空心板梁常见裂缝的形成原因及维修处理措施

第1页共9页空心板梁常见裂缝的形成原因及维修处理措施赵阳（吉林市市政设施管理处吉林132011）摘要：空心板梁是我国常用的小跨径梁体，但其在使用过程中混凝土常出现许多裂缝，本文通过对空心板梁各种类型的裂缝的汇总和成因分析，提出各类裂缝的防治和加固处理措施。关键词：空心板梁；荷载裂缝；非荷载裂缝；裂缝形成的原因；维修处理措施1引言空心板梁是目前我国中、小桥上部结构使用最为广泛的结构类型，其工作状态直接关系到桥梁的安全，而空心板梁日常使用中最常见的病害就是裂缝，虽然裂缝在规范里是作为正常使用状态中耐久性来评价，但结构损坏乃致倒塌往往是从裂缝的扩展开始的，随着时间的推移桥梁结构逐渐由安全状态转化为危险状态，因此需准确分析空心板梁裂缝形成的原因，为其养护维修或加固提供技术依据。空心板梁常见裂缝主要有两类：荷载裂缝和非荷载裂缝，在预应力混凝土梁和非预应力混凝土梁中两者的存在情况也不一样，预应力混凝土中以非荷载裂缝居多，而普通钢筋混凝土空心板梁常出现的裂缝为荷载裂缝，因此在裂缝分析中需准确测量其宽度和深度，判断裂缝的性质和成因，评价裂缝对结构安全的影响，提出养护或维修加固措施。2空心板梁荷载裂缝2.1普通钢筋混凝土空心板梁2.1.1梁底横向裂缝普通钢筋混凝土空心板梁梁底横向裂缝是最为常见的裂缝类型，这种裂缝通常横第2页共9页向贯通梁底，裂缝位置基本位于空心板梁，基本位于1/4～3/4跨，这些裂缝是空心板梁在荷载作用下产生的正弯矩裂缝。此类裂缝在检测过程中应注意裂缝的宽度，当裂缝宽度小于规范规定的限值（《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99-2003）和《公路桥涵养护规范》（JTGH11-2004）规定的钢筋混凝土梁裂缝宽度限值分别为0.20mm、0.25mm，以下简称规范），不影响桥梁的承载能力，是正常的荷载裂缝；当裂缝宽度大于规范规定的限值，且梁底裂缝向两侧腹板延伸，尤其是跨中挠度出现较大变形，裂缝宽度扩展至空心板梁理论计算的中性轴高度时，此类病害往往出现在空心板梁对应的桥面铺装出现纵向贯通裂缝，梁间剪力铰遭到破坏，形成单梁受力状态，空心板梁受拉区钢筋处于屈服阶段或受压区混凝土中和轴的高度在不断上移，是空心板梁即将破坏的预兆，应引起足够的重视，应及时进行加固或更换梁板，典型图见图1。若空心板梁梁底出现横向裂缝且对应桥面出现纵向贯通裂缝，加固措施为人工凿除原桥面铺装混凝土，修复梁间损坏的剪力铰，若空心板梁间铰缝钢筋损坏，须在空心板梁原剪力铰两侧植筋，然后用钢筋钢纤维混凝土重筑桥面铺装，并适当增加桥面铺装钢筋，并增设剪力钉，确保所设铺装层与主梁共同作用。图1松江区某桥空心板梁跨中严重下挠，该桥已拆除重建2.1.2梁底纵向裂缝普通钢筋混凝土空心板梁梁底常会出现纵向裂缝，此类裂缝大多与空心板梁空腔第3页共9页最低处相对应，裂缝宽度较大，个别裂缝宽度达到0.5mm，往往部分裂缝表面有明显的渗水痕迹或白色结晶物析出,典型照片见图2。纵向裂缝形成的原因是由于空心板梁底板混凝土中钢筋较密，粗骨料不易进入空腔最低处导致细骨料较多，此处也不易振捣(见图3)，使空腔最低处混凝土横向收缩应力较其它处大而开裂。裂缝表面明显渗水痕迹表明裂缝已贯通空腔底板厚度，裂缝渗水是由于空心板梁内积水所致，梁内积水是由于梁端堵头板破损，其上伸缩缝止水带失效或桥面连续处开裂，导致桥面雨水下渗并通过破损的堵头板进入梁空腔内。裂缝表面泛白是由于水从缝隙中渗出时将混凝土中Ca(OH)2带出，与空气中CO2作用形成白色CaCO3结晶。裂缝处治措施：此类裂缝对承载能力并不影响，仅影响耐久性。应先对存在明显渗水痕迹的空心板梁梁底空腔较低处钻孔泄水，然后清洗裂缝表面，风干后涂刷渗透结晶型浆料两遍，封闭裂缝。图2空心板梁底纵向开裂并有明显渗水痕迹梁底纵向裂缝梁底纵向裂缝图3空心板梁空腔底部振捣不密实而开裂第4页共9页2.1.3腹板竖向裂缝普通钢筋混凝土空心板梁跨中腹板也经常会出现竖向裂缝（见图4），裂缝呈枣核形状，即两端细、中间粗，是典型的收缩裂缝，裂缝下端细是由于空心板梁底部配筋量大，上端由于逐渐延伸至受压区而消失，中间粗是由于腹板侧面中部纵向配筋较少，混凝土收缩而使缝宽加大。值得注意的是，部分空心板梁腹板竖向收缩裂缝下端经常与梁底横向裂缝重合，容易造成收缩裂缝的长度误判为横向裂缝开裂高度。遇到这种情况应根据裂缝梁底横缝的宽度和跨中挠度变化加以区分。空心板梁竖向收缩裂缝不影响结构承载能力，仅影响耐久性，只需封闭裂缝即可。图4空心板腹板竖向裂缝2.1.4腹板斜向裂缝普通钢筋混凝土空心板梁梁端时常出现斜向裂缝(见图5)，这类裂缝通常表现为两种形态：一种为中间宽两端细，呈枣核状，与梁体顺桥向呈45°夹角，为腹剪斜裂缝；另外一种为上细下宽，由竖向裂缝引伸而成的斜向裂缝，裂缝从主应力轨迹图上看，在剪弯区段截面的下边缘，主拉应力还是水平向，为弯剪斜裂缝。梁端斜裂缝是由于空心板梁梁端抗剪能力不足所致。裂缝处治措施：裂缝宽度不超过规范规定的限值时，进封闭裂缝即可；若裂缝宽度超过规范规定的限值应对梁端腹板进行加固，以提高其抗剪承载能力，通常采用粘贴钢板或梁端增大截面法加固。第5页共9页图5空心板梁梁端斜裂缝2.2预应力混凝土空心板梁2.2.1梁底纵向裂缝预应力空心板梁梁底端部一定范围和空腔最低处均容易出现纵向裂缝(见图6)，梁端一定范围纵向裂缝是由于预应力钢筋放张时混凝土强度尚未达到规定的要求，使梁端混凝土纵向受压较大，横向则受拉，当其拉应变大于当时混凝土的极限拉应变即会沿预应力方向开裂，由于大多数预应力空心板梁梁端设有预应力隔离段，所以此类纵向裂缝会在梁端一定范围产生。梁底其他区域空腔正下方纵向裂缝除上述原因外，同时由于空心板梁底板混凝土中钢筋较密，粗骨料不易进入空腔最低处导致细骨料较多，此处也不易振捣，使空腔最低处混凝土横向收缩应力较其它处大，上述两因素导致预应力空心板梁空腔最低处易产生纵向裂缝。裂缝最大宽度超过规范规定的限值，将不利于空心板梁的耐久性，尤其是裂缝渗水，如不及时维修处理，梁内预应力钢筋由于压力腐蚀其锈蚀速率将会更快，当锈蚀严重时会引起承载能力的降低。针对此类裂缝建议先对存在明显渗水痕迹的空心板梁梁底空腔较低处钻孔泄水，然后清洗裂缝表面，风干后涂刷渗透结晶型浆料两遍，封闭裂缝。第6页共9页图6空心板梁梁底纵向裂缝2.2.2梁底横向裂缝预应力空心板梁根据规范规定不允许出现横向裂缝，一旦产生横向裂缝说明预应力不足，应引起高度重视，及时进行专项加固，通常对空心板底板采取体外预应力、梁底粘贴碳纤维布加强或体外预应力和碳纤维布相结合,见图7和图8。预应力空心板梁梁端有时可能出现横向裂缝，如果梁底横向裂缝向两侧腹板延伸，可能是弯剪斜裂缝引起的，这种裂缝通常在腹板的延伸高度在同一水平线上；如果横向裂缝较短，且不贯通梁底，可能是由于混凝土收缩引起的。图7碳纤维布粘贴图8碳纤维布粘贴位置示意图第7页共9页2.2.3预应力空心板梁腹板斜向裂缝预应力空心板梁梁端腹板偶尔也会出现斜向裂缝（见图9），这类裂缝分为弯剪斜裂缝和腹剪斜裂缝两种，裂缝产生原因都是梁端抗剪能力不足所致。裂缝宽度不超过规范规定的限值时，进封闭裂缝即可；若裂缝宽度超过规范规定的限值应对梁端腹板进行加固，以提高其抗剪承载能力，通常采用粘贴钢板或梁端增大截面法加固。图9预应力空心板梁梁端斜裂缝3空心板梁非荷载裂缝3.1混凝土收缩引起的裂缝混凝土是用水泥、水、砂、石子等按设计比例配制，经搅拌、成型、养护而形成的。混凝土在施工过程中会经过化学、物理和碳化等一系列收缩，当收缩受到约束而产生的拉应变大于当时混凝土的极限拉应变就会产生与拉应力方向相垂直的裂缝，如空心板梁腹板表面龟裂等。这类裂缝仅需用渗透结晶型材料封闭即可。3.2钢筋锈蚀引起的裂缝空心板梁由于钢筋锈蚀而混凝土开裂最为常见，这是因为钢筋在潮湿的环境中与空气中的氧气发生化学反应生产三氧化二铁即铁锈的主要成分，其体积是将增大2~4倍，最终导致混凝土被胀裂，这类裂缝的特点是裂缝沿着钢筋走向发展。要分析钢筋锈蚀的原因首先要搞清楚钢筋锈蚀和混凝土开裂的先后顺序。若先钢筋锈蚀后混凝土开裂，原因有两种：一是包裹在钢筋周围的混凝土保护层偏薄，保护第8页共9页层过早全面碳化，致使混凝土中的钢筋失去碱性保护而锈蚀；二是混凝土中氯离子含量超标而侵蚀钢筋，当混凝土中氯离子超标时虽然钢筋周围的混凝土未碳化，钢筋仍然会锈蚀，这是因为氯离子半径小，活性大，具有很强穿透钝化膜的能力，氯离子首先吸附在钝化膜有缺陷处，使氢氧化铁反应成易溶的氯化铁，使钝化膜局部破坏，产生坑蚀。若先混凝土开裂后钢筋锈蚀，要确定混凝土开裂的原因，如荷载裂缝宽度过大或骨料膨胀引起混凝土开裂等，导致外界腐蚀物直接锈蚀钢筋。钢筋锈蚀引起的裂缝虽然是耐久性范畴，但是空心板梁的主筋锈蚀易导致混凝土与钢筋之间的握裹力减弱，钢筋截面减小，进而降低承载能力，尤其是预应力钢筋锈蚀后，应力腐蚀速度很快，应该引起足够的重视。混凝土剥落露筋处钢筋进行除锈，清理干净后用聚合物修补砂浆进行修补，特别应注意的是，在修补之前必须对露筋锈蚀周围起壳混凝土彻底凿除，钢筋完全除锈，否则类似病害仍将再次发生。空心板梁主筋严重锈蚀的应对主筋钢筋有效面积折减后进行承载能力检算，承载能力不足的可采用粘贴碳纤维布或钢板进行补强。3.3碱骨料膨胀引起的裂缝在空心板梁病害检查过程中发现，空心板梁混凝土出现环向裂缝，仔细用手触摸，可明显感觉裂缝两侧有高差，沿裂缝凿除混凝土后，发现混凝土呈锥形，破损处出现姜黄色石子，该石子为膨胀源，这是碱骨料反应的典型特征,见图10。碱骨料反应是由于混凝土骨料含有氧化镁、硫酸盐或生石灰等骨料，当含碱量超过一定量（一般控制在3kg/m3之内）时，这些骨料吸潮后膨胀致使混凝土开裂起壳。这类病害往往呈弥漫性，可以说是混凝土的“癌症”。第9页共9页图10空心板梁因碱骨料反应，破损区域呈锥形状碱骨料反应对槽形梁自损较为严重，不仅削弱梁体的有效截面，而且随时间推移，梁体表面出现碱骨料反应的区域将不断增加，影响上部结构的承载能力，要防止碱骨料反应必须把好混凝土原材料关，对已经出现此类病害的，建议对病害部位凿除开裂起壳混凝土，挖除膨胀核心，再用聚合物修补砂浆修补，维修后表面清洗干净，再涂刷渗透结晶型浓缩浆料，以封闭混凝土表面毛细孔，隔绝水分或潮气侵入，以确保结构的耐久性，并加强日常巡查，对新出现的碱骨料反应须及时修复。4结语综上所述，空心板梁出现的裂缝种类虽多，但每一条裂缝都有其产生的具体原因，本文通过对空心板梁裂缝的分类、对应裂缝产生的原因及各种裂缝处治措施的详细阐述，对桥梁养护人员正确认识空心板梁裂缝提供技术支持。参考文献[1]《公路桥涵养护规范》（JTGH11-2004）[S]，人民交通出版社[2]《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99-2003）[S]，中国建筑工业出版社[3]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）[S]，人民交通出版社[4]《公路桥梁加固设计规范》（JTG/TJ22-2008）[S]，人民交通出版社[5]王欣智，谈先张法预应力混凝土空心板梁纵向裂缝分析及处治[J]，建筑科技与管理，2009，9。