浅谈混凝土桥梁裂缝的成因
2016-12-12
混凝土因其取材广泛、价格低廉、抗压强度高、耐火性好、不易风化、养护费用低等原因，已成为建筑结构中使用最广泛的材料。混凝土最主要的缺点是容易开裂，抗拉能力差。大量的工程实践和理论分析表明，几乎所有的混凝土构件均是带裂缝工作的，只是有些裂缝很细，甚至肉眼看不见，一般对结构的使用无大的危害，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碳化，保护层剥落，钢筋腐蚀，使混凝土的强度和刚度受到消弱，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，必须加以控制。我国规定公路、铁路等部门设计规范均采用限制构件宽度的办法保障混凝土结构的正常使用。
现将混凝土桥梁裂缝的种类及其产生的原因简要介绍如下：
一、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。主要有直接应力产生的裂缝、次应力裂缝两种。直接应力裂缝是指荷载引起的直接应力产生的裂缝。产生原因一是设计计算阶段，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；荷载少算或漏算；内力与配筋计算错误；结构安全系数不够；结构计算时不考虑施工的可能性；设计片面不足；钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足、构造处理不高；设计图纸交代不清等。二是施工阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构受力特点，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；不对结构做机器震动下的疲劳强度验算等。三是使用阶段，超设计荷载的重型车辆过桥，受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风地震等。次应力裂缝是指由外荷载引进的次生应力产生的裂缝。原因是：第一在设计荷载作用下，由于结构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。第二，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。
二、温度变化引起的裂缝
1.引起温度变化的主要因素
1.1年温差。一年中四季温度不断变化相当缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向移位，一般可通过桥面伸缩缝，支架移位或设置柔性桩等构造措施相协调，只有结构的位移受到限制时才会引起温度的裂缝。
1.2日照。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳暴晒后，温度明显高于其他部位，温度湿度呈非线形分布。由于受到自身的约束作用，导致局部压力较大，出现裂缝。
1.3骤然降温。突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度差应力。日照和骤然降温，内力计算时可采用设计规范或参考实桥资料经行，混凝土弹性模量不考虑折减。
1.4水化热。出现在施工中大面积混凝土浇筑之后，由于水泥放热，导致内部温度较高。内外温差太大，出现裂缝。施工中应根据实际情况，选择水化热低的水泥品种，限制水泥单位用量，减少骨料入模温度，降低内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内外散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热。
2.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常见的。在混凝土收缩过程种类中，塑性收缩和缩水收缩是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和碳化收缩、塑性收缩
发生在施工过程中，混凝土浇筑后4h~5h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成为塑性收缩。塑性收缩所产生的量级很大，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。
3.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，游离的水变成冰，体积膨胀9%,因而混凝土凝胶孔中有过冷水在微观结构中迁移或重新分布引起渗透压，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，成凌后，混凝土强度损失可达31%~50%。冬季施工时对预应力孔道灌浆后，若不采取保温措施，也可能发生沿管道方向的冻胀裂缝。温度降低到零度和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，骨料中含有泥土等杂物过多，混凝土水灰比偏大、捣震不密实，养护不利都会使混凝土早期受冻，导致混凝土冻胀裂缝。
三、地基基础变形引起的裂缝
由于地基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。原因有：①地质勘查密度不够、试验资料不准；没有充分掌握地质情况就设计、施工。②地基地质差异太大，造成在山区、河谷的桥梁，河沟中甚至存在软弱的地基，地基土不同压缩性引起不均匀下沉。③结构荷载差异太大时，有可能引起不均匀下沉。④结构基础类型差异大。⑤分期建造的基础。⑥地基膨胀。⑦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下沉。
四、施工材料质量引起的裂缝
混凝土主要由水泥、砂骨料拌合水及外加剂组成。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。
五、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、拼装及吊安过程中，若施工工艺不合理，施工质量低劣，容易产生纵向的、横向的、斜向的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。
参考文献：
[1]赵国藩，李树瑶，廖婉卿.钢筋混凝土结构的裂缝控制[M].北京：海洋出版社
[2]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2008
[3]王赫.建筑工程质量事故分析（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2009
[4]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》人民交通出版社，北京
