浅谈桥梁裂缝病害及其成因分析
2015-05-26
肇庆市公路局养护的现役桥梁大多数建于在上世纪的60～80年代，有的甚至更早。共有大、中桥122座，其中特大桥3座，大桥34座，中桥85座。主要有以下几大类较为普遍的桥型：①T梁桥，②连续梁桥，③双曲拱桥，④刚架拱桥。近几年来，本人一直从事桥梁检测，在检测过程中通过不断学习、钻研、查阅资料并总结经验，下面谈谈本人对以上类型桥梁的裂缝病害及其成因分析。
桥梁裂缝病害及其成因分析
一、T梁桥
（1）竖向裂缝
在钢筋混凝土T梁的跨中附近，梁肋两侧面出现较多的竖向裂缝，裂缝由梁肋底面向上延伸，长短不一，上端最高延伸至翼缘与梁肋相接处，下端延伸至梁肋底面，裂缝间距约0.3～1.0m，宽度约为0.03～0.3mm，个别裂缝甚至达0.3mm以上。部分裂缝呈两侧对称状态，跨径较小的T梁，其裂缝数量及宽度相对来说少而细小。这是T梁在恒载及车辆等荷载作用下产生的竖向裂缝，属于结构受力裂缝，如图（a）所示。
（2）斜向裂缝
斜向裂缝多出现在T梁支座至1/4跨之间，倾角约在30°～60°之间，裂缝以跨中为中心，成“八”字形，斜向裂缝一般由梁肋底面向上延伸，宽度一般在0.05～0.3mm之间。是T梁在恒载作用及车辆荷载等作用下产生的斜向裂缝，属于受力裂缝，如上图（b）所示。
（3）T梁肋板表面竖向裂缝
钢筋混凝土T梁肋板表面出现的竖向裂缝，在梁肋的中部附近裂缝宽度较大，一般在0.15mm～0.3mm左右，而裂缝上、下端处的裂缝宽度较小，又称为榄核形裂缝。产生的原因有两个方面：①T梁水平分布钢筋数量偏少或钢筋直径偏细，布置间距过大；②在T梁混凝土浇筑后，肋板混凝土硬化收缩，受到受压翼板和梁肋下部较多主筋的约束而造成的。
钢筋砼T梁出现裂缝的机率很大，并且以跨中居多，基本上是带裂缝工作。总体来说，整体搭支架现浇的T梁其整体性及刚度较好，裂缝相对较少，而预制吊装的T梁则整体性欠佳，因此容易出现较多的裂缝；预应力砼T梁由于受到预应力筋的约束，在营运期间出现裂缝的机率较小，其出现裂缝的原因往往是由于施工过程中及后期养护条件控制措施不当及张拉预应力时引起的，如图（c）所示。
二、连续箱梁
（1）箱梁腹板斜向裂缝
混凝土连续箱梁腹板一般有两类斜裂缝：
一类斜向裂缝往往出现在边跨梁端附近、中跨在墩支座中心线与反弯点之间的区域，斜向裂缝往往由箱梁腹板下边缘向上斜向延伸，倾角约在30°～60°角范围内。腹板斜向裂缝在跨间两边往往对称发生，如图（d）、（e）所示。
另一类腹板斜向裂缝是斜向裂缝与底板的横向裂缝相连，一般多发生在节段悬臂施工的预应力混凝土箱梁的腹板上。
第一类箱梁腹板斜向裂缝可能产生的原因为：
①、箱梁截面高度和腹板厚度尺寸偏小，虽然在设计计算上满足规范要求，但在营运阶段箱梁混凝土抗裂富余能力不足；
②、在边跨梁端附近梁段，紧邻边跨支座，剪力较大，同时还存在着箱梁截面弯矩作用，剪应力与弯曲应力共同作用。在初始开裂后，腹板上的表面竖向弯曲裂缝会继续斜向发展，形成弯-剪斜向裂缝。
③、预应力混凝土箱梁底板中钢束锚固的齿板与顶板中钢束锚固齿板之间在梁的纵向错开距离不够，出现腹板拉裂的斜向裂缝。
第二类预应力混凝土箱梁腹板斜向裂缝产生的可能原因有：
①、在预应力钢束锚固的齿板后部的箱梁底板上，由于非预应力钢筋数量不足或布置不合理，造成底板产生横桥向裂缝，并向着腹板扩展，形成与梁纵轴呈30°～60°角的腹板斜向裂缝。
②、箱梁施工造成的较大混凝土超方，实际上是增加了箱梁自重恒载作用，增加了恒载剪力和弯矩。
（2）箱梁腹板竖向裂缝
一类是在连续箱梁的跨中区段和墩顶部位区段分别出现由箱梁底板边缘向上延伸和由箱梁顶板边缘向下延伸的竖向裂缝，其中较常见的是在跨中区段由梁底板边缘向上延伸的竖向裂缝。对节段施工的预应力混凝土箱梁，一般易在箱梁节段的接缝内或接缝附近出现竖向裂缝。箱梁腹板竖向裂缝往往还伴着随箱梁底板或顶板的横向裂缝。
其产生原因主要是：在支架上现浇混凝土施工时荷载作用效应的结果。当竖向裂缝最大宽度超过限值时，应结合设计、施工资料进行检算，进一步查明原因。
另一类是箱梁腹板竖向裂缝是在腹板的半高处，离翼板及底板均有一段距离，而裂缝呈中间较大两端细小的榄核形裂缝，在箱梁跨中部位往往间距较密，而在其他部位间距较疏。
其产生原因主要是箱梁混凝土的收缩造成的。
（3）箱梁底板横向裂缝
在箱梁底板表面上，沿箱梁跨度方向上的裂缝。可分为如下三类：
第一类：底板的横向裂缝主要发生在钢筋混凝土连续梁的跨中区段，常常伴随出现腹板上的竖向弯曲裂缝；
第二类：底板的横向裂缝主要出现在节段施工的预应力混凝土连续箱梁的相邻节段之间的接缝附近；
第三类：底板的横向裂缝出现在后张法预应力混凝土连续箱梁底板齿块后方区段，往往伴随着出现腹板的斜裂缝。
在支架上现浇混凝土施工的钢筋混凝土连续箱梁底板出现横向裂缝的主要原因为荷载作用效应，即为使用阶段正弯矩作用产生的，另外也可能为箱梁混凝土温度收缩变形受到约束而施工对策不当引起的， （4）箱梁顶板纵向裂缝
箱梁顶板下表面沿箱梁跨径方向的纵向裂缝，通常情况下，纵向裂缝的裂缝宽度较小，断断续续延伸。箱梁顶板表面纵向裂缝一般有两种情况：
一种是纵向裂缝延伸较长，往往在箱梁的跨中区段和接近支座部位箱梁区段；另一种是在节段悬臂浇筑混凝土箱梁的节段分界线之间，纵向裂缝起始于节段接缝处，但纵向裂缝延伸不超过另一节段接缝。
第一类裂缝主要可能是日照辐射作用，即由温差产生的收缩作用而产生的，特别是在连续箱梁的跨中区域。另一个原因可能是箱梁顶板宽度较大，横向配筋或横向预应力不足，在车辆轮载作用下产生的裂缝。
第二类裂缝产生的原因可能是节段悬臂浇筑混凝土箱梁施工时，未能采取有力保养措施而由新旧混凝土之间温度收缩产生的。
三、双曲拱
（1）拱肋在跨中附近的径向裂缝
主拱圈混凝土拱肋在跨中附近出现的垂直于拱轴线方向的裂缝一般是由拱肋截面下边缘向上延伸发展。
该类型裂缝产生的原因有以下几点：
①、拱肋截面设计尺寸偏小，截面受力钢筋配筋率偏低或不足，在自重和车辆荷载作用下，主拱圈在跨中区段正弯矩较大，导致拱肋在跨中区段产生混凝土开裂；
②、拱脚（墩台）可能发生了过大的水平位移，使主拱圈跨中区段截面正弯矩大大增加；
（2）拱肋在拱脚区段的横向裂缝
拱肋在拱脚区段的混凝土横向裂缝（拱背不设锚入台座钢筋的双曲拱，拱背径向缝往往出现在拱脚截面，即与台座的接触面上），又称为拱背径向缝，是由于拱脚（墩台）发生较大水平位移产生的。
（3）拱波沿桥跨径方向的裂缝
出现在拱波顶部沿桥跨径方向的裂缝，又称“波顶裂缝”。较多地出现在主拱圈顶部（跨中）附近并前后延伸，大多数裂缝长度在1/4～3/4跨之间，有时也会出现在主拱圈拱脚附近。
产生这种裂缝的原因有以下几点：
①、拱波截面钢材用量不足，可能在施工安装起吊时就已产生裂缝；
②、拱波上方的混凝土现浇层（又称为拱板）过厚，拱板混凝土收缩较大，加之拱波顶处混凝土厚度最小，是主拱圈截面上最薄弱的地方，故拱波产生沿跨径方向的纵向裂缝；
③、拱肋间横系梁数量及刚度不足，荷载横向分布不均匀造成拱肋受力不均，而拱波又是与拱肋连接在一起，各拱肋间的不均匀沉降造成裂缝的产生。
（4）拱波与拱肋结合面处的裂缝
拱波与拱肋结合面处出现平行于拱轴线的裂缝，又称环向缝。
环向缝产生的原因是没有采取足够保证主拱圈整体性的有效措施，或者在设计中未能考虑主拱圈拱脚过大水平位移产生的作用，这时主拱圈的拱顶正弯矩及拱脚剪力大大增加，当其大于结合面的极限粘结力时，进而使环向缝产生。
四、刚架拱桥
（1）拱片实腹段混凝土竖向裂缝
混凝土刚架拱拱片实腹段厚度较小，又位于拱片跨中区段，使用阶段实腹段主要承受正弯矩，较易产生混凝土裂缝。拱顶实腹段处的裂缝是呈竖向裂缝状态，且裂缝宽度是上窄下宽。
这种裂缝可能是超过设计荷载的车辆荷载作用而造成实腹段截面弯矩过大，即截面下边缘混凝土拉应变较大，超出混凝土极限拉应变而导致开裂。
（2）节点附近的混凝土斜裂缝
拱片各杆件节点处混凝土开裂原因有以下几点：
①、节点部位设计上缺少必要的斜向钢筋，以抵抗节点部位混凝土受拉主应力；
②、各杆件轴线在节点部位实际并未相交于一点，且受其他附加应力影响，使节点局部应力过大引起混凝土开裂；
③、刚架拱片二次拼装施工时，可能会造成节点刚度弱化，使得杆件混凝土开裂发生在节点连接部位。
（3）刚架拱拱腿及斜撑根部的混凝土环向裂缝
拱腿及斜撑底部区段附近有较多由上而下的环形裂缝，有的开裂至拱腿及斜撑截面高度一半左右。
当墩台发生不均匀沉降时，作用在拱腿及斜撑底部截面为负弯矩，即使较小的不均匀下沉量，也在此区段将产生较大的截面混凝土拉应力。
（4）横系梁裂缝
拱片间横系梁出现竖向的裂缝，往往裂缝由横系梁的截面下边缘延伸到上边缘。
对中等跨径和大跨径钢筋混凝土刚架拱桥，在桥面车辆荷载作用下，拱片会发生侧向变形，在拱片跨中附近（实腹段）设置横系梁的作用是约束这种变形，保证各拱片横向整体工作。当横系梁本身截面尺寸不足，或者在跨中附近横系梁设置数量不够时，横系梁本身受拉力较大，致使横系梁开裂。
结论
裂缝病害是桥梁营运过程中出现的最严重病害类型之一，其严重程度直接影响着桥梁的使用寿命及行车安全，及时发现并掌握裂缝的类型及成因，对桥梁的安全营运至关重要。通过对桥梁检测和普查，特别是对国、省道的大中桥定期全面检测，及时掌握桥梁的质量状况，发现隐患及时上报，将安全隐患消灭在萌芽状态。养护部门根据检测结果，进行及时维修和加固，不但确保了行车安全，而且延长了桥梁的使用寿命。
