)造布筋和其他適當(dāng)?shù)臏p小溫差的措施。

　　由于龜裂一般深入混凝土的深度不大，裂縫寬度一般也較小，除對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性和美觀可能有影響外，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)當(dāng)前的受力造成影響，故可用外部涂刷或其他的封閉法處理，以免減小鋼筋的保護(hù)層厚度，是鋼筋容易遭受腐蝕。

　　2、梁底縱向裂縫如前所述，梁底縱向裂縫一般來說是受力裂縫，所以，首先在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理擬定截面，確定適宜的預(yù)應(yīng)力度，對(duì)于較長的跨度及橋面較寬的情況，應(yīng)盡量設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力，此外，對(duì)錨下局部應(yīng)力應(yīng)給予足夠的重視，對(duì)超常規(guī)設(shè)計(jì)必要時(shí)應(yīng)配合做錨下局部應(yīng)力試驗(yàn)，以免混凝土受力過大。此外，對(duì)易發(fā)生堿骨料的地區(qū)，應(yīng)重視骨料的選用以及施工用水的化驗(yàn)，避免堿骨料反應(yīng)發(fā)生。

　　對(duì)于因截面或預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的裂縫，應(yīng)找出應(yīng)力的超過幅度，進(jìn)行分析，若應(yīng)力超出不多，可用改性環(huán)氧混凝土將裂縫澆搗封閉，否則，應(yīng)采用加固截面或加體外預(yù)應(yīng)力等措施處理。若開裂非常嚴(yán)重，必要時(shí)應(yīng)廢掉重做。

　　3、梁頂?shù)酌娴臋M向裂縫對(duì)于鐵路簡支梁在運(yùn)營期間因徐變產(chǎn)生的橫向裂縫，一般因權(quán)衡活載上橋后的下翼緣的受力和徐變基本結(jié)束后的上翼緣在恒載單獨(dú)作用下的受力情況，以及梁的豎向剛度要求，在可能的情況下減小預(yù)應(yīng)力度。對(duì)于一般的連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋，在設(shè)計(jì)必要時(shí)應(yīng)做徐變試驗(yàn)，或預(yù)留張拉孔道，以便日后出現(xiàn)開裂時(shí)對(duì)梁的受力進(jìn)行調(diào)整，使裂縫閉合。對(duì)于在頂推法施工過程中開裂、頂推結(jié)束后閉合的裂縫，仍應(yīng)采用環(huán)氧樹脂予以封閉，以免在日后的運(yùn)營過程中因水汽或有害氣體進(jìn)入，腐蝕鋼筋和高強(qiáng)鋼束，影響結(jié)構(gòu)的安全及耐久性。

　　對(duì)于在運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)的橫向裂縫，一般應(yīng)采用改性環(huán)氧樹脂封閉，或在梁頂、底面用碳纖維布粘貼加固的方法處理。

　　4、主拉應(yīng)力方向的斜裂縫

　　在近年來，一些運(yùn)營中的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)出現(xiàn)了主拉應(yīng)力方向的斜裂縫，應(yīng)該引起注意。一般來說，由于連續(xù)的混凝土結(jié)構(gòu)存在次內(nèi)力的再分配問題，施工過程中的影響因素又非常之多，在裂縫出現(xiàn)后要準(zhǔn)確找出原因很困難，所以，在設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)該合理地確定中、邊跨比，注重跨度1/4的剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力檢算，適當(dāng)增加箍筋配置，對(duì)連續(xù)結(jié)構(gòu)的豎向預(yù)應(yīng)力筋的永存預(yù)應(yīng)力的核算，應(yīng)充分考慮施工控制精度和工藝水平以及各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失，做到客觀合理。

　　5、梁全截面的破壞性崩裂如前所述，梁全截面的破壞性崩裂是一種災(zāi)難性事故，在造成工程結(jié)構(gòu)和設(shè)備損失的同時(shí)，有時(shí)還會(huì)造成人員的傷亡，應(yīng)全力避免。除在設(shè)計(jì)時(shí)詳細(xì)核算截面的整體受力外，還應(yīng)對(duì)錨下局部應(yīng)力的檢算予以重視，此外，施工中要從機(jī)具的校驗(yàn)和操作工藝上嚴(yán)格把關(guān)，保證不超張拉。

　　三、結(jié)語

　　1、按照以往橋梁規(guī)范規(guī)定，預(yù)應(yīng)力梁體混凝土的縱向裂縫寬度不應(yīng)超過0.2mm，在梁體的豎向裂縫則不允許出現(xiàn)。新修訂的公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范則對(duì)于一般環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力梁體，規(guī)定其裂縫限值為0.1mm。而實(shí)際梁體一旦開裂，多數(shù)情況下裂縫寬度往往就已超過這些限值。所以，即使目前的裂縫對(duì)結(jié)果受力不會(huì)造成影響，單從保證結(jié)構(gòu)耐久性來講，也必須對(duì)其進(jìn)行處理。特別是對(duì)處于潮濕多雨和空氣中有害氣體含量較高地區(qū)的橋梁，以及冬季必須在橋上撤除冰鹽消冰的地區(qū)的橋梁，更是如此。

　　對(duì)于因橋上超載引起的裂縫，一般應(yīng)詳細(xì)分析超載的情況，并根據(jù)未來荷載的發(fā)展可能，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)影響等因素，決定是加固或?qū)α芽p進(jìn)行一般的處理，或者廢棄重修新結(jié)構(gòu)。

　　2、如上所述，預(yù)應(yīng)力橋梁的開裂是一個(gè)復(fù)雜的問題，牽涉設(shè)計(jì)、施工、氣候、運(yùn)營期的荷載及其運(yùn)營養(yǎng)護(hù)等方面，所以，要從根本上減少以至基本消除梁體開裂現(xiàn)象，需要各個(gè)方面的共同努力和配合，缺一不可。

　　3、近年來，有些設(shè)計(jì)和咨詢部門在對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，往往僅從理論出發(fā)，對(duì)一些結(jié)構(gòu)截面尺寸和布筋進(jìn)行了不適當(dāng)?shù)南麥p，而沒有綜合考慮施工誤差和工藝水平以及運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)的實(shí)際情況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全度和耐久性降低，在一些其他因素的綜合影響下，極有可能導(dǎo)致混凝土開裂甚或造成事故，結(jié)果有的橋梁出事后的處理費(fèi)用非常之大，而且耽誤了工期，有的則對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性造成了隱患，這種情況應(yīng)該引起重視。由于和國外發(fā)達(dá)國家相比，我國的工程結(jié)構(gòu)安全度相對(duì)較低，所以，一般不應(yīng)過分強(qiáng)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)省工程量，而應(yīng)從結(jié)構(gòu)的安全及耐久性方面多予以考慮。

　　4、凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量同所用骨料、砂的質(zhì)量及水泥品種有直接關(guān)系。因此，嚴(yán)把原材料關(guān)，是保證混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，近年來在一些地區(qū)發(fā)生了較為嚴(yán)重的堿骨料反應(yīng)現(xiàn)象，其中有的是運(yùn)營10多年或更長時(shí)段的梁，只是梁的承載力大幅度下降，從而不得不換梁，這種現(xiàn)象必須引起重視，其對(duì)策是檢驗(yàn)骨料，并剔除容易發(fā)生化學(xué)反映的部分；限制水泥中的堿分；添加火山灰類物質(zhì)的活性堿（如粉煤灰或硅灰）；細(xì)骨料的級(jí)配應(yīng)盡量偏于粒徑粗大方面。