橋梁結構中混凝土裂縫的特性及成因分析

肖小鈴1，薛  紅2

(1．重慶交通科研設計院，重慶400067；2．四川省第一建筑工程公司，四川成都610081)

    在橋梁建設和使用過程中，混凝土裂縫經常出現。當裂縫超出規范規定的寬度限值時，就會影響橋梁的耐久性；并且有些裂縫在各種因素的作用下，不斷擴展，不但會影響混凝土表面的美觀、破壞鋼筋的}昆凝土保護層厚度，而且易引發混凝土面層剝落，加速鋼筋的銹蝕，降低混凝土的抗凍性及耐久性，嚴重時甚至發生垮塌事故，所以必須加以控制。混凝土裂縫的成因復雜而繁多，有時甚至是多種因素相互影響的結果。但就一些具體裂縫而言，總有主導原因。為了便于分析、鑒別工程中發生的裂縫，根據裂縫產生的原因，可將引起裂縫的因素分為荷載、溫度變化、收縮、地基基礎變形、鋼筋銹蝕、凍脹、施工(貫穿于其它因素)等7大類。

1.混凝土裂縫特性及產生的原因

    1.1荷載引起的裂縫

    混凝土橋梁在外荷載作用下產生的裂縫稱為荷載裂縫，主要有直接應力裂縫和次應力裂縫兩種。

    1.1.1直接應力裂縫是由外荷載引起的直接應力產生的裂縫產生的原因有：

    (1)設計計算階段：結構計算時計算模型不合理；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；結構安全系數不夠。結構設計時不考慮施工的可能性；設計斷面尺寸偏小；鋼筋設置偏少或布置錯誤；結構剛度不足；構造處理不當；設計圖紙交代不清等。

    (2)施工階段：不加限制地堆放施工機具、材料；不了解預制結構受力特點，隨意翻動、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。

    (3)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；遭遇大風、大雪、地震、爆炸等。

    1.1.2次應力裂縫是由外荷載引起的次生應力產生的裂縫產生的原因有：

    (1)在設計外荷載作用下，由于結構物的實際工作狀態同常規計算有出入或計算未考慮，從而在某些部位引起次應力過大導致結構開裂。例如兩鉸拱橋拱腳設計時常采用布置“x”形鋼筋、同時消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，但實際該鉸仍然存在彎矩，以至出現裂縫而導致鋼筋銹蝕。

    (2)橋梁結構中經常需要鑿槽、開洞、設置牛腿等，在常規計算中難以準確地模擬計算，一般根據經驗設置受力鋼筋。

    研究表明，受力構件挖孔后，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。在大跨徑預應力連續梁中，經常在跨內根據截面內力需要截斷鋼束，設置錨頭，而在錨固斷面附近經常可以看到裂縫。

    1.1.3荷載裂縫特征依荷載不同而呈現不同的特點

    這類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位。如果受壓區有沿受壓方向的短裂縫，往往是結構達到承載力極限的標志，其原因往往是截面尺寸偏小。根據不同受力方式產生的裂縫特征：

    (1)中心受拉。裂縫貫穿構件橫截面，間距大致相等，且垂直于受力方向。采用螺紋鋼筋時，裂縫之間出現位于鋼筋附近的次裂縫。

    (2)中心受壓。構件出現平行于受力方向的短而密的平行裂縫。

    (3)受彎。彎矩最大截面處從受拉區邊沿開始，與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中軸方向發展。采用螺紋鋼筋時，裂縫問可見較短的次裂縫。當結構配筋較少時，裂縫少而寬，結構可能發生脆性破壞。

    (4)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，出現類似于受彎構件的裂縫。

    (5)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，出現類似于中心受壓構件的裂縫。

    (6)受剪。當箍筋太密時發生斜壓破壞，沿梁端腹部出現大于45。方向斜裂縫；當箍筋適當時發生剪壓破壞，沿梁端下部出現約45。方向相互平行的斜裂縫。

    (7)受扭。構件一側腹部先出現多條約45。方向斜裂縫，并向相鄰面以螺旋方向展開。

    (8)局部受壓。在局部受壓區出現與壓力方向大致平行的多條短裂縫。

    1.2溫度變化引起的裂縫

    混凝土具有熱脹冷縮的性質，當外部環境或結構內部溫度發生變化，混凝土將發生變形；若變形受到約束，則在結構內產生應力；當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。溫度裂縫的特征主要是表面裂縫，其走向一般無規律性，深層或貫穿裂縫的走向一般與主筋平行或接近平行；裂縫寬度大小不一，受溫度變化的影響熱細冷寬。表面溫度裂縫常出現在現澆混凝土齡期l-2 d之間，深層溫度裂縫與貫穿溫度裂縫常開始出現在現澆混凝土齡期21 d后。引起溫度變化主要原因有：

    (1)年溫差。由于四季溫度不斷變化，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、設置柔性墩等構造措施來協調。只有結構的位移受到限制時才會引起溫度裂縫。

    (2)日照橋面板。主梁或橋墩側面受太陽曝曬后，溫度明顯高于其它部位，溫度梯度呈非線形分布。由于受到自身約束作用，導致局部拉應力較大，出現裂縫。

    (3)驟然降溫。突遇大雨、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。

    (4)水化熱。大體積混凝土澆筑之后由于水泥水化放熱，導致內部溫度很高，內外溫差太大，致使表面出現裂縫。

    (5)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。

    (6)預制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。

    1.3收縮引起的裂縫

    混凝土因收縮引起的裂縫是最常見的，塑性收縮和縮水收縮(干縮)是發生混凝土體積變形的主要原因。另外還有自身收縮和碳化收縮。收縮裂縫產生的主要原因是由于混凝土快速干燥，混凝土內水分的蒸發速率大于其泌水速率，在固體顆粒表面產生毛細管張力，混凝土自體收縮所產生的拉應力大于混凝土本身的抗拉強度而產生裂縫。收縮引起的裂縫是不規則斜裂縫。

    1.3.1收縮裂縫分類

    (1)塑性收縮。發生混凝土澆筑后4～5 h，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，故稱為塑性收縮。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。

    (2)縮水收縮(干縮)。混凝土硬化以后，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(干縮)。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。

    (3)自身收縮。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，且可以是收縮，也可以是膨脹。這種收縮會引起裂縫。

    (4)碳化收縮。大氣中的C02與水泥的水化物發生化學反應引起的收縮變形。這種變形會引起裂縫。

    1.3.2影響混凝土收縮的因素

    (1)水泥品種、強度及用量。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。另外水泥強度越低、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。

    (2)骨料品種。骨料中石英、石灰巖、白云巖、花崗巖、長石等吸水率較小、收縮性較低；而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大，收縮性較高。

    (3)水灰比。水灰比越高，混凝土收縮越大。

    (4)外摻劑。外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。

    (5)養護方法。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。

    (6)外界環境。大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風速大，則混凝土水分蒸發快，混凝土收縮越快。

    (7)振搗方式。機械振搗比手工搗固的混凝土收縮性要小。

    1.4地基基礎變形引起的裂縫

    由于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，若超出混凝土結構的抗拉能力，則導致結構開裂。地基基礎變形引起的裂縫常出現在鋼筋上方、結構變化處。基礎不均勻沉降的主要原因有：

    (1)地質勘察精度不夠、試驗資料不準。

    (2)地基地質差異太大。

    (3)結構荷載差異太大。

    (4)結構基礎類型差別大。

    (5)分期建造的基礎。

    (6)地基凍脹。

    (7)橋梁基礎置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質時，可能造成不均勻沉降。

    (8)橋梁建成以后，原有地基條件發生變化。

    1.5鋼筋銹蝕引起的裂縫

    由于混凝土質量較差或保護層厚度不足，混凝土保護層受c02侵蝕碳化至鋼筋表面，使鋼筋周圍混凝土堿度降低，或由于氯化物介入，鋼筋周圍氯離子含量較高，均可引起鋼筋表面氧化膜破壞，鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發生銹蝕反應，其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2—4倍，從而對周圍混凝土產生膨脹應力，導致保護層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產生裂縫，并有銹跡滲到混凝土表面。

    1.6凍脹引起的裂縫

    當大氣溫度低于零度時，吸水飽和的混凝土出現冰凍，游離的水轉變成冰，體積膨脹約9％，因而混凝土產生膨脹應力；同時混凝土凝膠孔中的過冰水(結冰溫度在一78。C以下)在微觀結構中遷移和重分布，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強度降低，導致裂縫出現。

2.結束語

    橋梁結構中混凝土裂縫的出現會降低橋梁的抗滲能力、影響橋梁的使用功能、引起鋼筋的銹蝕、混凝土的碳化、降低材料的耐久性、影響橋梁承載能力，因此要對混凝土裂縫進行認真研究、采用合理的方法進行處理，在(上接第173頁)  施工和使用過程中要結合多種措施來預防裂縫的出現。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)