浅谈砼桥梁裂缝成因

摘要：现在的砼结构桥梁正向这大跨度，结构整体性好的分析发展，这就对桥梁施工技术难度发出了严峻的挑战。砼结构桥梁裂缝是桥梁的主要病普之一，实际上，砼结构裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因素相互影响，裂缝的产生有一种或几种主要原因。文章对砼桥梁裂缝其产生的原因，进行了详细的分析。

关键词：桥梁;砼结构;裂缝

0.前言

改革开放以来，交通基础建设得到快速发展，修建了各型的钢筋砼桥梁，在桥梁建造和使用过程中，因出现裂缝而影响工程质量甚至导桥梁垮塌的报道屡见不鲜。砼开裂可以说是通病，困扰着桥梁工程技术人员，我国现行公路、铁路、建筑、水利等部门设计规范均采用限制构件裂缝宽度的办法来保障砼结构的正常使用。其实如果采取一定的设计和施工措施，很多裂缝是可以克服和控制的。为了进一步加强对砼桥梁裂缝的认识，尽量避免工程中出现危害较大的裂缝，本文是自己通过多年在施工及监理过程中积累并参照部分书籍所总结出来的。

1、 温度变化引起的裂缝

砼具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，砼将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过砼抗拉强度时即产生温度裂缝。在某些大跨径桥梁中，温度应力可以达到甚至超出活载应力。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有：

1.1 日照

桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后，温度明显高于其它部位，温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。日照和下述骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。

1.2年温差

一年中四季温度不断变化，但变化相对缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移，一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调，只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝。

1.3骤然降温

突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实桥资料进行，砼弹性模量不考虑折减。

1.4水化热

出现在施工过程中，大体积砼(厚度超过2.0米)浇筑之后由于水泥水化放热，致使内部温度很高，内外温差太大，致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况，尽量选择水化热低的水泥品种，限制水泥单位用量，减少骨料入模温度，降低内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内部散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热。

1.5 蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当，砼骤冷骤热，内外温度不均，易出现裂缝。

1.6 预制T梁之间横隔板安装时，支座预埋钢板与调平钢板焊接时，若焊接措施不当，铁件附近砼容易烧伤开裂。采用电热张拉法张拉预应力构件时，预应力钢材温度可升高至350℃，砼构件也容易开裂。

2、荷载引起的裂缝

砼桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝，归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。

直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：

2.1设计计算阶段

结构计算时不计算或部分漏算;计算模型不合理;结构受力假设与实际受力不符;荷载少算或漏算;内力与配筋计算错误;结构安全系数不够。结构设计时不考虑施工的可能性;设计断面不足;钢筋设置偏少或布置错误;结构刚度不足;构造处理不当;设计图纸交代不清等。

2.2施工阶段

不加限制地堆放施工机具、材料;不了解预制结构结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装;不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式;不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。

2.3使用阶段

超出设计载荷的重型车辆过桥;受车辆、船舶的接触、撞击;发生大风、大雪、地震、爆炸等。

次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有：

①在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。

②桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。有关资料表明，受力构件挖孔后，力流将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。在长跨预应力连续梁中，经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。

实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。次应力裂缝也是由荷载引起，仅是按常规一般不计算，但随着现代计算手段的不断完善，次应力裂缝也是可以做到合理验算的。

荷载裂缝特征依荷载不同而异呈现不同的特点。这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。但必须指出，如果受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝，往往是结构达到承载力极限的标志，是结构破坏的前兆，其原因往往是截面尺寸偏小。根据结构不同受力型式，产生不同特征的裂缝。

3、 收缩引起的裂缝

在实际工程中，砼因收缩所引起的裂缝是最常见的。在砼收缩种类中，塑性收缩和干缩是发生砼体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和炭化收缩。

3.1塑性收缩

发生在施工过程中、砼浇筑后4～5小时左右，此时水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，砼失水收缩，同时骨料因自重下沉，因此时砼尚未硬化，称为塑性收缩。塑性收缩所产生量级很大，可达1%左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处如T梁、箱梁腹板与顶底板交接处，因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝。为减小砼塑性收缩，施工时应控制水灰比，避免过长时间的搅拌，下料不宜太快，振捣要密实，竖向变截面处宜分层浇筑。

3.2 干缩

砼结硬以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，砼体积减小，称为缩水收缩(干缩)。因砼表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部砼的约束，致使表面砼承受拉力，当表面砼承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。砼硬化后收缩主要就是缩水收缩。如配筋率较大的构件(超过3%)，钢筋对砼收缩的约束比较明显，砼表面容易出现龟裂裂纹。

3.3自生收缩

自生收缩是砼在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，这种收缩与外界湿度无关，且可以是正的(即收缩，如普通硅酸盐水泥砼)，也可以是负的(即膨胀，如矿渣水泥砼与粉煤灰水泥砼)。

3.4炭化收缩

大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。炭化收缩只有在湿度50%左右才能发生，且随二氧化碳的浓度的增加而加快。炭化收缩一般不做计算。

砼收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。

4、 地基础变形引起的裂缝

由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构中产生附加应力，超出砼结构的抗拉能力，导致结构开裂。基础不均匀沉降的主要原因有：

4.1地质勘察精度不够、试验资料不准

在没有充分掌握地质情况就设计、施工，这是造成地基不均匀沉降的主要原因。比如丘陵区或山岭区桥梁，勘察时钻孔间距太远，而地基岩面起伏又大，勘察报告不能充分反映实际地质情况。

4.2地基地质差异太大

建造在山区沟谷的桥梁，河沟处的地质与山坡处变化较大，河沟中甚至存在软弱地基，地基土由于不同压缩性引起不均匀沉降。

4.3结构荷载差异太大

在地质情况比较一致条件下，各部分基础荷载差异太大时，有可能引起不均匀沉降。

4.4结构基础类型差别大

同一联桥梁中，混合使用不同基础如扩大基础和桩基础，或同时采用桩基础但桩径或桩长差别大时，或同时采用扩大基础但基底标高差异大时，也可能引起地基不均匀沉降。

4.5分期建造的基础

在原有桥梁基础附近新建桥梁时，如分期修建的高速公路左右半幅桥梁，新建桥梁荷载或基础处理时引起地基土重新固结，均可能对原有桥梁基础造成较大沉降。

4.6地基冻胀

在低于零度的条件下含水率较高的地基土因冰冻膨胀;一旦温度回升，冻土融化，地基下沉。因此地基的冰冻或融化均可造成不均匀沉降。

4.7桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时，可能造成不均匀沉降。

4.8桥梁建成以后，原有地基条件变化

大多数天然地基和人工地基浸水后，尤其是素填土、黄土、膨胀土等特殊地基土，土体强度遇水下降，压缩变形加大。在软土地基中，因人工抽水或干旱季节导致地下水位下降，地基土层重新固结下沉，同时对基础的上浮力减小，负摩阻力增加，基础受荷加大。有些桥梁基础埋置过浅，受洪水冲刷、淘挖，基础可能位移。地面荷载条件的变化，如桥梁附近因塌方、山体滑坡等原因堆置大量废方、砂石等，桥址范围土层可能受压缩再次变形。因此，使用期间原有地基条件变化均可能造成不均匀沉降。

5、钢筋锈蚀引起的裂缝

由于砼质量较差或保护层厚度不足，砼保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面，使钢筋周围砼碱度降低，或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高，均可引起钢筋表面氧化膜破坏，钢筋中铁离子与侵入到砼中的氧气和水分发生锈蚀反应，其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2~4倍，从而对周围砼产生膨胀应力，导致保护层砼开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗到砼表面。由于锈蚀，使得钢筋有效断面面积减小，钢筋与砼握裹力削弱，结构承载力下降，并将诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。

要防止钢筋锈蚀，设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用足够的保护层厚度(当然保护层亦不能太厚，否则构件有效高度减小，受力时将加大裂缝宽度);施工时应控制砼的水灰比，加强振捣，保证砼的密实性，防止氧气侵入，同时严格控制含氯盐的外加剂用量，沿海地区或其它存在腐蚀性强的空气、地下水地区尤其应慎重。

6、 冻胀引起的裂缝

大气气温低于零度时，吸水饱和的砼出现冰冻，游离的水转变成冰，体积膨胀9%，因而砼产生膨胀应力;同时砼凝胶孔中的过冷水(结冰温度在-78度以下)在微观结构中迁移和重分布引起渗透压，使砼中膨胀力加大，砼强度降低，并导致裂缝出现。尤其是砼初凝时受冻最严重，成龄后砼强度损失可达30%~50%。冬季施工时对预应力孔道灌浆后若不采取保温措施也可能发生沿管道方向的冻胀裂缝。温度低于零度和砼吸水饱和是发生冻胀破坏的必要条件。当砼中骨料空隙多 、吸水性强;骨料中含泥土等杂质过多;砼水灰比偏大、振捣不密实;养护不力使砼早期受冻等，均可能导致砼冻胀裂缝。冬季施工时，采用电气加热法、暖棚法、地下蓄热法、蒸汽加热法养护以及在砼拌和水中掺入防冻剂(但氯盐不宜使用)，可保证砼在低温或负温条件下硬化。

7、施工材料质量引起的裂缝

砼主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置砼所采用材料质量不合格，可能导致结构出现裂缝。

7.1水泥

①水泥安定性不合格，水泥中游离的氧化钙含量超标。氧化钙在凝结过程中水化很慢，在水泥砼凝结后仍然继续起水化作用，可破坏已硬化的水泥石，使砼抗拉强度下降。②水泥出厂时强度不足，水泥受潮或过期，可能使砼强度不足，从而导致砼开裂。③当水泥含碱量较高(例如超过0.6%)，同时又使用含有碱活性的骨料，可能导致碱骨料反应。

7.2砂、石骨料

(1)砂石的粒径、级配、杂质含量

砂石粒径太小、级配不良、空隙率大，将导致水泥和拌和水用量加大，影响砼的强度，使砼收缩加大，如果使用超出规定的特细砂，后果更严重。砂石中云母的含量较高，将削弱水泥与骨料的粘结力，降低砼强度。砂石中含泥量高，不仅将造成水泥和拌和水用量加大，而且还降低砼强度和抗冻性、抗渗性。砂石中有机质和轻物质过多，将延缓水泥的硬化过程，降低砼强度，特别是早期强度。砂石中硫化物可与水泥中的铝酸三钙发生化学反应，体积膨胀2.5倍。

(2)碱骨料反应

碱骨料反应有三种类型：①、碱硅酸反应。参与这种反应的骨料有流纹岩、安山岩、凝灰岩、蛋白石、黑硅石、燧石、鳞石英、玻璃质火山岩、玉髓及微晶或变质石英等。反应发生于碱与微晶氧化硅之间，其生成物硅胶体遇水膨胀，在砼中产生很大的内应力，可导致砼突然爆裂。这类反应是碱骨料反应的主要形式。②、碱硅酸盐反应。参与这种反应的骨料有粘土质岩石、千枚岩、硬砂岩、粉砂岩等。此类反应的特点是膨胀速度非常缓慢，砼从膨胀到开裂，能渗出的凝胶很少。③、碱碳酸岩反应。多数碳酸岩石没有碱活性，有特定结构的泥质细粒白云质灰岩和泥质细粒灰质白云岩才具有与碱反应的碱活性，且还须高碱度、一定湿度环境下才能反应膨胀。

碱骨料反应裂缝的形状及分布与钢筋限制有关，当限制力小时，常出现地图状裂缝，并在缝中有白色或透明的浸出物;当限制力强时则出现顺筋裂缝。在工程实践中必须对骨料进行碱活性检验，采用对工程无害的材料，同时使用含碱量低的水泥品种。

7.3拌和水及外加剂

拌和水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。采用海水或含碱泉水拌制砼，或采用含碱的外加剂，可能对碱骨料反应有影响。

8、施工工艺质量引起的裂缝

在砼结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异，比较典型常见的有：

(1)砼保护层过厚，或乱踩已绑扎的上层钢筋，使承受负弯矩的受力筋保护层加厚，导致构件的有效高度减小，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。

(2)砼振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或其它荷载裂缝的起源点。

(3)砼浇筑过快，砼流动性较低，在硬化前因砼沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后发生裂缝，既塑性收缩裂缝。

(4)砼搅拌、运输时间过长，使水分蒸发过多，引起砼塌落度过低，使得在砼体积上出现不规则的收缩裂缝。

(5)砼初期养护时急剧干燥，使得砼与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝。

(6)用泵送砼施工时，为保证砼的流动性，增加水和水泥用量，或因其它原因加大了水灰比，导致砼凝结硬化时收缩量增加，使得砼体积上出现不规则裂缝。

(7)砼分层或分段浇筑时，接头部位处理不好，易在新旧砼和施工缝之间出现裂缝。如砼分层浇筑时，后浇砼因停电、下雨等原因未能在前浇砼初凝前浇筑，引起层面之间的水平裂缝;采用分段现浇时，先浇砼接触面凿毛、清洗不好，新旧砼之间粘结力小，或后浇砼养护不到位，导致砼收缩而引起裂缝。

(8)砼早期受冻，使构件表面出现裂纹，或局部剥落，或脱模后出现空鼓现象。

(9)施工时模板刚度不足，在浇筑砼时，由于侧向压力的作用使得模板变形，产生与模板变形一致的裂缝。

(10)施工时拆模过早，砼强度不足，使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。

(11)施工前对支架压实不足或支架刚度不足，浇筑砼后支架不均匀下沉，导致砼出现裂缝。

(12)装配式结构，在构件运输、堆放时，支承垫木不在一条垂直线上，或悬臂过长，或运输过程中剧烈颠撞;吊装时吊点位置不当，T梁等侧向刚度较小的构件，侧向无可靠的加固措施等，均可能产生裂缝。

(13)安装顺序不正确，对产生的后果认识不足，导致产生裂缝。如钢筋砼连续梁满堂支架现浇施工时，钢筋砼墙式护栏若与主梁同时浇筑，拆架后墙式护栏往往产生裂缝;拆架后再浇筑护栏，则裂缝不易出现。

(14)施工质量控制差。任意套用砼配合比，水、砂石、水泥材料计量不准，结果造成砼强度不足和其他性能(和易性、密实度)下降，导致结构开裂。

9、结束语

一座桥梁从建成到使用，牵涉到设计、施工、监理、运营管理等各个方面。由上述可知，设计疏漏、施工低劣、监理不力，均可能使砼桥梁出现裂缝。因此，严格按照国家有关规范、技术标准进行设计、施工和监理，是保证结构安全耐用的前提和基础。在运营管理过程中，进一步加强巡查和管理，及时发现和处理问题，也是相当重要的一个环节。

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