[內容摘要]混凝土在現代工程建設中占有重要地位。在今天，混凝土的裂縫較為普遍，在橋梁工程中裂縫幾乎無所不在。本文通過對預應力混凝土結構裂縫種類的闡述，分析了裂縫產生的原因，對如何進行預應力混凝土結構裂縫的預防和控制進行**。
[關鍵詞] 預應力混凝土裂縫控制
[引言]
預應力混凝土結構是用高強度鋼材和較高強度的混凝土經先進的施工工藝製作的，用先進的設計理論和方法設計的高效預應力混凝土結構，由於它具有優良的結構和較高的經濟效益，已被日益廣泛地應用於高速公路大型橋梁結構中。但是，混凝土產生裂縫是不可完全避免的，即使施工單位完成時沒有發現裂縫，隨著歲月流逝，新建橋梁不僅要經高荷載的考驗，同時要經高大混凝土的影響，包括外界物理、化學因素作用下，不斷產生和擴充套件，也會逐漸出現裂縫，引起混凝土碳化，保護層剝落，鋼筋腐蝕，使混凝土的強度和剛度受到削弱，耐久性降低，嚴重時發生塌翻事故，危害結構的正常使用。因此改善混凝土橋梁的質量，盡量少出裂縫，必須找出裂縫產生的原因，提出解決方法，對其有害程度進行有效控制。
一、裂縫的概念
混凝土結構裂縫是一種材料特徵。混凝土材料從巨集觀上是乙個均勻的材料，但以微觀上它是不均勻的，混凝土有裂縫是絕對的，沒有裂縫是相對的。在混凝土中水泥石與集料的性質有著較大的差別，隨著水化反應的進行以及乾燥過程，水泥石將會收縮。
不僅如此，集料還將約束水泥石的收縮，由於這種約束作用，在水泥石中產生拉應力，當拉應力超過水泥石拉伸強度時，水泥石將出現裂縫，裂縫的大小和數量與集料和水泥石的彈性模量以及集料的分布，間距和大小有關，當混凝土承受荷載並逐漸增加時微裂縫開始擴充套件，連通，形成可觀裂縫，甚至造成構件破壞。
二、預應力混凝土橋梁裂縫的種類及成因
實際上，混凝土結構裂縫的種類和成因複雜而繁多，甚至多種因素相互影響，但每一條裂縫均有其產生的一種或幾種主要原因。混凝土橋梁裂縫的種類，就其產生的原因，大致可劃分如下幾種：
1、荷載引起的裂縫
混凝土橋梁在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫，歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫。裂縫產生的原因有：
設計計算階段，結構計算時不計算或部分漏算；計算模型不合理；結構受力假設與實際受力不符；荷載少算或漏算；內力與配筋計算錯誤；結構安全係數不夠。結構設計時不考慮施工的可能性；設計斷面不足；鋼筋設定偏少或布置錯誤；結構剛度不足；構造處理不當；設計圖紙交代不清等。施工階段，不加限制地堆放施工機具、材料；不了解預製結構受力特點，隨意翻身、起吊、運輸、安裝；不按設計圖紙施工，擅自更改結構施工順序，改變結構受力模式；不對結構做機器振動下的疲勞強度驗算等。
使用階段，超出設計載荷的重型車輛過橋；受車輛、船舶的接觸、撞擊；發生大風、大雪、**、**等。次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生裂縫。裂縫產生的原因有：
在設計外荷載作用下，由於結構物的實際工作狀態同常規計算有出入或計算不考慮，從而在某些部位引起次應力導致結構開裂。例如兩鉸拱橋拱腳設計時常採用布置「x」形鋼筋、同時削減該處斷面尺寸的辦法設計鉸，理論計算該處不會存在彎矩，但實際該鉸仍然能夠抗彎，以至出現裂縫而導致鋼筋鏽蝕。橋梁結構中經常需要鑿槽、開洞、設定牛腿等，在常規計算中難以用準確的圖式進行模擬計算，一般根據經驗設定受力鋼筋。
研究表明，受力構件挖孔後，力流將產生繞射現象，在孔洞附近密集，產生巨大的應力集中。在長跨預應力連續樑中，經常在跨內根據截面內力需要截斷鋼束，設定錨頭，而在錨固斷面附近經常可以看到裂縫。因此，若處理不當，在這些結構的轉角處或構件形狀突變處、受力鋼筋截斷處容易出現裂縫。
實際工程中，次應力裂縫是產生荷載裂縫的最常見原因。次應力裂縫多屬張拉、劈裂、剪下性質。次應力裂縫也是由荷載引起，僅是按常規一般不計算，但隨著現代計算手段的不斷完善，次應力裂縫也是可以做到合理驗算的。
例如現在對預應力、徐變等產生的二次應力，不少平面杆系有限元程式均可正確計算，但在40年前卻比較困難。在設計上，應注意避免結構突變（或斷面突變），當不能迴避時，應做區域性處理，如轉角處做圓角，突變處做成漸變過渡，同時加強構造配筋，轉角處增配斜向鋼筋，對於較大孔洞有條件時可在周邊設定護邊角鋼。
荷載裂縫特徵依荷載不同而異呈現不同的特點。這類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位。但必須指出，如果受壓區出現起皮或有沿受壓方向的短裂縫，往往是結構達到承載力極限的標誌，是結構破壞的前兆，其原因往往是截面尺寸偏小。
根據結構不同受力方式，產生的裂縫特徵如下：中心受拉。裂縫貫穿構件橫截面，間距大體相等，且垂直於受力方向。
採用螺紋鋼筋時，裂縫之間出現位於鋼筋附近的次裂縫。中心受壓。沿構件出現平行於受力方向的短而密的平行裂縫。
受彎。彎矩最大截面附近從受拉區邊沿開始出現與受拉方向垂直的裂縫，並逐漸向中心軸方向發展。採用螺紋鋼筋時，裂縫間可見較短的次裂縫。
當結構配筋較少時，裂縫少而寬，結構可能發生脆性破壞。大偏心受壓。大偏心受壓和受拉區配筋較少的小偏心受壓構件，類似於受彎構件。
小偏心受壓。小偏心受壓和受拉區配筋較多的大偏心受壓構件，類似於中心受壓構件。受剪。
當箍筋太密時發生斜壓破壞，沿樑端腹部出現大於45°方向的斜裂縫；當箍筋適當時發生剪壓破壞，沿樑端中下部出現約45°方向相互平行的斜裂縫。受扭。構件一側腹部先出現多條約45°方向斜裂縫，並向相鄰面以螺旋方向展開。
受沖切。沿柱頭板內四側發生約45°方向斜面拉裂，形成衝切面。區域性受壓。
在區域性受壓區出現與壓力方向大致平行的多條短裂縫。
2、溫度變化引起的裂縫
混凝土具有熱脹冷縮性質，當外部環境或結構內部溫度發生變化，混凝土將發生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應力可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區別其它裂縫最主要特徵是將隨溫度變化而擴張或合攏。
引起溫度變化主要因素有：
年溫差。一年中四季溫度不斷變化，但變化相對緩慢，對橋梁結構的影響主要是導致橋梁的縱向位移，一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設定柔性墩等構造措施相協調，只有結構的位移受到限制時才會引起溫度裂縫，例如拱橋、剛架橋等。我國年溫差一般以一月和七月月平均溫度的作為變化幅度。
考慮到混凝土的蠕變特性，年溫差內力計算時混凝土彈性模量應考慮折減。日照。橋面板、主梁或橋墩側面受太陽曝曬後，溫度明顯高於其它部位，溫度梯度呈非線形分布。
由於受到自身約束作用，導致區域性拉應力較大，出現裂縫。日照和下述驟然降溫是導致結構溫度裂縫的最常見原因。驟然降溫。
突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結構外表面溫度突然下降，但因內部溫度變化相對較慢而產生溫度梯度。日照和驟然降溫內力計算時可採用設計規範或參考實橋資料進行，混凝土彈性模量不考慮折減。水化熱。
出現在施工過程中，大體積混凝土（厚度超過2.0公尺）澆築之後由於水泥水化放熱，致使內部溫度很高，內外溫差太大，致使表面出現裂縫。施工中應根據實際情況，盡量選擇水化熱低的水泥品種，限制水泥單位用量，減少骨料入模溫度，降低內外溫差，並緩慢降溫，必要時可採用迴圈冷卻系統進行內部散熱，或採用薄層連續澆築以加快散熱。
蒸汽養護或冬季施工時施工措施不當，混凝土驟冷驟熱，內外溫度不均，易出現裂縫。預製t梁之間橫隔板安裝時，支座預埋鋼板與調平鋼板焊接時，若焊接措施不當，鐵件附近混凝土容易燒傷開裂。採用電熱張拉法張拉預應力構件時，預應力鋼材溫度可公升高至350℃，混凝土構件也容易開裂。
試驗研究表明，由火災等原因引起高溫燒傷的混凝土強度隨溫度的公升高而明顯降低，鋼筋與混凝土的粘結力隨之下降，混凝土溫度達到300℃後抗拉強度下降50%，抗壓強度下降60%，光圓鋼筋與混凝土的粘結力下降80%；由於受熱，混凝土體內游離水大量蒸發也可產生急劇收縮。
3、收縮引起的裂縫
在實際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。在混凝土收縮種類中，塑性收縮和縮水收縮（乾縮）是發生混凝土體積變形的主要原因，另外還有自生收縮和炭化收縮。
塑性收縮。發生在施工過程中、混凝土澆築後4～5小時左右，此時水泥水化反應激烈，分子鏈逐漸形成，出現泌水和水分急劇蒸發，混凝土失水收縮，同時骨料因自重下沉，因此時混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。塑性收縮所產生量級很大，可達1%左右。
在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋，便形成沿鋼筋方向的裂縫。在構件豎向變截面處如t梁、箱梁腹板與頂底板交接處，因硬化前沉實不均勻將發生表面的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮，施工時應控制水灰比，避免過長時間的攪拌，下料不宜太快，振搗要密實，豎向變截面處宜分層澆築。
縮水收縮（乾縮）。混凝土結硬以後，隨著表層水分逐步蒸發，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮（乾縮）。因混凝土表層水分損失快，內部損失慢，因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當表面混凝土承受拉力超過其抗拉強度時，便產生收縮裂縫。
混凝土硬化後收縮主要就是縮水收縮。如配筋率較大的構件（超過3%），鋼筋對混凝土收縮的約束比較明顯，混凝土表面容易出現龜裂裂紋。
自生收縮。自生收縮是混凝土在硬化過程中，水泥與水發生水化反應，這種收縮與外界濕度無關，且可以是正的（即收縮，如普通矽酸鹽水泥混凝土），也可以是負的（即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土）。
炭化收縮。大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發生化學反應引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發生，且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計算。
混凝土收縮裂縫的特點是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細，且縱橫交錯，成龜裂狀，形狀沒有任何規律。影響混凝土收縮裂縫的主要因素有：水泥品種、標號及用量。
礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高，普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。另外水泥標號越低、單位體積用量越大、磨細度越大，則混凝土收縮越大，且發生收縮時間越長。例如，為了提高混凝土的強度，施工時經常採用強行增加水泥用量的做法，結果收縮應力明顯加大。
骨料品種。骨料中石英、石灰岩、白雲岩、花崗岩、長石等吸水率較小、收縮性較低；而砂岩、板岩、角閃岩等吸水率較大、收縮性較高。另外骨料粒徑大收縮小，含水量大收縮越大。
水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收縮越大。外摻劑。
外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。養護方法。良好的養護可加速混凝土的水化反應，獲得較高的混凝土強度。
養護時保持濕度越高、氣溫越低、養護時間越長，則混凝土收縮越小。蒸汽養護方式比自然養護方式混凝土收縮要小。外界環境。
大氣中濕度小、空氣乾燥、溫度高、風速大，則混凝土水分蒸發快，混凝土收縮越快。振搗方式及時間。機械振搗方式比手工搗固方式混凝土收縮性要小。
振搗時間應根據機械效能決定，一般以5～15s/次為宜。時間太短，振搗不密實，形成混凝土強度不足或不均勻；時間太長，造成分層，粗骨料沉入底層，細骨料留在上層，強度不均勻，上層易發生收縮裂縫。
對於溫度和收縮引起的裂縫，增配構造鋼筋可明顯提高混凝土的抗裂性，尤其是薄壁結構（壁厚20～60cm）。構造上配筋宜優先採用小直徑鋼筋(φ8～φ14)、小間距布置(@10～@15cm)，全截面構造配筋率不宜低於0.3%，一般可採用0.
3%～0.5%。
4、地基基礎變形引起的裂縫
由於基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結構中產生附加應力，超出混凝土結構的抗拉能力，導致結構開裂。基礎不均勻沉降的主要原因有：
地質勘察精度不夠、試驗資料不准。在沒有充分掌握地質情況就設計、施工，這是造成地基不均勻沉降的主要原因。比如丘陵區或山嶺區橋梁，勘察時鑽孔間距太遠，而地基岩面起伏又大，勘察報告不能充分反映實際地質情況。
地基地質差異太大。建造在山區溝谷的橋梁，河溝處的地質與山坡處變化較大，河溝中甚至存在軟弱地基，地基土由於不同壓縮性引起不均勻沉降。
結構荷載差異太大。在地質情況比較一致條件下，各部分基礎荷載差異太大時，有可能引起不均勻沉降，例如高填土箱形涵洞中部比兩邊的荷載要大，中部的沉降就要比兩邊大，箱涵可能開裂。
結構基礎型別差別大。同一聯橋梁中，混合使用不同基礎如擴大基礎和樁基礎，或同時採用樁基礎但樁徑或樁長差別大時，或同時採用擴大基礎但基底標高差異大時，也可能引起地基不均勻沉降。
分期建造的基礎。在原有橋梁基礎附近新建橋梁時，如分期修建的高速公路左右半幅橋梁，新建橋梁荷載或基礎處理時引起地基土重新固結，均可能對原有橋梁基礎造成較大沉降。
地基凍脹。在低於零度的條件下含水率較高的地基土因冰凍膨脹；一旦溫度回公升，凍土融化，地基下沉。因此地基的冰凍或融化均可造成不均勻沉降。
橋梁基礎置於滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質時，可能造成不均勻沉降。
橋梁建成以後，原有地基條件變化。大多數天然地基和人工地基浸水後，尤其是素填土、黃土、膨脹土等特殊地基土，土體強度遇水下降，壓縮變形加大。在軟土地基中，因人工抽水或乾旱季節導致地下水位下降，地基土層重新固結下沉，同時對基礎的上浮力減小，負摩阻力增加，基礎受荷加大。
有些橋梁基礎埋置過淺，受洪水沖刷、淘挖，基礎可能位移。地面荷載條件的變化，如橋梁附近因塌方、山體滑坡等原因堆置大量廢方、砂石等，橋址範圍土層可能受壓縮再次變形。因此，使用期間原有地基條件變化均可能造成不均勻沉降。
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