浅析钢筋混凝土桥梁裂缝的成因与预防

浅析钢筋混凝土桥梁裂缝的成因与预防

摘要:本文对钢筋混凝土桥梁裂缝的类型和产生原因做了较全面的分析总结，以便在设计和施工时有效控制裂缝的产生，达到防患于未然的目的。
　　
关键词:裂缝种类；成因；分析；预防
　　
　　混凝土是脆性材料，而钢筋却是韧性材料，它们两者在一起工作，弹性模量相差很大，而且两者的强度差别就更大，因此两种材料在一起共同发挥作用，要使钢筋参加工作，比较多的承受力，混凝土势必开裂。大量的工程和理论分析表明钢筋混凝土构件基本上都是带裂缝工作的。裂缝一般分成不可见裂缝和可见裂缝。可见裂缝又分为无害裂缝和有害裂缝。有害裂缝在使用荷载或外界物理及化学作用下不断产生和发展，引起混凝土碳化，保护层剥落及钢筋锈蚀，直至影响结构的安全性和使用寿命，必须加以控制。
　　
　　一、混凝土桥梁设计原理
　　
　　我国现行的公路桥涵规范规定:桥梁应根据所在公路的使用任务、性质和将来的发展需要，按照适用、经济、安全和美观的原则进行设计,这些要求基本上包含了人们关心的所有重要问题。混凝土桥梁具体的设计过程是按承载能力和正常使用两种极限状态来进行的。按承载能力极限状态是控制结构在丧失服务能力临界状态时的承载能力，其设计的基本原则是要求荷载效应不利组合的设计值要小于结构抗力的设计值。同时利用荷载安全系数、材料安全系数及工作条件系数来考虑不确定因素作用下的结构总体的安全储备，是一种极限状态设计法。按正常使用极限状态是控制结构在正常使用状态时应力，裂缝和变形小于一个限定值，即使用容许裂缝宽度来控制混凝土构件的结构设计。有关规范规定：在一般正常大气条件下，钢筋混凝土受弯构件在荷载组合Ⅰ的作用下，计算得到的最大裂缝宽度不应超过0.2mm；在荷载组合Ⅱ和Ⅲ作用下，不应超过0.25mm；处于严重暴露情况（有侵蚀性气体或海洋大气）下的钢筋混凝土构件，容许裂缝宽度不应超过0.1mm。
　　混凝土构件容许裂缝的存在，是由混凝土抗拉能力差，容易开裂的缺点决定的。通过对大量的工程实例的研究发现，几乎所有的混凝土构件都是带裂缝工作的，只是有些裂缝很细，一般对结构和使用无大的影响，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，不断产生和扩展，引起混凝土明显的病害，如保护层剥落、钢筋腐蚀，从而导致混凝土的强度和刚度受到削弱，耐久性降低，严重时甚至发生垮塌事故，危害结构的正常使用。
　　
　　二、混凝土桥梁裂缝的成因分析及预防措施
　　
　　随着桥梁使用年龄的增加，车辆的超载现象不断增加，会使细微裂缝不断的扩大，甚至会断裂，此时困扰桥梁工程师的最大问题是对裂缝的形成原因以及对钢筋的腐蚀作用的进一步深入认识，并且作出全面分析，以避免和克服因为裂缝引起的对桥梁使用性能的影响。经过对现在此方面的研究成果和工程实例的分析，混凝土桥梁的裂缝形成原因可大致梳理为以下几个方面：
　　（一）混凝土用料选用不当引起的裂缝
　　1、水泥品种、标号及用量。矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土收缩性较高；普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。此外，水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越大，则混凝土收缩越大，并且发生收缩时间越长。例如，为了提高混凝土的强度，施工时经常采用强行增加水泥用量的做法，结果收缩应力明显加大。
　　2、骨料品种。骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低；而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大、收缩性较高。此外，骨料粒径大收缩小，含水量大收缩越大。
　　3、水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收缩越大。
　　4、外掺剂。外掺剂保水性越好，则混凝土收缩越小。
　　（二）设计和施工不合理产生的裂缝
　　此类裂缝是我们在工程实例中发现最多的裂缝形式，许多桥梁设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄。这些都削弱了结构安全性，会严重影响结构的使用。不少桥梁，虽然满足了桥梁设计规范的强度要求，仅用了5～10年就因为出了问题影响结构安全。例如我们发现在混凝土桥梁竖向有截面突变的地方（箱梁、T梁的腹板与顶底板交接处）很容易产生裂缝，研究分析结果显示：混凝土在浇筑后发生水化反应、泌水和大量水分蒸发，混凝土因失水而收缩，而骨料因重力影响向下沉降，但此时混凝土的强度和硬度都不高，骨料下沉时受到钢筋的阻挡，便产生了沿钢筋方向的裂缝。为避免此类裂缝的产生，在设计阶段要尽量避免截面突变的存在，不能避免时要做特殊的处理，可将突变截面做成渐变截面，同时适量的增加钢筋数量；在施工时要注意振捣，最好是在变截面处分层浇筑。
　　（三）自然环境的影响产生的裂缝
　　自然环境的影响主要是温差引起了混凝土的温度梯度呈非线性分布，而混凝土构件的位移又受到约束，导致局部应力过大，从而出现了裂缝。一般失火、太阳曝晒、骤然降温以及冬季施工均可能导致此类裂缝的发生。预防措施是在设计时重视温度应力，一些大跨径的桥梁，温度应力往往是可以超过活载应力的，另外就是杜绝冬季施工，因为此时施工混凝土在初凝时受冻，成龄后混凝土强度损失可达30%～50%。
　　（四）荷载引起的裂缝
　　此类裂缝是混凝土桥梁在常规动、静荷载及次应力作用下产生的，桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载，会在结构内产生循环变化的应力，不但会引起结构的振动，还会引起结构的累积疲劳损伤。由于桥梁所采用的材料并非是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的。
　工程实例中此类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位，且裂缝特征如下：
　　1、受拉。裂缝贯穿构件横截面，间距大体相等，且垂直于受力方向。采用螺纹钢筋时，裂缝之间出现位于钢筋附近的次裂缝。
　　2、受压。沿构件出现平行于受力方向的短而密的平行裂缝。
　　3、受弯。弯矩最大截面附近从受拉区边沿开始出现与受拉方向垂直的裂缝，并逐渐向中和轴方向发展。采用螺纹钢筋时，裂缝间可见较短的次裂缝。当结构配筋较少时，裂缝少而宽，结构可能发生脆性破坏。
　　4、受剪。当箍筋太密时发

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