道路桥梁设计与施工裂缝成因分析研究

罗奕城

[经通空间技术（河源）有限公司,广东 河源 517000]

0 引言

道路桥梁的设计和施工过程中经常会遇到不同的病害或者问题，尤其是裂缝的出现对桥梁的结构质量、使用年限以及通行安全均会造成不同程度的影响。裂缝问题在道路桥梁施工中较为普遍，对施工建设进度以及运营阶段的使用均会造成一定的危害，同时也会形成安全隐患。如果前期施工中不能有效控制施工质量，裂缝等问题将会在道路桥梁后期使用的过程中发展得更为严重。裂缝出现和发展的原因较多，工程前期设计不严谨、设计参数选取偏差以及施工期间外部环境（自然环境、荷载作用、外部偶然破坏等）、材料质量等影响均会导致裂缝的形成[1]。桥梁未设置完善的排水设施，大量的积水会通过裂缝渗入桥体内部，加速了裂缝的产生和发展。设计人员在设计时，未充分考虑到荷载的问题，设计荷载远小于实际载荷也会导致裂缝的出现。在当初设计及施工过程中，原材料的质量问题也会导致裂缝的出现。

裂缝出现位置的差异，对桥梁结构安全的影响程度也存在一定的不同。在桥梁施工建设过程中，裂缝产生后所引起的渗透作用是严重影响桥梁安全的外延结果之一，严重时可能会导致桥梁内部结构发生不可修复的破坏，对桥体构成严重的威胁[2]。此外，随着裂缝对桥梁结构长时间的不断发展作用，桥梁的使用年限同样会因为裂缝的出现而缩短。因此，结合实际工程条件，在设计和施工阶段对道路桥梁的质量做好把控，采用有效的技术措施针对裂缝等问题进行控制和修复，才能进一步提高道路桥梁的整体质量和运营年限。

1 道路桥梁设计与施工裂缝成因类型

1.1 荷载裂缝

在道路桥梁的使用期间，由于桥梁自重以及车辆载重等荷载长期的作用，导致道路桥梁长期承担较大的作用荷载。在荷载力以及次应力的共同影响下，道路桥梁会由于其影响形成荷载裂缝。此类裂缝与其他类型的裂缝不同，其裂缝特征并不固定，随着道路桥梁荷载作用情况的不同而出现不同的发展。通常情况下，荷载裂缝在桥梁振动严重部位、受拉/剪区域以及中心受压区域出现的可能性更高[3]。不同受力结构下，荷载裂缝主要分为三类：首先是中心受压，此类作用荷载形成的裂缝沿受力方向逐渐衍生出平行且短而密的裂缝，荷载裂缝的出现部位多见于桥梁桥墩结构处。其次是受弯情况下的荷载裂缝，此类裂缝通常出现于弯矩最大截面处，从受拉区的边缘部位开始逐渐发展演变，且荷载裂缝趋向中和轴延伸，与受拉方向呈现出90°左右的夹角。然后是受剪出现的裂缝，当桥梁抗剪切筋、桥梁主筋因设计问题而出现箍筋过密现象时则会出现荷载裂缝，角度至少为45°，沿梁端腹部位置呈倾斜分布。梁中下部的斜裂缝出现主要是由于桥梁箍筋结构受到剪切荷载的破坏所致。图1 为中心受压状态下的荷载裂缝以及弯曲裂缝与剪切裂缝的示意图。

图1 常见荷载裂缝的主要类型

1.2 温度裂缝

道路桥梁多采用混凝土作为结构的主要材料，而混凝土属于具有热胀冷缩特性的材料，热胀冷缩的特性会导致混凝土桥梁结构出现裂缝。因此，温度的变化也是引起道路桥梁出现裂缝的主要原因之一。基于道路桥梁施工的出发点，浇筑期间的混凝土内部会形成水化热，但是由于混凝土的导热系数较低，所产生的大量热量无法及时向外传导，在其内部会出现较高的温度场，如果外界的温度相对较低，内外部形成一定的温差，此时便会产生温度应力。受到温度应力的作用，混凝土可能会在施工过程中出现温度裂缝，对道路桥梁结构稳定性造成严重影响[4]。道路桥梁混凝土由于温度所产生的涨缩特性与混凝土骨料成分、混凝土强度以及温度降低速率（幅度）等参数的变化相关。因此，需要采取相关的温控措施对桥梁混凝土浇筑过程中温度的变化进行控制，避免裂缝的出现。此外，需避免昼夜温差较大、大体积连续浇筑等因素导致的温度裂缝。

1.3 施工裂缝

施工不规范所导致的道路桥梁裂缝称为施工裂缝，道路桥梁施工过程的管控情况会影响到结构质量。如果道路桥梁混凝土材料的配比不合适会导致结构裂缝出现的情况更为普遍；未按照相关工序要求的顺序进行施工作业同样会引发桥梁结构出现施工裂缝[5]。除此之外，施工过程中局部堆积过多的材料或者设备所引起的荷载过大的情况也会引起裂缝问题。在设计阶段，如果道路桥梁泄水孔周边受力情况无法得到改善，所受作用力超出其承载能力，也会导致施工裂缝的出现。如图2 所示，给出了道路桥梁施工中裂缝成因的主要影响因素。

2 道路桥梁设计与施工裂缝防控措施

2.1 工程概况

龙川至连平公路是河源市规划的“三纵四横三连一环”十一条线路组成主干线公路网，是“连一、横一、连二”的重要路段。龙川至连平公路起自龙川县城与国道G205相接，终点接国道G105 到达连平县城。龙川至和平段贯穿龙川、和平两县，全长81 km。东水东江大桥位于和平县境内，连接东水镇与四都镇，是浰龙线的控制性工程。该项目在距上游稔坑枢纽约5.2 km、下游罗营口枢纽约4.8 km 处横跨东江。设计起点位于龙川县四都镇，起点桩号为 K27+288，终点止于和平县东水镇，终点桩号为K28+400。引道与桥梁全长1 112 m，其中桥梁全长508 m，全宽11.5 m。

2.2 道路桥梁设计与施工裂缝防控措施

2.2.1 优化桥梁设计方案

从设计端进行优化提升是解决道路桥梁裂缝问题的重要手段，在此过程中要对桥梁的设计方案进行充分分析和评估。设计人员进行项目现场自然环境和周围生态情况的勘察分析，是保障设计方案合理性的基础。此外，科学地统筹规划和设计，选取合适的设计参数以保障设计方案的科学性和合理性同样是避免出现裂缝问题的重要环节。进一步优化钢筋和水泥的配比设计，确保道路桥梁结构的钢筋数量和质量，能够提升设计桥梁的安全性能。机械荷载的设计是确保其设计的荷载能力的关键，在进行机械荷载的设计时必须保障道路桥梁的实际荷载在混凝土承受强度的范围内。如表1 所示，给出了东江大桥部分主要设计参数的选取情况。

表1 东江大桥部分主要设计参数的选取

在该项目中，对于引桥上部结构而言，30 m 装配式小箱梁结构体系为先简支后桥面连续的结构，按部分预应力混凝土A 类构件设计。结构设计采用不同的软件进行分析；荷载横向分配系数采用刚性横梁法、刚接板（梁）法和梁格法三种计算方法进行对比分析，取大值控制设计。

2.2.2 控制施工温度

道路桥梁的混凝土施工过程中，外界环境（尤其是温度）的变化对其稳固性能的影响更为显著。因此，混凝土浇筑过程中的温控对桥梁的结构稳定性具有十分重要的影响。基于前述分析可知，混凝土需要尽可能地选择水化热较低的水泥材料，同时需要做好混凝土洒水养护制度。在该项目梁体混凝土浇筑过程中，应连续浇筑、一次成形，每片预制梁浇筑总时间不宜超过6 h，模板及钢筋温度宜在5~35 ℃，预制梁混凝土拌和物入模温度宜在5~30 ℃。此外，所有混凝土浇筑后均需采取保湿养护措施，预制梁拆模时梁体混凝土芯部与表层、箱内与箱外、表层与环境温度差不宜大于15 ℃，拆模后应安装自动喷淋养护措施进行养护，并用土工布覆盖至梁底，使其保持足够的湿度和温度，不能只覆盖梁顶部分，封锚混凝土浇筑后，静置1~2 h，带模浇水养护，常温下一般养护时间不少于14 d。

2.2.3 保障施工材料质量

该项目的混凝土材料在配比设计时，C40 以上混凝土宜采用不低于425 号硅酸盐水泥浇筑，所采用砂、石料、水的技术质量必须符合相关规定，且混凝土所采用水泥、砂、石料避免使用碱性材料。混凝土细骨料采用中粗砂，不得采用细砂。如图3 所示，根据《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476—2008），给出了该道路桥梁施工材料中不同混凝土标号的水胶比和水泥用量。上部构造最大氯离子含量0.06%，最大碱含量1.8 kg·m-3，墩台及桩基混凝土最大氯离子含量0.1%，最大碱含量1.8 kg·m-3。

图3 不同混凝土标号的水胶比及水泥用量

对于钢筋材料的选取而言，普通钢筋采用HPB300和HRB400 钢筋，钢筋应符合相关规范的强制性要求和规定。对于预应力钢绞线，主、引桥箱梁纵向预应力和主桥横隔梁预应力均采用符合《预应力钢绞线标准》（GB/T5224—2003）的低松弛高强度预应力钢绞线，公称直径ΦS15.2 mm，标准强度fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，松弛率不大于3.5%。钢板和钢构件的材料确定时，桥面系及附属构造钢构件均采用Q235B 钢材，要求符合相关要求。

2.2.4 提升桥梁养护措施

道路桥梁竣工并投入运营之后，由于荷载的作用以及其他环境因素的影响更容易导致裂缝问题的出现。道路桥梁裂缝问题的发生和持续演变不仅影响道路桥梁的基础结构性能和运营寿命，还会对通行车辆的安全构成严重威胁，影响到人们的财产和人身安全。因此，对于投入运营之后的道路桥梁进行合理的养护和维修工作十分必要，不仅可以及时发现存在的裂缝等问题，还能够及时排查其他病害，为桥梁的维修养护提供指导.确保养护工作落到实处是提升道路桥梁的稳定性能的重要基础和前提。

3 结语

该文通过分析道路桥梁裂缝的基本类型，从道路桥梁设计与施工过程控制的角度总结了道路桥梁裂缝出现和演变的原因。与此同时，结合东江大桥的实际设计参数和施工过程，进一步讨论了道路桥梁设计与施工过程中裂缝控制的关键环节和具体措施，并得出如下结论：

（1）道路桥梁裂缝产生的因素较多，设计与施工中常见的裂缝类型主要为荷载裂缝、温度裂缝以及施工裂缝。针对不同的裂缝类型需要结合项目施工现场情况进行综合勘察设计，同时强化施工管理，保障桥梁结构的稳定性和安全性。

（2）道路桥梁混凝土材料配比、钢筋性能确定以及施工过程的控制均会直接影响道路桥梁结构的安全性和使用年限，通过材料的选取以及温度控制等措施，同时提升桥梁的养护手段，能够减少裂缝问题的出现，提升道路桥梁的整体性能。