桥梁结构混凝土常见裂缝病害机理

　　1荷载引起的裂缝

　　混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。

　　1.1直接应力裂缝

　　直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。其产生的原因有:

　　1.1.1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;内力与配筋计算错误;结构安全系数不够;结构刚度不足;构造处理不当;设计图纸交代不清等。

　　1.1.2施工阶段

　　不加限制地堆放施工机具、材料;不了解预制结构的受力特点,随意翻身、起吊、运输、安装;不按设计图纸施工,擅自更改结构施工顺序,改变结构受力模式等。

　　1.1.3使用阶段

　　超出设计载荷的重型车辆过桥;受车辆、船舶的接触、撞击;发生大风、大雪、地震、爆炸等。

　　1.2次应力裂缝

　　次应力裂缝是由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。其产生的原因有:

　　1.2.1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,从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。

　　1.2.2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。研究表明,受力构件挖孔后,力流将产生绕射现象,在孔洞附近密集,产生巨大的应力集中。在长跨预应力连续梁中,经常在跨内根据截面内力需要截断钢束,设置锚头,而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。

　　2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随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有:

　　2.1气候温差

　　一年中四季温度不断变化,但变化相对缓慢,一天中昼夜温度变化较大，这个二者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。

　　2.2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。

　　2.3施工措施不当

　　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,也易出现裂缝。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。

　　3收缩引起的裂缝

　　3.1塑性收缩

　　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。

　　3.2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。

　　3.3自身收缩

　　自身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,既可以是正的(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)。

　　3.4碳化收缩

　　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。

　　4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。

　　4.1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,是造成地基不均匀沉降的主要原因。

　　4.2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。

　　4.3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。

　　4.4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。

　　4.5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。

　　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;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。

　　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%~11%,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-7～8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%。温度低于零度及混凝土吸水饱和是发生冻胀破坏的必要条件。

　　7结束语

　　综上所述,一座桥梁从建成到使用,牵涉到设计、施工、监理、尤其是运营管理阶段等各个方面。设计疏漏、施工低劣、监理不力,均可能使混凝土桥梁出现裂缝。因此,严格按照国家有关规范、技术标准进行设计、施工和监理,是保证结构安全耐用的前提和基础。而在日常的运营管理维护过程中,通过了解掌握桥梁结构裂缝的成因机理和发展规律,为及时发现、处理问题提供了重要的理论依据和技术支持。