董承全

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081）

鐵路橋梁混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制與檢測(cè)分析實(shí)例

董承全

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081）

通過(guò)幾例混凝土結(jié)構(gòu)裂縫檢測(cè)分析實(shí)例，探討了混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫、荷載裂縫、收縮裂縫以及沉降變形裂縫等不同類(lèi)型裂縫的特點(diǎn)、成因及防治措施。

混凝土結(jié)構(gòu)；裂縫成因；防治措施

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，高層建筑，交通橋梁大量涌現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)作為建筑物主要結(jié)構(gòu)型式被廣泛采用。由于各種原因而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生時(shí)有發(fā)生，給結(jié)構(gòu)安全和結(jié)構(gòu)功能使用帶來(lái)一定影響。分析研究導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的原因，有針對(duì)性采用預(yù)防補(bǔ)救措施，減少或預(yù)防裂縫產(chǎn)生，保障建筑物安全和結(jié)構(gòu)使用功能十分必要。本文通過(guò)幾例結(jié)構(gòu)裂縫的檢測(cè)分析實(shí)例，探討了不同原因?qū)е碌牧芽p形成的機(jī)制及加固措施?？晒╊?lèi)似工程參考。

（一）大體積混凝土裂縫控制與橋梁承臺(tái)裂縫檢測(cè)分析

1.大體積混凝土裂縫控制理論分析

大體積混凝土一般指幾何尺寸大于 3m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一般混凝土標(biāo)號(hào)較高，水泥用量較大，收縮變形較大，常出現(xiàn)收縮裂縫。掌握溫度收縮作用是控制裂縫的主要因素。其次，控制裂縫還必須考慮鋼筋的作用，一般大型結(jié)構(gòu)混凝土配筋率均在0.5%以上。鋼筋在溫度作用下的變形與混凝土的溫度變形不協(xié)調(diào)。水化熱溫升較高，降溫散熱較快，收縮與降溫共同作用下是引起混凝土裂縫的主要因素。

大體積混凝土裂縫控制問(wèn)題一般屬溫度裂縫問(wèn)題。一些學(xué)者對(duì)溫度裂縫控制做過(guò)不少研究，如文獻(xiàn)[1]作者研究發(fā)現(xiàn)，大體積混凝土澆注過(guò)程中，混凝土由初始溫度升溫，中心溫度較高，兩側(cè)溫度由于冷卻而降低，里外溫差為 T0，則冷卻狀態(tài)的溫度分佈曲線為：

在邊界上T(y)y=±h=0

在中心處T(y)y=o=T0

根據(jù)彈性理論平面應(yīng)力分析，可得混凝土溫度應(yīng)力：根據(jù)格林菲斯斷裂力學(xué)理論，當(dāng)x（Y）超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度R(t)時(shí)便引起垂直裂縫。張建仁等對(duì)溫度裂縫控制進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)模擬得到了裂縫形成的機(jī)理，裂縫形成擴(kuò)展與溫度關(guān)系。指出早期混凝土溫升較快，存在混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.某橋梁承臺(tái)裂縫檢測(cè)分析

圖 1為某橋梁承臺(tái)澆注拆模后出現(xiàn)的裂縫。由于該承臺(tái)于冬季施工，施工后混凝土表面的防寒保溫措施不到位。使混凝土凝固初期內(nèi)外溫差過(guò)大，在混凝土表面形成張開(kāi)裂縫。

圖1 承臺(tái)表面的張開(kāi)裂縫

3.降低混凝土溫度應(yīng)力，防止裂縫產(chǎn)生的措施

在大體積混凝土中，溫度變化引起的應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)具有重要影響。有時(shí)溫度應(yīng)力往往超過(guò)普通靜力及動(dòng)力荷載引起的應(yīng)力。因此，掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律尤為重要。控制溫度應(yīng)力，防止裂縫開(kāi)展是技術(shù)上的關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)降低溫度應(yīng)力和提高混凝土的極限拉伸強(qiáng)度。在澆注前要避勉材料過(guò)熱，澆注后保溫，降低溫度應(yīng)力。具體方法可采取保溫及緩慢降溫方法減少混凝土表面的急劇熱擴(kuò)散，延長(zhǎng)混凝土散熱時(shí)間，防止形成過(guò)大的溫差而引起表面裂縫。其次要提高混凝土的極限拉伸，緩慢降溫可充分發(fā)揮混凝土的應(yīng)力松馳效應(yīng)，提高抗拉性能。另外要嚴(yán)格控制砂石質(zhì)量，限制含泥量，正確選用混凝土級(jí)配，適當(dāng)摻用添加劑，減少用水量，改進(jìn)澆注工藝，提高混凝土強(qiáng)度等措施。

針對(duì)上述大體積混凝土裂縫問(wèn)題，建議在用料上進(jìn)一步優(yōu)化，最好采用普通硅酸鹽水泥，適當(dāng)加入粉煤灰等材料，水泥中的礦物成份鋁酸三鈣含量應(yīng)盡可能低，游離氧化鈣，氧化鎂和三氯化硫含量應(yīng)盡量少。其次是澆注過(guò)程中可采用冷卻水管冷卻降溫方法，做好信息化施工，加強(qiáng)保溫保濕，控制溫差及降溫速率，達(dá)到控制裂縫產(chǎn)生。

（二）荷載裂縫控制問(wèn)題與橋墩裂縫檢測(cè)分析

1.荷載裂縫控制問(wèn)題

荷載裂縫一般指結(jié)構(gòu)在工作年限內(nèi)由于荷載作用下，包括靜荷載，動(dòng)荷載，移動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)受壓，受拉，彎曲，剪切變形引起的各種裂縫，也稱(chēng)第一類(lèi)荷載裂縫。在我國(guó)，由于近幾年國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)鐵路運(yùn)輸提出了較高要求。早期修建的鐵路在運(yùn)力和速度方面不能滿(mǎn)足現(xiàn)時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。個(gè)別橋梁混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)偏低，配筋量不足導(dǎo)致墩身出現(xiàn)裂縫。某些橋梁由于經(jīng)濟(jì)條件所限，曲線半徑偏小，裂車(chē)提速后產(chǎn)生過(guò)大的離心力，使橋梁產(chǎn)生水平振動(dòng)，導(dǎo)致托盤(pán)頂帽開(kāi)裂。

2.橋墩與托盤(pán)頂帽裂縫檢測(cè)分析實(shí)例

荷載裂縫的產(chǎn)生主要是外荷引起的橋梁結(jié)構(gòu)裂縫，如某橋墩墩身由于動(dòng)荷載作用下，交變荷載和移動(dòng)荷載引起墩身彎曲應(yīng)力使墩身主筋受力變形與混凝土保護(hù)層變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生沿主筋方向開(kāi)裂的豎向裂縫問(wèn)題，如圖 2所示。又如某橋由于初期設(shè)計(jì)的線路中，隧道出口與橋梁軸線形成一定夾角，使線路在此處形成一定的曲線半徑。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，車(chē)速的不斷提高，過(guò)高車(chē)速與過(guò)小的曲線半徑不相適應(yīng)而引起橋梁水平振動(dòng)，其振動(dòng)水平拉應(yīng)力使墩身托盤(pán)頂帽產(chǎn)生開(kāi)裂，如圖 3所示。通過(guò)檢測(cè)分析，認(rèn)為應(yīng)該通過(guò)必要的強(qiáng)度驗(yàn)算，選擇合適厚度的鋼板粘貼補(bǔ)強(qiáng)措施對(duì)托盤(pán)頂帽進(jìn)行加固處理。其次是針對(duì)過(guò)小的曲線半徑，采取降低車(chē)速，減小列車(chē)通過(guò)時(shí)引起的橋梁振動(dòng)。

圖2 某橋墩身裂縫分佈示意圖

圖3 某橋托盤(pán)頂帽裂縫分佈示意圖

3.裂縫預(yù)防與加固

對(duì)橋墩采用粘貼碳纖維加固技術(shù)，采用專(zhuān)門(mén)的樹(shù)脂將碳纖維粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，碳纖維與原結(jié)構(gòu)形成新的受力整體，碳纖維和原鋼筋共同承受上部荷載，可降低鋼筋應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)效果。粘貼碳纖維加固技術(shù)的主要特點(diǎn)是：幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重和截面尺寸，不改變凈空高度，施工方便。對(duì)原結(jié)構(gòu)不造成新的損傷，具有良好的耐腐蝕性、耐久性和抗疲勞性。根據(jù)受力分析可多層粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)。

對(duì)托盤(pán)頂帽裂縫進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂膠封閉處理，以防雨水進(jìn)一步侵蝕。并按混凝土加固有關(guān)規(guī)程進(jìn)行必要的強(qiáng)度檢算，采用粘貼鋼板方法加固。粘貼鋼板法是采用特制的結(jié)構(gòu)膠粘劑，將鋼板粘貼在鋼筋混凝土表面。達(dá)到加固和增強(qiáng)原結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，提高結(jié)構(gòu)的抗拉，抗扭性能。

（三）制作工藝不當(dāng)引起的裂縫問(wèn)題及混凝土箱梁端部裂縫檢測(cè)分析

1.后張法預(yù)應(yīng)力箱梁裂縫問(wèn)題

在后張法預(yù)應(yīng)力箱梁中，常見(jiàn)的裂縫問(wèn)題主要是在梁的端部出現(xiàn)劈裂型裂縫，如圖4所示。

圖4 某橋后張法預(yù)應(yīng)力梁端部裂縫分佈示意圖

分析其原因主要是在張拉過(guò)程中，過(guò)大的張應(yīng)力超過(guò)梁端混凝土的抗壓抗剪強(qiáng)度所致。據(jù)文獻(xiàn)[1]作者研究表明，在張法預(yù)應(yīng)力梁端部錨固區(qū)經(jīng)常見(jiàn)到一種張拉裂縫。張拉過(guò)程中預(yù)應(yīng)力筋對(duì)梁的作用就是鋼筋縮短時(shí)某一變形受到混凝土梁的約束，而使混凝土梁端受一集中力 N作用。在錨具附近0.1～0.2h(梁高)范圍是壓應(yīng)力區(qū)，混凝土雙向受壓。離開(kāi)錨具0.25～0.4h范圍內(nèi)為拉應(yīng)力區(qū)，其拉應(yīng)力最大值可用下式表示：

例如斷面=×hb20cm×70cm,錨具荷載集中系數(shù)，張拉應(yīng)力合力1000kN，max約為5Mpa，大于C50混凝土極限抗拉強(qiáng)度3Mpa，則混凝土容易開(kāi)裂。

2.后張法預(yù)應(yīng)力箱梁端部裂縫的預(yù)防處理措施：

根據(jù)以上分析，可從如下途徑解決裂縫預(yù)防處理：增大錨固區(qū)配筋量，提高梁端錨固區(qū)的混凝土抗裂能力；其次增加錨具錨板面積，分散或減小接觸應(yīng)力對(duì)梁端混凝土的作用。

（四）基礎(chǔ)不均勻沉降引起橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的原因分析

1.裂縫形成機(jī)理

當(dāng)橋梁基礎(chǔ)型式不同，地質(zhì)存在差異，會(huì)導(dǎo)致梁體中部出現(xiàn)張開(kāi)裂縫，梁端搭接處出現(xiàn)剪切裂縫。對(duì)于基礎(chǔ)不均勻沉降引起結(jié)構(gòu)變形裂縫有如外力作用下的變形裂縫，也稱(chēng)第二類(lèi)荷載裂縫。研究這類(lèi)問(wèn)題時(shí)，通常將問(wèn)題簡(jiǎn)化為一受線性荷載的一端固支一端簡(jiǎn)支梁，如圖5所示。根據(jù)材料力學(xué)分析，其變形與外力關(guān)系由下式確定

圖5 基礎(chǔ)不均勻沉降引起橋梁結(jié)構(gòu)裂縫示意圖

當(dāng)已知smaxΔ 時(shí)，由（7）式求得

式中a為梁長(zhǎng)度， 為任一距離，q為線性荷載。

如某橋 C50混凝土梁，橋臺(tái)采用明挖基礎(chǔ)，而墩身基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，出現(xiàn)明挖基礎(chǔ)沉降大于樁基礎(chǔ)沉降，而使梁中部，出現(xiàn)橫向開(kāi)裂。

2.預(yù)防措施

當(dāng)?shù)鼗鶙l件較差，存在不均勻沉降風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)對(duì)軟弱基礎(chǔ)進(jìn)行處理，如樁基，復(fù)合地基，強(qiáng)夯等，基礎(chǔ)型式可采用樁基礎(chǔ)，箱型基礎(chǔ)，筏基，條基等。在抗不均勻沉降方面，樁基礎(chǔ)最好，箱型基礎(chǔ)次之，條形基礎(chǔ)最差。設(shè)計(jì)時(shí)盡可能采用同一基礎(chǔ)型式。

當(dāng)出現(xiàn)不均勻沉降引起的裂縫問(wèn)題時(shí)，對(duì)沉降較大基礎(chǔ)應(yīng)采用壓力注漿，靜壓樁等方式加固，以控制沉降進(jìn)一步發(fā)展；對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫應(yīng)按有關(guān)規(guī)程要求進(jìn)行加固。

（五）結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)幾例混凝土結(jié)構(gòu)裂縫檢測(cè)分析實(shí)例，探討了混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫、荷載裂縫、收縮裂縫以及沉降變形裂縫等不同類(lèi)型裂縫的特點(diǎn)、成因及防治措施。實(shí)踐證明，只要在勘察設(shè)計(jì)施工環(huán)節(jié)作好精心設(shè)計(jì)，精心施工，將工程結(jié)構(gòu)裂縫控制在安全范圍內(nèi)是可能的。

[1] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[2] 張建仁.大溪豐大橋大體積混凝土溫度控制技術(shù)[J].安徽建筑,2010(5):36-38.

[3] 董承全,張佰戰(zhàn),孟軍濤,等.某跨江大橋橋墩裂縫檢測(cè)與裂縫成因分析[J].安徽建筑,2011(1):140-141.

[4] 董承全,胡在良,張佰戰(zhàn),等.某特大橋橋墩托盤(pán)頂帽裂縫成因檢測(cè)分析[J].工程與建設(shè),2011(2):238-239,288.

[5] 卜良桃,周靖,葉秦.混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范算例[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

U445.57

A

1008-1151(2011)06-0063-03

2011-04-12

董承全（1951－），男，湖北宜都人，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所高級(jí)工程師，從事鐵道工程與工程檢測(cè)工作。