公路舊橋梁體裂縫檢測要點(diǎn)及成因分析
鄭連生1 王星1 石永彬1 李海勇2
（1.天津市市政工程研究院；2.天津市公路工程總公司）
1 前言 橋梁是公路建設(shè)中用于跨越構(gòu)造物的結(jié)構(gòu)，目前我國橋梁多為鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。隨著道路交通量的增加，車輛超限、超載屢禁不止，以及不可逆轉(zhuǎn)的車輛大型化發(fā)展趨勢，造成橋梁在投入運(yùn)營一段時(shí)間后就出現(xiàn)嚴(yán)重下?lián)?、開裂等病害，結(jié)構(gòu)安全性降低，影響橋梁的正常使用。本人近幾年參加了一些舊橋的檢測、加固設(shè)計(jì)工作，擔(dān)任過數(shù)十座橋梁檢測項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，對橋梁病害有所了解。本文僅對公路舊橋常見結(jié)構(gòu)梁體裂縫這一病害的檢測要點(diǎn)及成因分析進(jìn)行介紹。 2 裂縫的概念及危害 裂縫是固體材料中的某種不連續(xù)現(xiàn)象，裂縫按形狀分為，表面的、貫穿的、縱向的、橫向的、斜向的、上寬下窄、下寬上窄、棗核形和縱深的（深度達(dá)厚度一半），裂縫的形狀與結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)有直接關(guān)系。 從近代固體強(qiáng)度理論的發(fā)展中可以看到，裂縫的擴(kuò)展是結(jié)構(gòu)破壞的初始階段，相對的某些裂縫，也會(huì)使結(jié)構(gòu)承載力受到一定威脅，同時(shí)，裂縫使空氣等進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，直接與鋼筋相接觸，從而使鋼筋失去了混凝土對其保護(hù)作用，鋼筋銹蝕產(chǎn)生膨脹效應(yīng)，對外圍混凝土產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力，致使混凝土裂縫進(jìn)一步擴(kuò)張，嚴(yán)重影響鋼與混凝土之間的粘結(jié)作用，從而影響結(jié)構(gòu)的整體性，降低結(jié)構(gòu)剛度和承載能力，并影響結(jié)構(gòu)的耐久性。 3 幾種常見結(jié)構(gòu)裂縫的檢測要點(diǎn)及成因分析 3.1 簡支空心板梁 ⑴鋼筋混凝土板梁：梁底橫向裂縫及腹板豎向裂縫是常見病害，裂縫主要分布在跨中附近，裂縫較密，腹板裂縫表現(xiàn)為下寬上窄，嚴(yán)重的會(huì)向上延伸到翼緣。此類結(jié)構(gòu)在荷載作用下梁底產(chǎn)生正彎距，梁底拉應(yīng)力大于混凝土本身的抗拉強(qiáng)度，因此會(huì)出現(xiàn)橫向裂縫。 ⑵先張預(yù)應(yīng)力混凝土板梁：主要病害類型為梁端底部有橫向裂縫，裂縫會(huì)向上延伸至板梁腹板，形成支座附近腹板斜裂縫。產(chǎn)生此類病害的原因是多方面的，比如在設(shè)計(jì)階段預(yù)應(yīng)力失效長度設(shè)置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件不能更好的抵抗自重及活荷載的彎矩，梁端位置彎矩在梁底產(chǎn)生的拉應(yīng)力
過大而產(chǎn)生橫向裂縫，當(dāng)板梁梁底橫向裂縫發(fā)展到一定深度時(shí)，該位置處混凝土截面有效抗剪面積減小，使剪應(yīng)力增大，便出現(xiàn)了腹板斜裂縫。即板梁所出現(xiàn)的板底橫向裂縫及腹板斜裂縫是由彎矩引起的，剪力加快了裂縫的發(fā)展，屬于典型的彎剪破壞。 ⑶后張預(yù)應(yīng)力混凝土板梁：梁底縱向裂縫是此類結(jié)構(gòu)的典型病害。主要原因有兩點(diǎn)：其一，由于泊松效應(yīng)，在混凝土縱向受壓時(shí)，在橫向產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力過大導(dǎo)致板梁底縱向裂縫；其二，后張法預(yù)應(yīng)力混凝土板梁張拉時(shí)，板梁會(huì)產(chǎn)生反拱，而預(yù)應(yīng)力鋼筋是柔性受拉的，會(huì)保持直線，而底板預(yù)應(yīng)力鋼筋下部的混凝土向上變形，預(yù)應(yīng)力鋼筋必然對其產(chǎn)生壓應(yīng)力，由于底板空心最下緣位置較薄，較容易在此處產(chǎn)生裂縫。 3.2 T梁 對于鋼筋混凝土T梁，梁體裂縫主要表現(xiàn)為腹板豎向裂縫、支座附近腹板斜裂縫?？缰懈浇拱遑Q向裂縫一般分布在跨中附近，間距較小，裂縫從底部向上發(fā)展，下寬上窄，嚴(yán)重的向上延伸整個(gè)腹板高度，向下水平貫通梁底而形成U型裂縫，主要是荷載導(dǎo)致的混凝土開裂；支座附近腹板斜裂縫一般是T梁端部抗剪能力不足而產(chǎn)生的裂縫，裂縫走向與梁體縱軸線成45°角。 對于預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，腹板的縱向水平裂縫比較普遍，裂縫一般沿波紋管走向，梁端位置隨波紋管向上彎起，產(chǎn)生此類裂縫的主要原因是波紋管壁外混凝土保護(hù)層厚度不足造成的。 3.3 箱梁 鋼筋混凝土箱梁的梁體裂縫較為普遍，主要有底板橫向裂縫、腹板豎向裂縫及翼板橫向水平裂縫。裂縫寬度一般很小，間距較小，結(jié)構(gòu)一般不受損傷。產(chǎn)生裂縫的機(jī)理主要是由于混凝土抗拉能力不足，導(dǎo)致處于正彎矩區(qū)的梁底部和負(fù)彎矩區(qū)的梁體出現(xiàn)裂縫。此外，混凝土收縮徐變效應(yīng)也是致裂的主要原因之一。 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)裂縫，按照裂縫產(chǎn)生的位置不同，可以分為：腹板裂縫、底板裂縫、橫隔板裂縫、0#塊裂縫和錨固區(qū)裂縫。 ⑴腹板裂縫 腹板裂縫根據(jù)其產(chǎn)生形態(tài)主要分為斜向裂縫、縱向水平裂縫兩種。 ①腹板斜向裂縫屬結(jié)構(gòu)性裂縫，主要分布于距支座L/4（L為跨度）附近的腹板，邊跨梁端腹板區(qū)域，約呈45°角分布，主要有彎剪斜裂縫和腹剪斜裂縫兩種。 ②腹板縱向水平裂縫大部分沿著腹板下緣的預(yù)應(yīng)力管道分布，且跨中開裂趨勢大于梁端。主要原因是：箱梁變形在梁體內(nèi)部受到鋼筋、波紋管、骨料等的約束作用時(shí)，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力與預(yù)加外應(yīng)力平衡后在梁的各腹板、各截面產(chǎn)生了重分布，當(dāng)重分布后的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)即可造成混凝土產(chǎn)生裂縫。
?、频装辶芽p 底板裂縫從形狀上主要為橫向裂縫、縱向裂縫兩種。 ①底板橫向裂縫：在箱梁正彎矩峰值附近，節(jié)段施工的梁橋沿接縫或在其附近，由于彎曲正應(yīng)力引起的底板彎曲裂縫一般會(huì)貫穿底板全寬，嚴(yán)重時(shí)底板裂縫擴(kuò)展延伸到腹板，形成U形裂縫。底板橫向彎曲裂縫屬結(jié)構(gòu)性裂縫，出現(xiàn)的一些原因包括：預(yù)應(yīng)力布設(shè)不當(dāng)，跨中底板預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備不足；預(yù)應(yīng)力張拉不到位或運(yùn)營中超重車輛過多或?qū)Χ诤爿d估計(jì)不足導(dǎo)致配筋或截面不足。 ②底板縱向裂縫：在工程上常見于主跨中部，近墩處底板中部和兩側(cè)。其產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋合淞旱臋M向剛度不足，橫向撓度過大會(huì)在底板引起縱向裂縫。 ⑶ 0#塊裂縫 在大跨徑橋梁施工過程中，往往是開始階段施工的塊段容易開裂，即0#塊比其他塊段更容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，裂縫主要是施工階段，由于0#塊應(yīng)力較大產(chǎn)生的混凝土內(nèi)部裂縫逐步擴(kuò)散到結(jié)構(gòu)表面。 ⑷橫隔板裂縫 橫隔板是高應(yīng)力區(qū)域，特別是位于墩頂和梁端的橫隔板，荷載產(chǎn)生的應(yīng)力更大。橫隔板裂縫主要表現(xiàn)為板上的豎向、橫向裂縫，人孔四周的輻射狀裂縫。應(yīng)力集中、混凝土的干縮以及箱梁偏載導(dǎo)致應(yīng)力過大是致裂的主要原因。 ⑸錨固區(qū)裂縫 錨固區(qū)裂縫主要是因?yàn)榛炷翉?qiáng)度不夠，錨固端壓力過大，引起混凝土開裂。 4 裂縫檢測方法及注意事項(xiàng) 4.1 裂縫檢測方法 工程實(shí)際中，橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的種類是多種多樣的，產(chǎn)生的原因也是錯(cuò)綜復(fù)雜，且彼此相互作用，因此，我們在檢測或分析時(shí)，應(yīng)從多方面進(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)際情況，分析裂縫成因及對結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和承載能力的影響程度，提出安全、有效的處理措施。對于混凝土橋梁裂縫處理一般可通過下列步驟解決： ⑴通過調(diào)查和檢測掌握裂縫的特征，如：裂縫出現(xiàn)部位、裂縫長度及走向、裂縫寬度、裂縫深度、裂縫形狀（是否交叉）以及裂縫的發(fā)展速度等。 在橋梁裂縫檢測過程中，經(jīng)常會(huì)定期檢測裂縫的變化情況，可用以下簡易方法進(jìn)行：①用讀數(shù)放大鏡或裂縫觀測儀直接測量裂縫的寬度。
?、谠O(shè)置兩塊金屬板相接觸，量測并記下裂縫變化的尺寸。 ③利用水泥漿或石膏作成薄片的標(biāo)記貼在裂縫處，或用玻璃片糊在裂縫上，觀察其是否繼續(xù)開裂。 ⑵根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，綜合設(shè)計(jì)、施工資料的調(diào)查，分析裂縫產(chǎn)生的時(shí)間，判斷裂縫的性質(zhì)及產(chǎn)生的可能原因。 ⑶可通過計(jì)算或荷載試驗(yàn)確定裂縫對橋梁工作狀況和承載能力的影響。對于一座具體的橋梁，可根據(jù)實(shí)際情況和必要性確定是否進(jìn)行荷載試驗(yàn)，關(guān)鍵是要掌握裂縫的成因、性質(zhì)及對結(jié)構(gòu)工作狀況、承載能力和耐久性的影響程度，如果能夠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算有把握判別，則無須進(jìn)行荷載試驗(yàn)。 ⑷確定處理方案。 4.2 裂縫檢測過程中的注意事項(xiàng) ⑴裂縫檢測工作盡量在結(jié)構(gòu)受外界因素影響較小時(shí)進(jìn)行。 ⑵要求記錄氣溫的情況。因?yàn)闅鉁亟档蜁r(shí)，結(jié)構(gòu)的外層比內(nèi)層冷卻的快些，因而表面收縮較快，這時(shí)裂縫呈現(xiàn)的較大，當(dāng)氣溫增高時(shí)則情況相反。 ⑶要求記錄檢測日期。因?yàn)楫?dāng)裂縫處于不穩(wěn)定階段時(shí)，裂縫的狀態(tài)會(huì)隨時(shí)間推移受外界影響而變化。 5 結(jié)語 大量工程實(shí)踐說明，混凝土橋梁梁體產(chǎn)生裂縫是不可避免的，從這個(gè)角度來說，裂縫也是混凝土材料的固有特征之一。我們要根據(jù)不同的工程的實(shí)際情況，確定“有害裂縫”和“無害裂縫”的概念，若對所有部位的抗裂要求過嚴(yán)，必然增大工程成本，但是根據(jù)結(jié)構(gòu)物不同部位的質(zhì)量要求，將裂縫的有害程度控制在允許范圍內(nèi)，是可行的。對保證橋梁承載力、結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性具有重要的意義。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫病害后，要認(rèn)真分析原因，找到解決問題的最佳方法，保證處治方案的可操作性和有效性，使結(jié)構(gòu)在加固后能發(fā)揮正常的使用功能，達(dá)到保護(hù)國家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全的目的。
參考文獻(xiàn) [1]混凝土結(jié)構(gòu)裂縫防治講述化學(xué)工業(yè)出版社 [2]公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范（JTG H11-2004）
