陜西土木建筑網(wǎng)首頁 > 學(xué)術(shù)研究 > 課題研究 > 橋梁結(jié)構(gòu)中混凝土裂縫的特性及成因分析

摘要：從橋梁結(jié)構(gòu)的常見裂縫特性、成因著手，旨在找出各種裂縫的預(yù)防措施，以方便橋梁技術(shù)人員能夠?qū)ΠY下藥，盡量避免有危害的裂縫在橋梁結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)。...

橋梁結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(shè)和使用過程中，混凝土裂縫經(jīng)常出現(xiàn)。當(dāng)裂縫超出規(guī)范規(guī)定的寬度限值時(shí)，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(kuò)展，不但會影響混凝土表面的美觀、破壞鋼筋的}昆凝土保護(hù)層厚度，而且易引發(fā)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(yán)重時(shí)甚至發(fā)生垮塌事故，所以必須加以控制。混凝土裂縫的成因復(fù)雜而繁多，有時(shí)甚至是多種因素相互影響的結(jié)果。但就一些具體裂縫而言，總有主導(dǎo)原因。為了便于分析、鑒別工程中發(fā)生的裂縫，根據(jù)裂縫產(chǎn)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(chǔ)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(chǎn)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(chǎn)生的裂縫稱為荷載裂縫，主要有直接應(yīng)力裂縫和次應(yīng)力裂縫兩種。

    1.1.1直接應(yīng)力裂縫是由外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫產(chǎn)生的原因有：

    (1)設(shè)計(jì)計(jì)算階段：結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)計(jì)算模型不合理；結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符；荷載少算或漏算；內(nèi)力與配筋計(jì)算錯(cuò)誤；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮施工的可能性；設(shè)計(jì)斷面尺寸偏小；鋼筋設(shè)置偏少或布置錯(cuò)誤；結(jié)構(gòu)剛度不足；構(gòu)造處理不當(dāng)；設(shè)計(jì)圖紙交代不清等。

    (2)施工階段：不加限制地堆放施工機(jī)具、材料；不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，隨意翻動(dòng)、起吊、運(yùn)輸、安裝；不按設(shè)計(jì)圖紙施工，擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力模式。

    (3)使用階段：超出設(shè)計(jì)載荷的重型車輛過橋；受車輛、船舶的接觸、撞擊；遭遇大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等。

    1.1.2次應(yīng)力裂縫是由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫產(chǎn)生的原因有：

    (1)在設(shè)計(jì)外荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)物的實(shí)際工作狀態(tài)同常規(guī)計(jì)算有出入或計(jì)算未考慮，從而在某些部位引起次應(yīng)力過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。例如兩鉸拱橋拱腳設(shè)計(jì)時(shí)常采用布置“x”形鋼筋、同時(shí)消減該處斷面尺寸的辦法設(shè)計(jì)鉸，理論計(jì)算該處不會存在彎矩，但實(shí)際該鉸仍然存在彎矩，以至出現(xiàn)裂縫而導(dǎo)致鋼筋銹蝕。

    (2)橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽、開洞、設(shè)置牛腿等，在常規(guī)計(jì)算中難以準(zhǔn)確地模擬計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置受力鋼筋。

    研究表明，受力構(gòu)件挖孔后，力流將產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，在孔洞附近密集，產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中。在大跨徑預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁中，經(jīng)常在跨內(nèi)根據(jù)截面內(nèi)力需要截?cái)噤撌�，設(shè)置錨頭，而在錨固斷面附近經(jīng)常可以看到裂縫。

    1.1.3荷載裂縫特征依荷載不同而呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)

    這類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動(dòng)嚴(yán)重部位。如果受壓區(qū)有沿受壓方向的短裂縫，往往是結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限的標(biāo)志，其原因往往是截面尺寸偏小。根據(jù)不同受力方式產(chǎn)生的裂縫特征：

    (1)中心受拉。裂縫貫穿構(gòu)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(shí)，裂縫之間出現(xiàn)位于鋼筋附近的次裂縫。

    (2)中心受壓。構(gòu)件出現(xiàn)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(qū)邊沿開始，與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中軸方向發(fā)展。采用螺紋鋼筋時(shí)，裂縫問可見較短的次裂縫。當(dāng)結(jié)構(gòu)配筋較少時(shí)，裂縫少而寬，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生脆性破壞。

    (4)大偏心受壓。大偏心受壓和受拉區(qū)配筋較少的小偏心受壓構(gòu)件，出現(xiàn)類似于受彎構(gòu)件的裂縫。

    (5)小偏心受壓。小偏心受壓和受拉區(qū)配筋較多的大偏心受壓構(gòu)件，出現(xiàn)類似于中心受壓構(gòu)件的裂縫。

    (6)受剪。當(dāng)箍筋太密時(shí)發(fā)生斜壓破壞，沿梁端腹部出現(xiàn)大于45。方向斜裂縫；當(dāng)箍筋適當(dāng)時(shí)發(fā)生剪壓破壞，沿梁端下部出現(xiàn)約45。方向相互平行的斜裂縫。

    (7)受扭。構(gòu)件一側(cè)腹部先出現(xiàn)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(qū)出現(xiàn)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(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形；若變形受到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力；當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)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(guī)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(xì)冷寬。表面溫度裂縫常出現(xiàn)在現(xiàn)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(xiàn)在現(xiàn)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(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向位移，一般可通過橋面伸縮縫、支座位移、設(shè)置柔性墩等構(gòu)造措施來協(xié)調(diào)。只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時(shí)才會引起溫度裂縫。

    (2)日照橋面板。主梁或橋墩側(cè)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(dǎo)致局部拉應(yīng)力較大，出現(xiàn)裂縫。

    (3)驟然降溫。突遇大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)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(dǎo)致內(nèi)部溫度很高，內(nèi)外溫差太大，致使表面出現(xiàn)裂縫。

    (5)蒸汽養(yǎng)護(hù)或冬季施工時(shí)施工措施不當(dāng)，混凝土驟冷驟熱，內(nèi)外溫度不均，易出現(xiàn)裂縫。

    (6)預(yù)制T梁之間橫隔板安裝時(shí)，支座預(yù)埋鋼板與調(diào)平鋼板焊接時(shí)，若焊接措施不當(dāng)，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(fā)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(chǎn)生的主要原因是由于混凝土快速干燥，混凝土內(nèi)水分的蒸發(fā)速率大于其泌水速率，在固體顆粒表面產(chǎn)生毛細(xì)管張力，混凝土自體收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土本身的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫。收縮引起的裂縫是不規(guī)則斜裂縫。

    1.3.1收縮裂縫分類

    (1)塑性收縮。發(fā)生混凝土澆筑后4～5 h，此時(shí)水泥水化反應(yīng)激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)。混凝土失水收縮，同時(shí)骨料因自重下沉，因此時(shí)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(fā)，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(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力；當(dāng)表面混凝土承受拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生收縮裂縫。

    (3)自身收縮。混凝土在硬化過程中，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，這種收縮與外界濕度無關(guān)，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(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度越低、單位體積用量越大、磨細(xì)度越大，則混凝土收縮越大，且發(fā)生收縮時(shí)間越長。

    (2)骨料品種。骨料中石英、石灰?guī)r、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(yǎng)護(hù)方法。好的養(yǎng)護(hù)可加速混凝土的水化反應(yīng)，獲得較高的混凝土強(qiáng)度。

    (6)外界環(huán)境。大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風(fēng)速大，則混凝土水分蒸發(fā)快，混凝土收縮越快。

    (7)振搗方式。機(jī)械振搗比手工搗固的混凝土收縮性要小。

    1.4地基基礎(chǔ)變形引起的裂縫

    由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，若超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。地基基礎(chǔ)變形引起的裂縫常出現(xiàn)在鋼筋上方、結(jié)構(gòu)變化處。基礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因有：

    (1)地質(zhì)勘察精度不夠、試驗(yàn)資料不準(zhǔn)。

    (2)地基地質(zhì)差異太大。

    (3)結(jié)構(gòu)荷載差異太大。

    (4)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別大。

    (5)分期建造的基礎(chǔ)。

    (6)地基凍脹。

    (7)橋梁基礎(chǔ)置于滑坡體、溶洞或活動(dòng)斷層等不良地質(zhì)時(shí)，可能造成不均勻沉降。

    (8)橋梁建成以后，原有地基條件發(fā)生變化。

    1.5鋼筋銹蝕引起的裂縫

    由于混凝土質(zhì)量較差或保護(hù)層厚度不足，混凝土保護(hù)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(fā)生銹蝕反應(yīng)，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(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫，并有銹跡滲到混凝土表面。

    1.6凍脹引起的裂縫

    當(dāng)大氣溫度低于零度時(shí)，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹約9％，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；同時(shí)混凝土凝膠孔中的過冰水(結(jié)冰溫度在一78。C以下)在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強(qiáng)度降低，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。

2.結(jié)束語

    橋梁結(jié)構(gòu)中混凝土裂縫的出現(xiàn)會降低橋梁的抗?jié)B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(jìn)行認(rèn)真研究、采用合理的方法進(jìn)行處理，在(上接第173頁)  施工和使用過程中要結(jié)合多種措施來預(yù)防裂縫的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]李穎新，胡志剛．混凝土裂縫的成因、預(yù)防與處理[J]．河北城市研究，2006(2)．

[2]郭曉平，盧長有．混凝土裂縫的成因及處理[J]．黑龍江科技信息，2007(6)．

[3]傅沛興，單文謙．混凝土裂縫原因淺析[J]．建筑技術(shù)開發(fā)，2005(1)．

[4]石云，姜曉偉，張令諾．橋梁施工中混凝土裂縫的成因及防治[J]．路基工程，2007(6)．

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

上一篇： 植物護(hù)坡在路基邊坡工程中的應(yīng)用

下一篇： 機(jī)場水泥混凝土道面開裂、龜裂的原因及預(yù)防措施