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摘 要：桥梁是道路的重要组成部分，近年来桥梁工程建设数量增多，如何提高工程质量，尤其是桥梁结构裂缝问题成为施工关注的重点。文章从桥梁结构裂缝类型及形成原因入手，指出连续梁桥结构裂缝的多发部位，并结合工程实例进行例证研究，提出桥梁结构裂缝的加固技术处理方法，以供同行参考。
关键词：桥梁;结构裂缝;形成原因;加固技术
中图分类号：U445.72 文献标识码：A
0 前言
在桥梁工程施工中，混凝土的应用比较广泛，然而结构裂缝却成为一个严重问题，不仅影响桥梁的实用性，也会威胁行人的生命安全。相关调查显示，我国不少桥梁虽然在使用寿命以内，却提前停止运营，最大的原因就是出现结构裂缝等病害[1]。明确这些裂缝的形成原因，并采取有效的技术方案进行加固处理，才能保证桥梁的使用性能。以下结合实践，探讨桥梁结构裂缝及加固技术。
1 桥梁结构裂缝类型及形成原因
1.1 荷载裂缝
荷载裂缝，是桥梁受到静荷载、动荷载、次应力影响，从而产生的裂缝。①中心受压形成的裂缝和构件受力方向平行，具有短小、密集的特点，多见于独柱或双柱桥墩的桥梁中。②受剪形成的裂缝，多是主筋、抗剪切筋设置数量不足，或箍筋设置过多，特点是沿着梁端腹部呈现45°方向的斜裂缝。③受弯形成的裂缝，集中在弯矩最大截面附近，特点是从受拉边缘开始、和受拉方向垂直，易引起结构脆性破坏。
1.2 温差裂缝
温差裂缝的出现，是因为混凝土具有胀缩性质，随着外界环境、结构内部的温度变化，混凝土也会变形，这种变形受到约束就会产生应力，超过混凝土本身的抗拉强度就会形成裂缝[2]。温差裂缝多见于大体积混凝土结构，例如桥墩、桥台、桥面铺装，也可能和其他因素共同作用。
1.3 收缩裂缝
混凝土凝结过程中收缩，也是形成裂缝的一个原因，虽然对结构承载力的影响不明显，但会严重影响结构外观，降低其耐久性。在桥梁结构中，收缩裂缝多位于混凝土表面，具有细小、纵横交错的特点，裂缝形状不规则。
1.4 冻胀裂缝
冬季环境温度较低，桥梁结构吸水饱和后出现冰冻，自身体积膨胀，会在混凝土内部产生膨胀应力[3]。从微观来看，混凝土中的水在迁移、重力影响下，会产生渗透压，进一步加大混凝土的膨胀应力，降低混凝土的强度，继而出现裂缝。混凝土初凝时冻害最严重，强度损失明显。
1.5 其他
首先，基础变形引起的裂缝。地基基础是受力部位，直接决定了桥梁工程的整体性能。如果基础发生变形，例如不均匀沉降、局部塌陷，会引起构件约束变形，内部拉应力改变，超出自身抗拉强度就会在薄弱部位出现裂缝，如下图1。以山区沟谷桥梁为例，由于地质条件复杂，可能存在软弱地基，一旦处理不当很容易发生不均匀沉降，继而结构上出现裂缝。
其次，钢筋锈蚀引起的裂缝。钢筋混凝土结构中，钢筋作为骨架，如果绑扎不规范、积水侵蚀、混凝土表层剥落，均会造成钢筋锈蚀，如下图2。锈蚀钢筋的有效断面面积减小，和混凝土之间的握裹力减弱，导致结构承载力降低，从而形成裂缝。
2 连续梁桥结构裂缝的多发部位
2.1 顶板裂缝
顶板横向裂缝少见，以纵向裂缝多见，一般位于跨中合拢段、接近支点的部位。分析原因包括：①顶板没有设置横向预应力筋。②顶板横向弯矩受活载影响，车辆超载易形成纵向裂缝。③箱梁内外温度差异大，产生的次应力导致结构开裂。④纵向预应力设计值过大，横向拉应力超过混凝土的抗拉强度而出现裂缝。
2.2 腹板裂缝
腹板裂缝根据形态的不同，可分为斜向裂缝、水平裂缝、竖向裂缝等。①斜向裂缝多位于距离支座1/4跨度附近，呈45°分布，原因包括：支座附近剪力过大;边跨过度依赖竖向和纵向预应力控制主拉应力;悬臂施工中混凝土浇筑顺序不对。②水平裂缝多位于主跨1/4-3/8跨度之间，原因包括：箱梁横向弯曲空间效应;内外温差过大;竖向预应力不足等[4]。③竖向裂缝最常见，原因包括：模板对腹板造成摩擦约束;各个节段拼接处形成竖向拼接裂缝;混凝土胀缩后形成拉裂缝等。
2.3 底板裂缝
底板裂缝可分为横向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝三种，以前两者多见。其中，横向裂缝的原因包括：预应力布设不当，施工荷载超重，预应力张拉不足等。纵向裂缝的原因包括：箱梁横向刚度不足，受日照和环境温度影响，支座横向布置错误，合拢段对横向变形的控制不到位。
2.4 横隔板裂缝
横隔板是高应力区，尤其墩頂和梁端的横隔板，荷载作用下产生的应力很大，易形成横向裂缝、竖向裂缝、辐射状裂缝等。分析原因包括：①混凝土干缩，脱模后形成裂缝。②跨中横隔板没有设置横向预应力筋。③箱梁偏载扭转，应力过大导致开裂。④墩顶横隔板设计不当，刚度较小无法传递支承力。
3 针对桥梁结构裂缝的加固技术
3.1 表面加固法
表面加固法，就是在结构表面使用涂抹材料、补贴材料修复裂缝，适用于细小的、深度较浅的裂缝，既能提高结构表面的稳定性，又具有良好的美观性。实际应用中，石灰、水泥浆、混凝土等材料常见，这些材料容易获得，可以降低施工成本。值得注意的是，表面加固法必须对裂缝进行处理，例如使用铁刷清理结构表面，将裂缝内的灰尘、杂质、积水等清除出来，然后使用加固材料，才能抑制裂缝进一步扩展，发挥出补强加固效果。
3.2 灌浆加固法
灌浆加固和表面加固相类似，均是使用补强材料，但表面加固是将补强材料用于结构表面，而灌浆加固是将补强材料注入裂缝内。常用的材料有沥青、水泥浆、化学浆液等，适用于中小型裂缝，尤其是小裂缝扩展成为中等裂缝的部位，能获得良好的加固效果。施工要点如下：①根据裂缝部位和特点，合理选择浆液材料，并设置注浆压力。②清理裂缝表面，保持清洁和一定湿润度。③使用注浆设备或喷浆设备，将浆液打入裂缝中，确保浆液完全填满缝隙。④待浆液凝固后，对构件表面多余的浆液进行清理，恢复平整度指标。 3.3 补强加固法
1）增大构件截面尺寸。通过二次混凝土施工，增大混凝土结构的截面尺寸，使其和原结构形成一个整体，来增强刚度和承载力[5]。施工时，一般选用早强混凝土、早强砂浆;设计混凝土配合比时，要求碎石或卵石强度高、耐久性好。值得注意的是，该加固技术增加了混凝土工程量，桥梁的恒载随之增大，会对基础和结构造成一定干扰。
2）增加构件数量。针对主梁内钢筋设置不足的情况，可增加构件数量进行补强，例如箍筋、抗剪切筋、预应力筋等，提高结构整体的承载力。施工时，需要切断原横隔梁，在主梁区域内悬挂模板，重新布设钢筋等构件，然后浇筑混凝土，做好后期养护工作。
3）预应力补强法。预应力补强属于间接加固，是使用高强度的钢丝、钢绞线等材料，对桥梁体外施加预应力，促使桥梁结构产生反向弯矩，来抵消荷载内力，提高结构的稳定性和承载力。该加固技术适用于正截面钢筋锈蚀的情况，或受弯承载力不足的情况。
3.4 粘贴加固法
使用环氧树脂、建筑结构胶、钢板等材料，在桥梁结构的裂缝部位、薄弱部位粘贴钢板，使其形成一个整体，来增加桥梁构件的承载力。该加固技术适用于主梁承载力不足，或主筋严重锈蚀的情况。一方面施工作业简单，不会影响桥梁正常通车，现场管理工作更加简单;另一方面施工占地面积小，不仅能缩短工期，也能节约相关材料，从而降低加固成本。实际施工时，粘贴钢板后的效能影响因素较多，除了工艺技术外，还和桥梁结构的配筋率有关。如果结构配筋率高，钢板的补强作用难以发挥出来;如果在桥梁底板处粘贴钢板，可显著提升抗弯性能，有效对抗变形现象。
3.5 碳纤维加固法
本质上，碳纤维加固属于粘贴加固的一种，只是使用碳纤维材料代替了常规材料。以碳纤维布为例，是从沥青纤维和聚丙烯蜡材料中提取而来，具有较强的抗腐蚀性、耐疲劳性，但没有屈服特性，因此设计加固方案时要考虑到强度承受能力[6]。该加固技术的应用，具有良好的力学性能，适用于多种桥梁结构;其化学性质稳定，基本不会受到外界气温的影响;而且材料自身重量轻，不会改变原结构的外形、体积，也不会增加荷载，综合效益更明显。
4 工程案例分析
4.1 工程概况
以某桥梁工程为例，全长283.5 m，桥面宽度为26.0 m;中间设置分隔带宽度为3.0 m，行车道属于双幅单向车道，宽度为2 m×10.75 m;设计时速60 km。该桥梁的上部结构是混凝土连续箱梁，混凝土强度等级为C50，桥墩混凝土强度等级为C40;横向、竖向预应力钢束分别采用24φ5、20φ5的高强钢丝。通车运行3年后，对桥梁结构检测时发现，箱梁跨中截面有多条裂缝，且挠度明显增大;外观检测混凝土强度不达标，主梁腹板部位的钢筋保护层厚度不达标。后经静载和动载试验，确定该桥梁不满足强度要求。
4.2 加固施工
对裂缝原因进行分析，一是设计方面，纵向预应力设计不足，跨中出现横向裂缝;竖向预应力设计不足，腹板内无抗剪斜筋，出现斜裂缝。二是施工方面，局部混凝土强度不达标，预应力施工不规范，尤其是混凝土捣实、封锚操作不合理，导致裂缝产生。结合该桥梁工程的特点，以及所处的环境，对比分析不同加固方案后，最终决定采用体外预应力加固法。施工要点如下：①根据主梁自重弯矩图，沿着主梁纵向布设预应力筋。②在弯起点，使用转向板和弯起预应力筋，提高腹板的抗剪切性能。③现场施工严格执行预应力加固技术规范，完成一道工序，检验一道工序。④合理选用补强材料，要求具有良好的综合性能，既满足加固要求，又方便施工作业，例如环氧树脂。
4.3 加固效果
该桥梁加固处理后，结构外观上的裂缝消失，主梁挠度值随着预应力增大而减少，见下表1。一方面，主梁出现上挠趋势，对刚度影响不大，但能控制结构变形。另一方面，加固后的梁体，可以抵抗行车荷载对地板产生的拉应力，从而保证结构的稳定性。经过为期1年的监测，原裂缝没有出现扩展现象，实现了结构加固目标。
5 结语
综上所述，桥梁工程具有规模大、工期长、质量要求高的特点，受到多種因素的影响，结构可能出现裂缝病害，包括荷载裂缝、温差裂缝、收缩裂缝、冻胀裂缝等。文章从表面加固法、灌浆加固法、补强加固法、粘贴加固法、碳纤维加固法5个方面，介绍了针对裂缝的加固处理技术，并结合工程案例进行分析。希望通过本文，为实际加固工程提供一些借鉴，实现预期加固目标，提高桥梁结构的安全性。
参考文献：
[1]刘玉刚.道路桥梁工程常见的结构性病害与加固技术[J].黑龙江科学，2020，11（06）：104-105.
[2]刘东海.混凝土桥梁结构裂缝分析及加固处理研究[J].建筑工程技术与设计，2020，8（29）：1657.
[3]张为民.桥梁结构裂缝分析及碳纤维加固技术[J].太原城市职业技术学院学报，2018，20（03）：187-189.
[4]冯永齐.公路桥梁病害原因分析及维修加固技术探析[J].城市建筑，2020，17（08）：151-152+163.
[5]姜华.桥梁建设施工中结构裂缝产生及其加固处理技术问题研究[J].工程技术研究，2018，41（16）：249-250.
[6]李龙.市政桥梁结构裂缝及加固技术处理研究[J].建筑工程技术与设计，2020，8（24）：4120.
关键词：桥梁;结构裂缝;形成原因;加固技术
中图分类号：U445.72 文献标识码：A
0 前言
在桥梁工程施工中，混凝土的应用比较广泛，然而结构裂缝却成为一个严重问题，不仅影响桥梁的实用性，也会威胁行人的生命安全。相关调查显示，我国不少桥梁虽然在使用寿命以内，却提前停止运营，最大的原因就是出现结构裂缝等病害[1]。明确这些裂缝的形成原因，并采取有效的技术方案进行加固处理，才能保证桥梁的使用性能。以下结合实践，探讨桥梁结构裂缝及加固技术。
1 桥梁结构裂缝类型及形成原因
1.1 荷载裂缝
荷载裂缝，是桥梁受到静荷载、动荷载、次应力影响，从而产生的裂缝。①中心受压形成的裂缝和构件受力方向平行，具有短小、密集的特点，多见于独柱或双柱桥墩的桥梁中。②受剪形成的裂缝，多是主筋、抗剪切筋设置数量不足，或箍筋设置过多，特点是沿着梁端腹部呈现45°方向的斜裂缝。③受弯形成的裂缝，集中在弯矩最大截面附近，特点是从受拉边缘开始、和受拉方向垂直，易引起结构脆性破坏。
1.2 温差裂缝
温差裂缝的出现，是因为混凝土具有胀缩性质，随着外界环境、结构内部的温度变化，混凝土也会变形，这种变形受到约束就会产生应力，超过混凝土本身的抗拉强度就会形成裂缝[2]。温差裂缝多见于大体积混凝土结构，例如桥墩、桥台、桥面铺装，也可能和其他因素共同作用。
1.3 收缩裂缝
混凝土凝结过程中收缩，也是形成裂缝的一个原因，虽然对结构承载力的影响不明显，但会严重影响结构外观，降低其耐久性。在桥梁结构中，收缩裂缝多位于混凝土表面，具有细小、纵横交错的特点，裂缝形状不规则。
1.4 冻胀裂缝
冬季环境温度较低，桥梁结构吸水饱和后出现冰冻，自身体积膨胀，会在混凝土内部产生膨胀应力[3]。从微观来看，混凝土中的水在迁移、重力影响下，会产生渗透压，进一步加大混凝土的膨胀应力，降低混凝土的强度，继而出现裂缝。混凝土初凝时冻害最严重，强度损失明显。
1.5 其他
首先，基础变形引起的裂缝。地基基础是受力部位，直接决定了桥梁工程的整体性能。如果基础发生变形，例如不均匀沉降、局部塌陷，会引起构件约束变形，内部拉应力改变，超出自身抗拉强度就会在薄弱部位出现裂缝，如下图1。以山区沟谷桥梁为例，由于地质条件复杂，可能存在软弱地基，一旦处理不当很容易发生不均匀沉降，继而结构上出现裂缝。
其次，钢筋锈蚀引起的裂缝。钢筋混凝土结构中，钢筋作为骨架，如果绑扎不规范、积水侵蚀、混凝土表层剥落，均会造成钢筋锈蚀，如下图2。锈蚀钢筋的有效断面面积减小，和混凝土之间的握裹力减弱，导致结构承载力降低，从而形成裂缝。
2 连续梁桥结构裂缝的多发部位
2.1 顶板裂缝
顶板横向裂缝少见，以纵向裂缝多见，一般位于跨中合拢段、接近支点的部位。分析原因包括：①顶板没有设置横向预应力筋。②顶板横向弯矩受活载影响，车辆超载易形成纵向裂缝。③箱梁内外温度差异大，产生的次应力导致结构开裂。④纵向预应力设计值过大，横向拉应力超过混凝土的抗拉强度而出现裂缝。
2.2 腹板裂缝
腹板裂缝根据形态的不同，可分为斜向裂缝、水平裂缝、竖向裂缝等。①斜向裂缝多位于距离支座1/4跨度附近，呈45°分布，原因包括：支座附近剪力过大;边跨过度依赖竖向和纵向预应力控制主拉应力;悬臂施工中混凝土浇筑顺序不对。②水平裂缝多位于主跨1/4-3/8跨度之间，原因包括：箱梁横向弯曲空间效应;内外温差过大;竖向预应力不足等[4]。③竖向裂缝最常见，原因包括：模板对腹板造成摩擦约束;各个节段拼接处形成竖向拼接裂缝;混凝土胀缩后形成拉裂缝等。
2.3 底板裂缝
底板裂缝可分为横向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝三种，以前两者多见。其中，横向裂缝的原因包括：预应力布设不当，施工荷载超重，预应力张拉不足等。纵向裂缝的原因包括：箱梁横向刚度不足，受日照和环境温度影响，支座横向布置错误，合拢段对横向变形的控制不到位。
2.4 横隔板裂缝
横隔板是高应力区，尤其墩頂和梁端的横隔板，荷载作用下产生的应力很大，易形成横向裂缝、竖向裂缝、辐射状裂缝等。分析原因包括：①混凝土干缩，脱模后形成裂缝。②跨中横隔板没有设置横向预应力筋。③箱梁偏载扭转，应力过大导致开裂。④墩顶横隔板设计不当，刚度较小无法传递支承力。
3 针对桥梁结构裂缝的加固技术
3.1 表面加固法
表面加固法，就是在结构表面使用涂抹材料、补贴材料修复裂缝，适用于细小的、深度较浅的裂缝，既能提高结构表面的稳定性，又具有良好的美观性。实际应用中，石灰、水泥浆、混凝土等材料常见，这些材料容易获得，可以降低施工成本。值得注意的是，表面加固法必须对裂缝进行处理，例如使用铁刷清理结构表面，将裂缝内的灰尘、杂质、积水等清除出来，然后使用加固材料，才能抑制裂缝进一步扩展，发挥出补强加固效果。
3.2 灌浆加固法
灌浆加固和表面加固相类似，均是使用补强材料，但表面加固是将补强材料用于结构表面，而灌浆加固是将补强材料注入裂缝内。常用的材料有沥青、水泥浆、化学浆液等，适用于中小型裂缝，尤其是小裂缝扩展成为中等裂缝的部位，能获得良好的加固效果。施工要点如下：①根据裂缝部位和特点，合理选择浆液材料，并设置注浆压力。②清理裂缝表面，保持清洁和一定湿润度。③使用注浆设备或喷浆设备，将浆液打入裂缝中，确保浆液完全填满缝隙。④待浆液凝固后，对构件表面多余的浆液进行清理，恢复平整度指标。 3.3 补强加固法
1）增大构件截面尺寸。通过二次混凝土施工，增大混凝土结构的截面尺寸，使其和原结构形成一个整体，来增强刚度和承载力[5]。施工时，一般选用早强混凝土、早强砂浆;设计混凝土配合比时，要求碎石或卵石强度高、耐久性好。值得注意的是，该加固技术增加了混凝土工程量，桥梁的恒载随之增大，会对基础和结构造成一定干扰。
2）增加构件数量。针对主梁内钢筋设置不足的情况，可增加构件数量进行补强，例如箍筋、抗剪切筋、预应力筋等，提高结构整体的承载力。施工时，需要切断原横隔梁，在主梁区域内悬挂模板，重新布设钢筋等构件，然后浇筑混凝土，做好后期养护工作。
3）预应力补强法。预应力补强属于间接加固，是使用高强度的钢丝、钢绞线等材料，对桥梁体外施加预应力，促使桥梁结构产生反向弯矩，来抵消荷载内力，提高结构的稳定性和承载力。该加固技术适用于正截面钢筋锈蚀的情况，或受弯承载力不足的情况。
3.4 粘贴加固法
使用环氧树脂、建筑结构胶、钢板等材料，在桥梁结构的裂缝部位、薄弱部位粘贴钢板，使其形成一个整体，来增加桥梁构件的承载力。该加固技术适用于主梁承载力不足，或主筋严重锈蚀的情况。一方面施工作业简单，不会影响桥梁正常通车，现场管理工作更加简单;另一方面施工占地面积小，不仅能缩短工期，也能节约相关材料，从而降低加固成本。实际施工时，粘贴钢板后的效能影响因素较多，除了工艺技术外，还和桥梁结构的配筋率有关。如果结构配筋率高，钢板的补强作用难以发挥出来;如果在桥梁底板处粘贴钢板，可显著提升抗弯性能，有效对抗变形现象。
3.5 碳纤维加固法
本质上，碳纤维加固属于粘贴加固的一种，只是使用碳纤维材料代替了常规材料。以碳纤维布为例，是从沥青纤维和聚丙烯蜡材料中提取而来，具有较强的抗腐蚀性、耐疲劳性，但没有屈服特性，因此设计加固方案时要考虑到强度承受能力[6]。该加固技术的应用，具有良好的力学性能，适用于多种桥梁结构;其化学性质稳定，基本不会受到外界气温的影响;而且材料自身重量轻，不会改变原结构的外形、体积，也不会增加荷载，综合效益更明显。
4 工程案例分析
4.1 工程概况
以某桥梁工程为例，全长283.5 m，桥面宽度为26.0 m;中间设置分隔带宽度为3.0 m，行车道属于双幅单向车道，宽度为2 m×10.75 m;设计时速60 km。该桥梁的上部结构是混凝土连续箱梁，混凝土强度等级为C50，桥墩混凝土强度等级为C40;横向、竖向预应力钢束分别采用24φ5、20φ5的高强钢丝。通车运行3年后，对桥梁结构检测时发现，箱梁跨中截面有多条裂缝，且挠度明显增大;外观检测混凝土强度不达标，主梁腹板部位的钢筋保护层厚度不达标。后经静载和动载试验，确定该桥梁不满足强度要求。
4.2 加固施工
对裂缝原因进行分析，一是设计方面，纵向预应力设计不足，跨中出现横向裂缝;竖向预应力设计不足，腹板内无抗剪斜筋，出现斜裂缝。二是施工方面，局部混凝土强度不达标，预应力施工不规范，尤其是混凝土捣实、封锚操作不合理，导致裂缝产生。结合该桥梁工程的特点，以及所处的环境，对比分析不同加固方案后，最终决定采用体外预应力加固法。施工要点如下：①根据主梁自重弯矩图，沿着主梁纵向布设预应力筋。②在弯起点，使用转向板和弯起预应力筋，提高腹板的抗剪切性能。③现场施工严格执行预应力加固技术规范，完成一道工序，检验一道工序。④合理选用补强材料，要求具有良好的综合性能，既满足加固要求，又方便施工作业，例如环氧树脂。
4.3 加固效果
该桥梁加固处理后，结构外观上的裂缝消失，主梁挠度值随着预应力增大而减少，见下表1。一方面，主梁出现上挠趋势，对刚度影响不大，但能控制结构变形。另一方面，加固后的梁体，可以抵抗行车荷载对地板产生的拉应力，从而保证结构的稳定性。经过为期1年的监测，原裂缝没有出现扩展现象，实现了结构加固目标。
5 结语
综上所述，桥梁工程具有规模大、工期长、质量要求高的特点，受到多種因素的影响，结构可能出现裂缝病害，包括荷载裂缝、温差裂缝、收缩裂缝、冻胀裂缝等。文章从表面加固法、灌浆加固法、补强加固法、粘贴加固法、碳纤维加固法5个方面，介绍了针对裂缝的加固处理技术，并结合工程案例进行分析。希望通过本文，为实际加固工程提供一些借鉴，实现预期加固目标，提高桥梁结构的安全性。
参考文献：
[1]刘玉刚.道路桥梁工程常见的结构性病害与加固技术[J].黑龙江科学，2020，11（06）：104-105.
[2]刘东海.混凝土桥梁结构裂缝分析及加固处理研究[J].建筑工程技术与设计，2020，8（29）：1657.
[3]张为民.桥梁结构裂缝分析及碳纤维加固技术[J].太原城市职业技术学院学报，2018，20（03）：187-189.
[4]冯永齐.公路桥梁病害原因分析及维修加固技术探析[J].城市建筑，2020，17（08）：151-152+163.
[5]姜华.桥梁建设施工中结构裂缝产生及其加固处理技术问题研究[J].工程技术研究，2018，41（16）：249-250.
[6]李龙.市政桥梁结构裂缝及加固技术处理研究[J].建筑工程技术与设计，2020，8（24）：4120.