淺析鋼筋混凝土橋梁裂縫的成因與預防

淺析鋼筋混凝土橋梁裂縫的成因與預防

摘要:本文對鋼筋混凝土橋梁裂縫的類型和產生原因做了較全面的分析總結，以便在設計和施工時有效控制裂縫的產生，達到防患于未然的目的。
　　
關鍵詞:裂縫種類；成因；分析；預防
　　
　　混凝土是脆性材料，而鋼筋卻是韌性材料，它們兩者在一起工作，彈性模量相差很大，而且兩者的強度差別就更大，因此兩種材料在一起共同發揮作用，要使鋼筋參加工作，比較多的承受力，混凝土勢必開裂。大量的工程和理論分析表明鋼筋混凝土構件基本上都是帶裂縫工作的。裂縫一般分成不可見裂縫和可見裂縫。可見裂縫又分為無害裂縫和有害裂縫。有害裂縫在使用荷載或外界物理及化學作用下不斷產生和發展，引起混凝土碳化，保護層剝落及鋼筋銹蝕，直至影響結構的安全性和使用壽命，必須加以控制。
　　
　　一、混凝土橋梁設計原理
　　
　　我國現行的公路橋涵規范規定:橋梁應根據所在公路的使用任務、性質和將來的發展需要，按照適用、經濟、安全和美觀的原則進行設計,這些要求基本上包含了人們關心的所有重要問題。混凝土橋梁具體的設計過程是按承載能力和正常使用兩種極限狀態來進行的。按承載能力極限狀態是控制結構在喪失服務能力臨界狀態時的承載能力，其設計的基本原則是要求荷載效應不利組合的設計值要小于結構抗力的設計值。同時利用荷載安全系數、材料安全系數及工作條件系數來考慮不確定因素作用下的結構總體的安全儲備，是一種極限狀態設計法。按正常使用極限狀態是控制結構在正常使用狀態時應力，裂縫和變形小于一個限定值，即使用容許裂縫寬度來控制混凝土構件的結構設計。有關規范規定：在一般正常大氣條件下，鋼筋混凝土受彎構件在荷載組合Ⅰ的作用下，計算得到的最大裂縫寬度不應超過0.2mm；在荷載組合Ⅱ和Ⅲ作用下，不應超過0.25mm；處于嚴重暴露情況（有侵蝕性氣體或海洋大氣）下的鋼筋混凝土構件，容許裂縫寬度不應超過0.1mm。
　　混凝土構件容許裂縫的存在，是由混凝土抗拉能力差，容易開裂的缺點決定的。通過對大量的工程實例的研究發現，幾乎所有的混凝土構件都是帶裂縫工作的，只是有些裂縫很細，一般對結構和使用無大的影響，可允許其存在；有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學因素的作用下，不斷產生和擴展，引起混凝土明顯的病害，如保護層剝落、鋼筋腐蝕，從而導致混凝土的強度和剛度受到削弱，耐久性降低，嚴重時甚至發生垮塌事故，危害結構的正常使用。
　　
　　二、混凝土橋梁裂縫的成因分析及預防措施
　　
　　隨著橋梁使用年齡的增加，車輛的超載現象不斷增加，會使細微裂縫不斷的擴大，甚至會斷裂，此時困擾橋梁工程師的最大問題是對裂縫的形成原因以及對鋼筋的腐蝕作用的進一步深入認識，并且作出全面分析，以避免和克服因為裂縫引起的對橋梁使用性能的影響。經過對現在此方面的研究成果和工程實例的分析，混凝土橋梁的裂縫形成原因可大致梳理為以下幾個方面：
　　（一）混凝土用料選用不當引起的裂縫
　　1、水泥品種、標號及用量。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。此外，水泥標號越低、單位體積用量越大、磨細度越大，則混凝土收縮越大，并且發生收縮時間越長。例如，為了提高混凝土的強度，施工時經常采用強行增加水泥用量的做法，結果收縮應力明顯加大。
　　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。此外，骨料粒徑大收縮小，含水量大收縮越大。
　　3、水灰比。用水量越大，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。
　　（二）設計和施工不合理產生的裂縫
　　此類裂縫是我們在工程實例中發現最多的裂縫形式，許多橋梁設計人員往往只滿足于規范對結構強度計算上的安全度需要，而忽視從結構體系、結構構造、結構材料、結構維護、結構耐久性以及從設計、施工到使用全過程中經常出現的人為錯誤等方面去加強和保證結構的安全性。有的結構整體性和延性不足，冗余性小；有的計算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構件截面過薄。這些都削弱了結構安全性，會嚴重影響結構的使用。不少橋梁，雖然滿足了橋梁設計規范的強度要求，僅用了5～10年就因為出了問題影響結構安全。例如我們發現在混凝土橋梁豎向有截面突變的地方（箱梁、T梁的腹板與頂底板交接處）很容易產生裂縫，研究分析結果顯示：混凝土在澆筑后發生水化反應、泌水和大量水分蒸發，混凝土因失水而收縮，而骨料因重力影響向下沉降，但此時混凝土的強度和硬度都不高，骨料下沉時受到鋼筋的阻擋，便產生了沿鋼筋方向的裂縫。為避免此類裂縫的產生，在設計階段要盡量避免截面突變的存在，不能避免時要做特殊的處理，可將突變截面做成漸變截面，同時適量的增加鋼筋數量；在施工時要注意振搗，最好是在變截面處分層澆筑。
　　（三）自然環境的影響產生的裂縫
　　自然環境的影響主要是溫差引起了混凝土的溫度梯度呈非線性分布，而混凝土構件的位移又受到約束，導致局部應力過大，從而出現了裂縫。一般失火、太陽曝曬、驟然降溫以及冬季施工均可能導致此類裂縫的發生。預防措施是在設計時重視溫度應力，一些大跨徑的橋梁，溫度應力往往是可以超過活載應力的，另外就是杜絕冬季施工，因為此時施工混凝土在初凝時受凍，成齡后混凝土強度損失可達30%～50%。
　　（四）荷載引起的裂縫
　　此類裂縫是混凝土橋梁在常規動、靜荷載及次應力作用下產生的，橋梁結構所承受的車輛荷載和風荷載都是動荷載，會在結構內產生循環變化的應力，不但會引起結構的振動，還會引起結構的累積疲勞損傷。由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續的，實際上存在許多微小的缺陷，在循環荷載作用下，這些微缺陷會逐漸發展、合并形成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋不得到有效控制，極有可能會引起材料、結構的脆性斷裂。早期疲勞損傷往往不易被檢測到，但其帶來的后果往往是災難性的。
　工程實例中此類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位，且裂縫特征如下：
　　1、受拉。裂縫貫穿構件橫截面，間距大體相等，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、受壓。沿構件出現平行于受力方向的短而密的平行裂縫。
　　3、受彎。彎矩最大截面附近從受拉區邊沿開始出現與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中和軸方向發展。采用螺紋鋼筋時，裂縫間可見較短的次裂縫。當結構配筋較少時，裂縫少而寬，結構可能發生脆性破壞。
　　4、受剪。當箍筋太密時發

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