钢筋混凝土梁裂缝成因分析与诊断

摘要： 本文对由力学机理产生的各类钢筋混凝土桥梁的裂缝成因进行相应的分析，包括在预制、施工和使用各个阶段所有可能出现的裂缝进行了论述，特别是较为大家忽略的差动型裂缝的形成原因及防治措施进行了较为详细分析。

关键词：钢筋混凝土、裂缝、成因、防治

在钢筋混凝土部分预应力桥梁中允许出现裂缝，甚至在全预应力桥梁中都有出现裂缝的可能。裂缝出现以后首先要判断裂缝的类型，是否在允许范围内，是否要加固或修复。更重要的是在设计中要预计到结构裂缝的可能性和危险性，施工中要预计到工艺的可靠性和可行性。本文对混凝土裂缝作了分类，并对一些常见的裂缝做了具体的成因分析。

第一节 桥梁裂缝分类

（一）从安全性来分类

1.正常的工作裂缝。这种裂缝在设计控制中，例如，普通钢筋混凝土结构受拉区下缘裂缝是安全的。

2.超出以上范围的裂缝属于非正常裂缝。

（二）从力学机理来分类

1.弯曲裂缝；

2.剪切裂缝；

3.拼接缝的分离和扩展；

4.差动，这是一种常见而又常常被忽略的裂缝成因，往往是由于外部约束或内部变形反应滞后造成的一种混凝土裂缝。

（三）从产生根源上来分类

1.荷载和变位；

2.成桥内力；

3.温度变化；

4.材料时效，例如收缩、徐变；

5.先天和后天的截面削弱，例如：混凝土截面和配筋不足，或外界因素造成的破损；

6.化学（物理）作用，钢筋锈蚀，预应力筋和锚头锈蚀；混凝土老化，（酸碱）腐蚀。

第二节 由力学机理分类产生的裂缝

弯曲裂缝

1.裂缝特征

（1）弯曲裂缝一般发生在正、负弯矩的峰值附近，裂缝都是从最大拉力边缘沿着拉应力的法向直线延伸；

（2）箱梁正弯矩引起的底板裂缝，一般贯穿底板全宽（有时不一定是通缝），甚至延伸到腹板；箱梁负弯矩引起的顶板裂缝，由于弯矩重分布而有减小的趋势；

（3）节段施工的桥梁，弯曲裂缝一般沿着接缝或靠近接缝。裂缝宽度可达到0.1～0.2mm；严重者，在外荷载作用下裂缝可扩展到3～10mm；

（4）靠近支座的弯曲裂缝尾部逐渐倾斜，表明裂缝是由弯拉和剪切两种因素组合而成的。

2.产生原因

（1）设计导致的先天裂缝

① 配筋或混凝土截面不足；

② 对温度荷载估计不足，例如，时间温度差、（梁体）部位温度差；

③ 对预应力损失估计不足，例如，摩阻、压缩、松弛；

④ 预应力布置不当，例如，截面预应力空隙；

⑤ 对二期恒载估计不足，例如，桥面铺装容重估计不足，特别是以玄武岩作骨料的沥青混凝土，可达到2.4～2.7t/m3;附加管线等。

（二）剪切裂缝

1.裂缝特征

（1）裂缝出现在腹板上，位于支点和弯矩反弯点之间，近似按45°角延伸；

（2）裂缝延伸到腹板边缘处，在裂缝两侧腹板之间有微小的错位。

2.产生原因

由于弯曲裂缝的产生，改变了截面的剪应力分布，是剪切裂缝产生的一个重要原因。此外还有其特殊原因。

（1）设计原因

① 设计中只注意正应力的计算，忽视了剪应力的计算，仅仅按经验配置受剪的箍筋和斜筋；

② 设计中过分依赖腹板竖向预应力钢筋（蹬筋），因为蹬筋的抗剪盲区比斜筋的抗剪盲区小。但是，在梁高比小得多的情况下，预应力损失太多，往往达不到预期效果。

（2）施工原因

① 弯起预应力筋错位；

② 竖向预应力筋失效；

③ 张拉顺序错误，例如，悬臂施工中首先张拉了纵向预应力钢筋，结构自动进入工作状态，由于未张拉竖向预应力钢筋往往会产生剪切裂缝。

（三）拼接缝的分离和扩展

大型混凝土桥梁很少采用整体浇筑法施工，绝大多数是在纵向分段浇筑或分段拼装而成；中小型桥梁也有采用纵向分段施工的。这些纵向分段的接缝与主受力方向垂直，如果裂缝将会直接影响桥梁的承载能力。大部分中小桥梁是横向分块拼装，产生裂缝后将会影响横向荷载传递，也会间接地降低桥梁承载能力。但是，后者严重程度要比前者稍低，处理难度也稍低。本节主要讨论分段工艺的拼缝。

1.分段工艺分类

（1）干拼干接，在两个预制节段之间用单键、复合键、粘合剂传递剪力；

（2）干拼湿接，在两个预制节段之间设短湿接段，用自然啮合或单键、复合键传递剪力；

（3）逐段湿接（逐段浇筑），用自然啮合传递剪力。

2.三种分段工艺开裂特征

分段工艺的拼缝是分段施工桥梁的病灶，在使用过程中可能会发生变化。

（1）干拼干接法由于短线预制养护不当，存在拼合缝，施工时找平不到位，又未及时发现，虽然有纵向预应力，拼合缝也很难密合，即使预应力使拼合缝减小到肉眼不可见，缝两侧混凝土也有部分区域处于零应力状态或超应力状态。随着收缩、徐变过程，裂缝也会发展；

（2）干拼湿接法在湿接缝收缩时，如果预制节段不能随动，必然开裂(如下图所示)。所以只要能保证钢筋连接操作和混凝土振捣成型，湿接缝不宜过宽。视箱体的大小，顶、底、腹板的厚薄，连接钢筋的直径及预应力管道的密集程度决定。一般可试选50～100cm；对于配有小直径钢筋的薄板箱体，还可以再狭窄一些。

刚架拱横隔板湿接头收缩裂缝 中承式拱吊杆顶端封锚砼周边收缩裂缝

（3）逐段湿接法是长线工艺。先前浇筑段较长，变形约束较强，比短线工艺拼合缝间隙小得多，很少发现拼合缝分离扩展。但是由于节段之间浇筑时间差，会导致差动裂缝。

3.分段工艺开裂共同特征

（1）内力组合裂缝

拼合缝的分离和扩展现象在具有强大结构性轴力的桥梁，例如斜拉桥和拱桥中发现较少。但是在长期荷载作用下，轴力与弯矩叠合，如果截面外缘存在拉应力，拼合缝会有分离或扩展的可能。建议，调整预应力束，使截面外缘不要出现零应力，或保留0.5Mpa的压应力。

（2）局部应力裂缝

悬臂节段法施工时，在节段的端面或箱内楔形齿块上锚固的预应力钢束，产生的局部拉应力会在锚固截面前方引顶（底）板开裂，随着徐变、收缩的发展，这些裂缝会逐渐扩展。

因此，对于节段施工桥梁，施工图设计要充分考虑施工组织的可能性；施工组织设计要充分预计原生裂缝的产生。

（四）差动型裂缝

1.分层现浇箱梁开裂分析

一般情况下现浇箱梁都是分两层或三层浇筑。第一层浇筑底板，第二层浇筑腹板，第三层浇筑顶板。或者第一层浇筑底板和腹板，第二层浇筑顶板。大多数情况各层是连续浇筑，也有少数情况由于施工组织原因，顶板要相隔几天以后才能浇筑。与杯形空心墩一样，也可能产生差动开裂。其顶板混凝土降温收缩能积累产生的收缩力已不足以压缩腹板混凝土;而且，翼板混凝土与钢筋之间的握裹力不足，只能选择最薄弱的部位自身开裂，消除应变能，达到平衡。

可以作如下处理：

（1）缩短两层混凝土浇筑的间隔时间，间隔时间应选择不超过5天，至多不能超过7天；

（2）在翼板中增加防缩钢筋网；

（3）调整混凝土配合比，减少水泥用量，减小混凝土收缩量。

2.刚度差引起开裂

在箱梁中，如果腹板的厚度比顶板、底板大得多，它们即使是同时浇筑也会产生差动裂缝。很薄的顶底板降温很快，收缩也快;而较厚的腹板降温较慢，赶不上顶底板的收缩速度。但是腹板的刚度远大于顶、底板，顶、底板的收缩力无法带动腹板同时收缩，只能自身开裂。

3.悬浇节段的裂缝

(1)裂缝形成

悬臂浇筑工艺往往由于施工组织和熟练程度不相协调，造成差动裂缝。特别是在如下几种情况下容易发生。

① 根部块在支架上浇筑后要有一个较长的时间来组装悬浇挂篮，往往需要1个月，对于不熟练的施工单位时间更长。当悬浇第一块时，根部块已经充分冷却、收缩、硬化。两块之间的温度差、收缩差、强度差，导致在1号块后端产生纵向开裂；

② 当梁的板（壁）较薄，横桥向较宽时，由于横向收缩，顶（底）板中容易产生纵向裂缝；

③ 高大桥梁大多采用混凝土输送泵，为适应泵送，若配比不当，往往会增大混凝土的收缩率；

④ 在二期恒载未加上之前，横向预应力使混凝土的拉应力超出或接近抗拉强度。

下图为悬浇节段0#块周围典型裂缝以及顶板裂缝：

(2)预防措施：

① 根部块是悬浇施工的中心体块，又是体系转换的控制块体，根部受力非常复杂，已不能作为一般的杆系处理，设计阶段应对重要桥梁进行根部快空间应力分析，施工过程中应改善施工方法等缩短各节段浇筑的时间间隔；

② 选用适当的砼及砼配合比，关键部位可采用早强、高强、少收缩混凝土，同时应注意浇筑时间，应选一天中温度较低时，使砼浇筑后温度开始缓慢上升为宜。

五、结论

裂缝是混凝土结构病害的最终形式，一般可分为两类： 1.荷载裂缝：由混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝； 2.非荷载裂缝：由变形变化引起的裂缝，包括混凝土梁结构因温度湿度变化、收缩、膨胀、不均匀沉陷等原因引起的裂缝。

据大量施工病害数据统计表明，钢筋混凝土梁裂缝产生属于变形变化(温湿度、收缩与膨胀、不均匀沉降)引起的约占80％；属于荷载引起的约占20％。 因此，要想以尽可能减少或消除裂缝的产生，必须从设计、施工、管理养护和材料等各个环节上严格把关，使砼箱梁裂缝得到有效控制，一旦裂缝形成，应进行及时修补，根据裂缝存在部位的不同，分析形成的原因，采取不同的修补方案，以保证桥梁的耐久性和营运的安全性。

参考文献

[1]王异等,混凝土手册[M].长春,吉林科技出版社,1985

[2]施颖, 郑建群.从设计层面探讨预应力砼连续箱梁桥裂缝控制[J].重庆交通学院学报, 2005,24(4):13-18[3]肖星星.预应力混凝土箱梁桥悬臂施工中腹板斜裂缝成因分析[J].现代交通技术, 2007.4(1)

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。