混凝土桥梁裂缝成因分析

近年来，随着我国交通事业的高速发展，桥梁建设取得了长足的进步，全国各地建造了大量的的桥梁。但是在桥梁的使用过程中，有大量的混凝土桥梁不同程度地出现了裂缝现象，影响了桥梁的耐久性及承载能力，困扰着广大桥梁工程技术人员。因此，有必要对混凝土桥梁裂缝成因进行分析，以便于采用相应的加固措施。大量的工程实践和理论分析表明，几乎所有的混凝土构件均是带裂缝工作的，只是有些裂缝很细，甚至肉眼看不见（＜0.05 mm），一般对结构的使用无大的危害，可允许其存在。有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下，使空气中的 CO2 极易渗透到混凝土内部。在潮湿的环境下CO2 能与水泥中的氢氧化钙、硅酸二钙、硅酸三钙相互作用并转化成碳酸盐，中和水泥的基本碱性，使混凝土的碱度降低，导致钢筋的钝化膜遭受破坏，易引起锈蚀；同时由于混凝土碳化会加剧混凝土收缩开裂，导致桥梁结构破坏。虽然结构裂缝是不可避免的现象，但通过施工和养护中的技术管理措施，减少和控制裂缝是完全可能的。笔者根据多年的桥梁施工、管理经验，谈谈有关桥梁混凝土裂缝出现的原因、预防措施和处理方法，可供桥梁工程技术人员参考。1 混凝土桥梁裂缝的种类根据混凝土桥梁裂缝的种类，就其产生的原因，大致可划分为两类：1.1 非人为因素裂缝（1）非荷载裂缝———材料自损、劣化（由于材料自身内力引起的裂缝）（2）荷载裂缝———外力裂缝（由于外力、轴线变形或支承变位引起的裂缝）1.2 人为因素裂缝———人为操作失误（设计、施工、使用、养护阶段不正确的操作引起的裂缝）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，由安全状态随着时间的延伸而逐渐转化为不安全状态，因此结构耐久性问题实质也是安全问题，必须引起重视。2 混凝土桥梁裂缝形成的原因2.1 非荷载裂缝2.1.1 混凝土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。研究表明，影响混凝土收缩裂缝的主要因素有：水泥品种、标号及用量、骨料品种、水灰比、外掺剂、养护方法、外界环境、振捣方式及时间。2.1.2 地基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：地质勘察精度不够、试验资料不准；地基地质差异大；结构荷载差异大；结构基础类型差别大；地基冻胀；桥梁基础处于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时，可能造成不均匀沉降。2.1.3 钢筋锈蚀引起的裂缝要防止钢筋锈蚀，设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用足够的保护层厚度（当然保护层亦不能太厚，否则构件有效高度减小，受力时将加大裂缝宽度）；施工时应控制混凝土的水灰比，加强振捣，保证混凝土的密实性，防止氧气侵入，同时严格控制含氯盐的外加剂用量，沿海地区或其它存在腐蚀性强的空气、地下水地区尤其应慎重。2.1.4 碱骨料反应引起的裂缝碱骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合料和水中的碱（Na2O 或 K2O）与骨料中碱活性成分反应，在混凝土浇筑成型后若干年（数年至二、三十年）逐渐反应，反应生成物吸水膨胀，使混凝土产生内部应力，膨胀开裂，导致混凝土失去设计性能。由于活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布，所以一旦发生碱骨料反应，混凝土内各部分均产生膨胀应力，将混凝土自身胀裂，发展严重的只能拆除，无法补救，因而被称为混凝土的癌症。2.1.5 温度变化引起的裂缝混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或内部温度发生变化，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。温度裂缝区别其他裂缝的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：年温差、日照、骤然降温、水化热、蒸汽养护或冬季施工措施不当等。2.1.6 老桥混凝土腹板的碳化收缩现象如老式 T 梁腹板经常发现枣核形裂缝，即二端细，中间粗。裂缝下端细是由于下缘配筋量大，裂缝上端由于逐渐上伸到受压区而消失。裂缝中间粗有两个原因：一是腹板水平钢筋少；二是在原有裂缝基础上，由于碳化收缩而使裂缝宽度增宽。2.2 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。混凝土本身抗拉能力很低，极限拉应变很小，其值约为 1.5-10-4，相应于此拉伸应变时的钢筋拉应力约为 30 MPa，当钢筋应力超过这个数值时，混凝土即出现裂缝。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：2.2.1 组合结构裂缝在装配组合式结构中，往往由于结合面强度不足，并在结合面未予配筋而在结合面受剪较大处及结合面受拉较大处产生裂缝。这类裂缝必须引起重视，由于结合面裂缝会造成截面承载能力极度降低，在作荷载试验时，一般应对截面进行整体性检验。2.2.2 预加应力不足引起裂缝预加应力不足，会导致混凝土结构提前出现裂缝。由于对箱梁剪滞效应估计不足，而导致预加应力不足而产生正截面裂缝。由于预应梁在张拉时，若混凝土强度未达到一定要求，或锚下配置抗拉应力集中，而钢筋不足时，就会出现距锚具一定距离产生顺应力钢筋方向的纵向裂缝。2.2.3 混凝土受压裂缝钢筋混凝土拱桥由于拱脚水平位移过大或船撞，往往引起拱脚下缘处于较高压应力状态。当压应力超过其抗压强度，就会产生沿受压方向的裂缝而破坏。如果受压继续加大，则下缘将全部压碎，内部下缘钢筋会产生压屈现象，这在软土地基上修建的早期拱桥中是常见现象。2.2.4 桥面板冲剪裂缝在 20 世纪 60、70 年代修建的桥梁中，特别是双曲拱农桥，大量采用少筋混凝土微弯板，往往未经计算和试验就应用于桥梁上。在当时行驶小型拖拉机还能使用，但随着国民经济发展，车辆载重越来越大，导致经常发生桥面板冲剪破坏。也有一些老桥，由于桥面板板底钢筋锈蚀导致桥面板混凝土被胀裂崩落，使截面严重减弱而发生冲剪破坏，如上海四川路桥就发生这样的事故。2.3 人为原因裂缝2.3.1 设计不合理产生的裂缝在设计计算阶段，结构受力假设和实际受力不符，计算模型不合理，荷载少算或漏算，内力与配筋计算错误，结构安全系数不够，结构设计截面承载力不足，钢筋布置错误，结构刚度不足，结构处理不当，同时计算和设计不完善，进行有限元分析时对结构边界条件和传力路径认识不清楚，对施工方法、顺序和施工荷载对结构性能的影响认识不够等都会使桥梁构件产生裂缝现象。2.3.2 施工过程中产生的裂缝很多桥梁缺陷与施工质量低劣有关。典型的问题有钢筋保护层厚度不足，以及目前广泛存在的构件开裂，混凝土蜂窝、麻面、露筋等问题。其主要原因包括：水泥选用欠妥；混凝土配合比、振捣不当以及预应力施加不合理等。这些施工上的缺陷虽然短期不会对桥梁的正常使用产生明显的影响，但却会对结构的后期使用和长期的耐久性产生非常严重的危害。