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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）

题    目：浅析钢筋混凝土桥梁裂缝

学习中心：                    

                 层    次：     专科起点本科     

专    业：     土木工程(道桥方向)

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完成日期：       

内容摘要

随着公路工程建设规模迅猛发展,桥梁结构形式日趋大型化、复杂化,质量要求日趋严格。桥梁结构的裂缝问题成为具有相当普遍性的技术难题。根据大量的工程实践和近年来对工程材料的细致研究,桥梁结构的裂缝是不可避免的,但其有害程度是可以控制。如何因地制宜的把裂缝控制在无害范围内是一个比较复杂的问题。

本文对不同阶段、不同原因产生的裂缝进行了系统地分析,目的在于对混凝土桥梁结构在施工阶段预防和控制早期裂缝的产生及对生产的裂缝采取正确的处理方法;并能正确分析使用阶段结构裂缝产生的原因,判断和识别是否需要处理及具体修补方法。最后论文结合具体的工程实例对钢筋混凝土桥梁裂缝的防治进行阐述。

关键词：钢筋混凝土桥梁；裂缝；灌浆；防治

目  录

内容摘要

引  言

1  概述

1.1  钢筋混凝土桥梁裂缝的研究现状

1.2  钢筋混凝土桥梁裂缝的研究意义

1.3  本文主要研究内容

2  钢筋混凝土桥梁裂缝的分类及成因

2.1  荷载裂缝

2.2  温度裂缝

2.3  收缩裂缝

2.4  地基基础变形引起的裂缝

2.5  钢筋锈蚀引起的裂缝

2.6  冻胀引起的裂缝

3  钢筋混凝土桥梁裂缝的危害

3.1  表面裂缝度桥梁结构的危害后果

3.2  裂缝对桥梁耐久的危害后果

3.3  裂缝对桥梁结构强度的危害后果

4  钢筋混凝土桥梁裂缝的预防措施

4.1  原材料的选用方面

4.1.1  水泥

4.1.2  骨料的选用

4.1.3  混凝土配合比

4.2  施工方面

4.2.1  浇筑方案

4.2.2  振捣工艺

4.2.3  降低混凝土浇筑温度的措施

4.2.4  混凝土养护

4.3  设计方面

5  混凝土桥梁裂缝的修补方法

5.1  表面处理法

5.1.1  填缝法

5.1.2  表面抹灰法

5.1.3  表面粘贴修补法

5.1.4  凿槽嵌补法

5.1.5  表面喷浆法

5.1.6  打箍加固封闭法

5.2  灌浆法

5.2.1  水泥灌浆法

5.2.2  化学灌浆法

5.3  结构补强法

6  结合工程实例分析

6.1  工程概况

6.2  工程特点

6.3  工程措施及效果

7  结论与建议

参考文献

引  言

我国在役简支梁桥绝大部分建造年代在60年代初到90年代末，在这段时间内建设的桥梁正是设计理论、施工技术和监理制度逐步完善的时期。这些桥梁在建设和运营10-20年后出现了各种各样的突出问题，桥面铺装开裂、桥面板纵横裂缝、桥台破损沉陷、锥坡塌陷、桥头跳车严重等，破坏位置几乎涵盖了桥梁结构的全部构件，问题逐步显现，严重影响了车辆的安全运营，存在极大的隐患。尤其是在国省道和县乡公路上中小桥梁尤为突出，大部分桥梁成为3类桥，甚至是4类桥梁。据统计，我国通车公路路网中，截至2008年底，现有桥梁278809座.总长度为1031794m，其中98.7%的为永久性桥梁，0.67%为半永久性桥梁，0.5%为临时性桥梁。中、小跨径的桥梁约占桥梁总数的94. 5%，而它们中间的大部分位于技术标准低、通行能力差的县乡公路上，设计荷载标准大多为汽一 13、拖一60或汽一 15、挂一80，其中还有相当一部分桥梁的荷载标准仅为汽一 10、履带一50，甚至低于汽车一 10级。由于交通运输事业的发展，交通量与日俱增，车辆载重显著提高，加之人为或自然等因素的影响，使得这些桥梁处于一种带病、超负荷工作状态。因此，对病害中小桥梁采取加固措施，延长使用寿命，是保障道路安全畅通和节省建设资金的重要举措。实践表明，混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。所以，对混凝土结构损伤的诊断，首先应从对结构的裂缝调查、检测与分析入手。

全国公路桥梁由于裂缝、结构变形产生的病害桥梁的数量是非常庞大的，如要全部推倒重建，不仅不科学而且也不经济。因此，进行桥梁加固是比较合理，是科学的解决方法。近年来，桥梁加固越来越受到全球各国工程界的高度重视，被提到刻不容缓的议事日程上来。桥梁建设的重点巳经从新桥建设转移到旧桥的加固和改造方面，很显然，现役桥梁出现裂缝的情况还是比较严重的。因此，若能在混凝土结构施工之前和施工之后对混凝土是否开裂和可能达到的开裂程度进行控制，无疑对于混凝土结构质量控制有着重要的意义。另外，对于已经开裂的混凝土结构，若能迅速准确找到混凝土开裂的原因，采取有效措施进行修补与加固，不仅节省投资，而且有很好的经济效益和社会效益。

1  概述

1.1  钢筋混凝土桥梁裂缝的研究现状

随着桥梁事业的不断的发展，混凝土桥梁裂缝问题越来越引起人们的重视，各个国家有许多科研机构和学者都在潜心研究裂缝问题，如美国的混凝土协会，英国的水泥与混凝土协会、德国的钢筋混凝土协会、法国规范CCBA、欧洲混凝土协会、国际混凝土预应力协会、俄罗斯的混凝土级钢筋混凝土研究院、中国的建筑科学研究院、冶金部建筑研究学院、长安大学等研究机构。

我国也有很多学者，一直在研究裂缝问题，如赵国藩、杨文渊等。上述机构和学者的研究成果已广泛地应用在工程结构的设计、施工及使用的裂缝分析与控制中。桥梁结构由于其特殊性和复杂性，尤其是近年来大跨度桥梁地发展，对裂缝地要求更严格了，据不完全统计每年损坏的桥梁有90%以上是从裂缝开始的。因此，对桥梁裂缝地研究越来越引起人们的重视，尤其是大跨度、大体积混凝土桥梁裂缝的成因机理，影响因素及处理对策。

本文深入细致地从理论方面探讨了混凝土桥梁的裂缝的成因和施工控制方法，并从设计、施工等方面提出一些相应的预防及处理措施。通过不同整治方法处理后，延长了桥梁的使用寿命，提高了桥梁的承载力。

1.2  钢筋混凝土桥梁裂缝的研究意义

随着交通运输量的不断增加，交通荷载等级的不断提高，桥梁服役年限的不断延长，许多桥梁己渐渐不能适应现代交通的要求，使用性能恶化，安全性降低。此外不论勘察、设计、施工、养护等方面存在缺陷或错误，还是受到气候作用、化学侵烛引起结构老化，均会造成桥梁结构隐患，降低结构的可靠性。一般地，桥梁需要加固主要有以下几个方面的原因:

1、设计基础资料和设计方法的不准确性，导致设计出来的桥梁存在着安全性问题。

2、施工不按规程办事、施工管理不善以及施工单位偷工减料等原因，使得桥梁存在质量隐患。

3、由于高湿、酸碱环境、温差、冻融等影响以及地震、火灾、水灾、流沙自然灾害的作用，导致桥梁发生严重损坏。

4、设计规范的修订和设计标准的提高，按照原规范标准设计的结构将不能满足现设计标准的要求。

5、随着社会的发展和生产生活水平的不断提高，交通量不断增加，原有桥梁使用功能和要求的改变，需要对其进行加固维修。

较早建成的一些公路桥梁技术标准低、通行能力差，桥梁往往成为公路交通运输的“瓶颈”，严重影响了整条线路的畅通，也成为交通事故多发地点。从目前我国基本建设投资来看，由于资金的短缺，除了建设一定数量的新桥外，如何充分利用现有桥梁，对其进行有效的加固维修，是摆在桥梁工程技术人员面前的一大课题。因此，对桥梁结构的维修、加固和补强的研究及应用，改善桥梁的使用性能和延长桥梁的使用寿命，己引起了世界性的关注，这是一项具有重要的理论和现实意义的研究课题。

1.3  本文主要研究内容

本文共分为七大部分。第一章是概述，介绍了钢筋混凝土桥梁裂缝的研究现状、钢筋混凝土桥梁裂缝的研究意义以及本文主要研究内容。第二章是钢筋混凝土桥梁裂缝的分类及成因，包括荷载裂缝、温度裂缝、收缩裂缝、地基基础变形引起的裂缝、钢筋锈蚀引起的裂缝、冻胀引起的裂缝。第三章介绍了钢筋混凝土桥梁裂缝的危害。第四章是钢筋混凝土桥梁裂缝的预防措施，主要从原材料的选用方面、施工方面、设计方面。第五章介绍了混凝土桥梁裂缝的修补方法，包括表面处理法、灌浆法、结构补强法。第六章结合工程实例分析。第七章是结论与建议。

2  钢筋混凝土桥梁裂缝的分类及成因

钢筋混凝土结构桥梁裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因素相互影响。但每一条裂缝的产生均有一种或几种主要原因。混凝土桥梁裂缝的种类，就其产生原因，大致可划分如下几种：

2.1  荷载裂缝

混凝土桥梁在常规静、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：

（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。结构设计断面不足；钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足；结构处理不当等。

（2）施工阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构受力特点，随意起吊、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。

（3）使用阶段，超出设计荷载的重型车辆过桥；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。在长跨预应力连续梁中。经常在跨内根据截面内力需要断开钢束，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，在这些结果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。

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。根据结构不同受力方式，产生的裂缝特征如下：    

（1）中心受拉。裂缝贯穿构件横截面，间距大体相等，且垂直于受力方向。采用螺纹钢筋时，裂缝之间出现位于钢筋附近的次裂缝。    

（2）中心受压。沿构件出现平行于受力方向的短而密的平行裂缝。    

（3）受弯。弯矩最大截面附近从受拉区边沿开始出现与受拉方向垂直的裂缝，并逐渐向中和轴方向发展。采用螺纹钢筋时，裂缝间可见较短的次裂缝。当结构配筋较少时，裂缝少而宽，结构可能发生脆性破坏。    

（4）大偏心受压。大偏心受压和受拉区配筋较少的小偏心受压构件，类似于受弯构件。    

（5）小偏心受压。小偏心受压和受拉区配筋较多的大偏心受压构件，类似于中心受压构件。    

（6）受剪。当箍筋太密时发生斜压破坏，沿梁端腹部出现大于45°方向的斜裂缝；当箍筋适当时发生剪压破坏，沿梁端中下部出现约45°方向相互平行的斜裂缝。    

（7）受扭。构件一侧腹部先出现多条约45°方向斜裂缝，并向相邻面以螺旋方向展开。    

（8）受冲切。沿柱头板内四侧发生约45°方向斜面拉裂，形成冲切面。    

（9）局部受压。在局部受压区出现与压力方向大致平行的多条短裂缝。

2.2  温度裂缝

混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土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）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，例如拱桥、刚架桥等。我国年温差一般以一月和七月月平均温度的作为变化幅度。考虑到混凝土的蠕变特性，年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。    

（2）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。    

（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，混凝土弹性模量不考虑折减。    

（4）水化热。出现在施工过程中，大体积混凝土（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。   

（5）蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当，混凝土骤冷骤热，内外温度不均，易出现裂缝。    

（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，铁件附近混凝土容易烧伤开裂。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℃，混凝土构件也容易开裂。试验研究表明，由火灾等原因引起高温烧伤的混凝土强度随温度的升高而明显降低，钢筋与混凝土的粘结力随之下降，混凝土温度达到300℃后抗拉强度下降50%，抗压强度下降60%，光圆钢筋与混凝土的粘结力下降80%；由于受热，混凝土体内游离水大量蒸发也可产生急剧收缩。

2.3  收缩裂缝

在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中，塑性收缩和缩水收缩（干缩）是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和炭化收缩。    

（1）塑性收缩。发生在施工过程中、混凝土浇筑后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，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉，因此时混凝土尚未硬化，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。

（2）缩水收缩（干缩）。混凝土结硬以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为缩水收缩（干缩）。因混凝土表层水分损失快，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混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。混凝土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%），钢筋对混凝土收缩的约束比较明显，混凝土表面容易出现龟裂裂纹。    

（3）自生收缩。自生收缩是混凝土在硬化过程中，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，如普通硅酸盐水泥混凝土），也可以是负的（即膨胀，如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土）。    

（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。

2.4  地基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，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。基础不均匀沉降的主要原因有：    

（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。   

（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。    

（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）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。    

（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。    

（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。    

（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。    

（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。

2.5  钢筋锈蚀引起的裂缝

由于混凝土质量较差或保护层厚度不足，混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低，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混凝土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，从而对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀，使得钢筋有效断面面积减小，钢筋与混凝土握裹力削弱，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。

2.6  冻胀引起的裂缝

大气气温低于零度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水转变成冰，体积膨胀9%，因而混凝土产生膨胀应力；同时混凝土凝胶孔中的过冷水（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，使混凝土中膨胀力加大，混凝土强度降低，并导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重，成龄后混凝土强度损失可达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。

3  钢筋混凝土桥梁裂缝的危害

桥梁工程一旦出现裂缝，对桥梁本身和对桥梁使用者都产生巨大影响。如果再由于外界条件对原有裂缝的破坏，会使桥梁裂缝部分更加恶化，不但会影响桥梁的使用寿命，严重的是会引发桥梁坍塌从而影响桥梁使用者的安全问题。

3.1  表面裂缝度桥梁结构的危害后果

桥梁混凝土裂缝是混凝土结构建筑中的严重危害现象。根据裂缝的程度可以直接确定对桥梁结构的整体性的破坏程度。如果在桥梁混凝土表面最初出现裂缝时，没有进行及时的维护修理，在其后受气温和外力作用下，最初的表现裂缝慢慢会发展成具有破坏性的深层裂缝和贯穿裂缝。贯穿裂缝和深层裂缝的出现可改变桥梁混凝土的设计受力限度，如果大于设计的受力条件，那么很可能会对桥梁整体结构发生破坏，对建筑物的质量和运行安全性造成的危害后果不敢想象。

3.2  裂缝对桥梁耐久的危害后果

由于桥梁的出现的裂缝问题，对桥梁的使用耐久产生了一定影响。主要表现在，其加速了桥梁混凝土中性化，加剧了混凝土钢筋腐蚀，再由于一些自然条件的对裂缝漏水、渗水等，造成钢筋混凝土发霉、空洞，使混凝土保护层脱落，从而减少了桥梁的使用耐久度。

3.3  裂缝对桥梁结构强度的危害后果

在桥梁混凝土表面裂缝现象出现以后，桥梁自身整体结构的刚强度、抗弯强度、剪力强度、拉力强度等都会发生变化，并可能导致桥梁结构的变形。当裂缝情况严重中，很大程度会使桥梁构材掉落而造成极大危害。

4  钢筋混凝土桥梁裂缝的预防措施

4.1  原材料的选用方面

4.1.1  水泥

在使用前要做好各种试验以确定其是否是低水化热的水泥。由于矿物成分及掺加混合材料数量的小同，水泥的水化热差异较大。混合材料掺量多的水泥水化热较低。为减小水泥水化热，降低混凝土绝热温升和混凝土内部温度，从而减小内外温差，应选用低水化热的水泥产品。

4.1.2  骨料的选用

应优先选用热膨胀系数小、含泥量低的骨料，并强调骨料的级配合理，条件许可时，应尽可能使用粒径大的骨料。之所以这样，是因为一方面骨料本身的强度就大于水泥胶体，另一方面，采用级配合理的骨料，可以提高骨料在混凝土中的所占体积，能大幅度降低水泥用量，从而间接地降低水化热。

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