浅析桥梁裂缝产生的原因

2023-02-22

改革开放以来, 我国基础设施建设得到了飞速发展, 建造了大量各类钢筋混凝土桥梁。为了进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识, 尽量避免工程中出现危害较大的裂缝, 本文尽可能对混凝土桥梁裂缝的种类和产生的原因作较全面的分析、总结, 以方便设计、施工找出控制裂缝的可行办法, 达到防范于未然的作用。

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裂缝称荷载裂缝, 归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。

直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有: (1) 设计计算阶段, 结构计算时不计算或部分漏算;计算模型不合理等。结构设计时不考虑施工的可能性;设计断面不足;钢筋设置偏少或布置错误等。 (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;不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。 (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。

次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有: (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。 (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。

根据结构不同受力方式, 产生的裂缝特征如下:中心受拉;中心受压;受弯;大偏心受压;小偏心受压;受剪;受扭;受冲切;局部受压。

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时施工措施不当;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。

3 混凝土收缩引起的裂缝

在实际工程中, 混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。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。对于温度和收缩引起的裂缝, 增配构造钢筋可明显提高混凝土的抗裂性, 尤其是薄壁结构 (壁厚20cm~60cm) 。构造上配筋宜优先采用小直径钢筋 (φ8~φ1 4) 、小间距布置 (@1 0 c m~@15cm) , 全截面构造配筋率不宜低于0.3%, 一般可采用0.3%~0.5%。

4 地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。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;地基地质差异太大;结构荷载差异太大;结构基础类型差别大;分期建造的基础;地基冻胀;桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时, 可能造成不均匀沉降;桥梁建成以后, 原有地基条件变化。

对于拱桥等产生水平推力的结构物, 对地质情况掌握不够、设计不合理和施工时破坏了原有地质条件是产生水平位移裂缝的主要原因。

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, 使钢筋周围混凝土碱度降低, 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%, 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-78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。

7 施工材料质量引起的裂缝

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格, 可能导致结构出现裂缝。

(1) 水泥。当水泥含碱量较高 (例如超过0.6%) , 同时又使用含有碱活性的骨料, 可能导致碱骨料反应。 (2) 砂、石骨料。砂石中云母的含量较高, 将削弱水泥与骨料的粘结力, 降低混凝土强度。 (3) 拌和水及外加剂拌和水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。

8 施工工艺质量引起的裂缝

在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中, 若施工工艺不合理、施工质量低劣, 容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝, 特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异, 比较典型常见的有:混凝土保护层过厚;混凝土振捣不密实、不均匀;混凝土浇筑过快;混凝土搅拌、运输时间过长;混凝土初期养护时急剧干燥;混凝土凝结硬化时收缩量增加;接头部位处理不好;混凝土早期受冻, 使构件表面出现裂纹, 或局部剥落, 或脱模后出现空鼓现象;施工时模板刚度不足;施工时拆模过早, 混凝土强度不足;施工前对支架压实不足或支架刚度不足;装配式结构, 在构件运输、堆放时, 支承垫木不在一条垂直线上;安装顺序不正确;施工质量控制差。

总之, 一座桥梁从建成到使用, 牵涉到设计、施工、监理、运营管理等各个方面。由上述可知, 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。在运营管理过程中, 进一步加强巡查和管理, 及时发现和处理问题, 也是相当重要的一个环节。

摘要：裂缝是钢筋混凝土桥梁结构中常见的一种作用效应, 桥梁结构中的裂缝的出现是比较难避免的。希望通过本文对裂缝产生原因的分析, 能够提供工程技术人员借鉴参考, 达到防范于未然的作用。

关键词：结构裂缝,裂缝控制,荷载,施工,温度变化