摘要: 近年来, 随着铁路基础建设的快速发展, 各地增建了大量的混凝土桥梁。在桥梁建造和后期维护管理过程中, 有关因出现裂缝而影响工程质量导致桥梁发生病害的事故时常出现, 并且长期困扰着桥梁工程技术人员, 本文通过对桥梁结构裂缝的成因分析和发展规律来判别结构的病害状况, 为进一步加强巡查和管理, 及时发现、处理问题提供了理论和技术支持。
关键词: 混凝土桥梁结构裂缝成因分析
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; 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; 不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。
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。
因此, 若处理不当, 在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。
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 年温差
一年中四季温度不断变化, 但变化相对缓慢, 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 日照
桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后, 温度明显高于其它部位, 温度梯度呈非线形分布, 由于受到自身约束作用, 导致局部拉应力较大, 出现裂缝。
2.3 环境突变
骤然降温, 突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降, 但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。
2.4 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。
2.5 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 自生收缩
自生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 炭化收缩
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。
混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝, 裂缝宽度较细, 且纵横交错, 成龟裂状, 形状没有任何规律。
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。例如高填土箱形涵洞中部比两边的荷载要大, 中部的沉降就要比两边大, 箱涵可能开裂。
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 地基冻胀。在低于零度的条件下含水率较高的地基土因冰冻膨胀,一旦温度回升, 冻土融化, 地基下沉。地基的冰冻或融化均可造成不均匀沉降。
4.6 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, 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。由于锈蚀, 钢筋有效断面面积减小, 钢筋与混凝土握裹力削弱, 结构承载力下降, 并将诱发其它形式的裂缝,加剧钢筋锈蚀, 导致结构破坏。
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。当混凝土中骨料空隙多、吸水性强, 骨料中含泥土等杂质过多, 混凝土水灰比偏大、振捣不密实,养护不力使混凝土早期受冻等, 均可能导致混凝土冻胀裂缝。
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, 为我们进一步加强巡查和管理, 及时发现、处理问题提供了重要的理论依据和技术支撑, 从而为铁路运输安全工作树立质量屏障。
