混凝土橋梁結(jié)構(gòu)裂縫辨析

陳 燕

(南京溧水城市建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211200)

0 前 言

在當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)中，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)依然是占比最大的一種結(jié)構(gòu)，然而對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的建筑，不管是新建結(jié)構(gòu)還是運(yùn)營(yíng)期中的結(jié)構(gòu)，混凝土往往會(huì)因?yàn)樵牧蠈傩?、溫度變化、受力等因素產(chǎn)生不同形態(tài)、不同性質(zhì)的裂縫[1]。裂縫的產(chǎn)生一方面影響結(jié)構(gòu)的耐久性，另一方面是由于結(jié)構(gòu)的承載力不足產(chǎn)生所致將會(huì)進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的承載能力，所以對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)而言，根據(jù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)一些結(jié)構(gòu)允許帶裂縫工作(如鋼筋混凝土梁)，即便如此對(duì)結(jié)構(gòu)的裂縫寬度也是有限值要求的，而且一旦發(fā)現(xiàn)在限值范圍內(nèi)的裂縫，為保障結(jié)構(gòu)的耐久性應(yīng)對(duì)裂縫進(jìn)行封縫處理，對(duì)于超出裂縫限值的結(jié)構(gòu)要查明原因，并做相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)處理[2]。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)(如全預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu))是不允許產(chǎn)生裂縫，該結(jié)構(gòu)一旦產(chǎn)生裂縫則說(shuō)明結(jié)構(gòu)的承載力不足，或者所承擔(dān)的荷載超出了設(shè)計(jì)荷載，對(duì)該類裂縫則要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。然而混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫有多種形式，辨析裂縫的成因是目前檢測(cè)單位、養(yǎng)護(hù)單位面臨的難題，本文羅列混凝土結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的裂縫及形態(tài)，幫助其對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫辨析。

1 混凝土中裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)于混凝土材料而言，不論何種原因產(chǎn)生的裂縫，都會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性造成影響。由于鋼筋的存在，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)除了混凝土材料自身原因引起的開(kāi)裂外，還與鋼筋的腐蝕情況密切相關(guān)，兩種材料的組合情況決定了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展速度。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋表面會(huì)裹覆有一層混凝土保護(hù)層，而鋼筋的腐蝕與混凝土的碳化、氯離子侵蝕以及水分、氧氣的存在條件是分不開(kāi)的，混凝土保護(hù)層的破壞才能引起鋼筋的腐蝕，能夠提供這種條件的通道有兩個(gè)，一個(gè)是混凝土保護(hù)層的毛細(xì)孔道，另一個(gè)是混凝土保護(hù)層出現(xiàn)裂縫[3]。毛細(xì)孔道間隙較小，氯離子、二氧化碳、水分及氧氣等進(jìn)入混凝土內(nèi)部速度較慢，引起鋼筋的腐蝕會(huì)較為緩慢，而混凝土保護(hù)層形成裂縫后，形成的通道間隙較大，對(duì)鋼筋腐蝕的影響更大。因此，當(dāng)混凝土開(kāi)裂形成裂縫后，鋼筋的腐蝕速度將加速提升，而鋼筋腐蝕后生成的腐蝕物會(huì)導(dǎo)致鋼筋體積膨脹產(chǎn)生順筋裂縫。鋼筋的腐蝕也會(huì)導(dǎo)致裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，有為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提供了使侵蝕破壞作用逐步升級(jí)、混凝土耐久性不斷下降的渠道，形成導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)一步退化的惡性循環(huán)。

2 混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的成因

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中的裂縫形態(tài)較多，根據(jù)裂縫的受力特性分為受力裂縫和非受力裂縫。從力學(xué)角度來(lái)看，當(dāng)表面混凝土的拉應(yīng)力超出混凝土的開(kāi)裂強(qiáng)度時(shí)，混凝土材料就會(huì)產(chǎn)生裂縫，是否因外界荷載作用下混凝土產(chǎn)生了裂縫是區(qū)別受力裂縫和非受力裂縫的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際工程檢測(cè)中，應(yīng)充分了解結(jié)構(gòu)的受力情況，從而做出準(zhǔn)確的判斷。

彎曲裂縫、垂直裂縫、剪切裂縫(斜裂縫)、斷開(kāi)裂縫、扭曲裂縫、局部應(yīng)力裂縫和局部應(yīng)力裂縫等都是結(jié)構(gòu)受力裂縫的常見(jiàn)形態(tài)[4]。當(dāng)混凝土構(gòu)件的受拉區(qū)應(yīng)力超過(guò)混凝土開(kāi)裂強(qiáng)度就會(huì)引起開(kāi)裂，彎曲裂縫是由于構(gòu)件受彎引起的裂縫。當(dāng)混凝土構(gòu)件垂直于承壓軸線方向的應(yīng)力超過(guò)混凝土開(kāi)裂強(qiáng)度也會(huì)引起開(kāi)裂，垂直裂縫是構(gòu)件受壓引起的，主要原因是混凝土自身的強(qiáng)度不足。剪切裂縫(斜裂縫)有斜拉裂縫、斜壓裂縫、剪壓裂縫三種常見(jiàn)形態(tài)，剪切裂縫是由于構(gòu)件受剪切力作用，通常還伴隨著彎剪和彎壓作用，當(dāng)剪切力過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件開(kāi)裂，形成以剪切為主的裂縫。當(dāng)鋼筋混凝土構(gòu)件受拉時(shí)，拉應(yīng)力超過(guò)混凝土自身抗力，就會(huì)在混凝土構(gòu)件截面產(chǎn)生裂縫，這種裂縫的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件失去承載能力，對(duì)整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，應(yīng)特別注意構(gòu)件的加固與防護(hù)。當(dāng)構(gòu)件受扭轉(zhuǎn)和彎曲同時(shí)作用時(shí)，混凝土材料會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂，裂縫一般呈45°傾斜方向出現(xiàn)在混凝土構(gòu)件表面，扭曲裂縫通常是混凝土構(gòu)件受力不均勻和局部失穩(wěn)引起的。局部應(yīng)力裂縫是構(gòu)件受局部集中應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，通常出現(xiàn)在墩臺(tái)支座部位或受沖擊荷載作用部位。

溫度裂縫、收縮裂縫和骨料膨脹、鋼筋銹脹產(chǎn)生的裂縫等是較為常見(jiàn)的幾種非受力裂縫。溫度裂縫是由于構(gòu)件的不均勻受熱產(chǎn)生溫度應(yīng)力引起的，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在構(gòu)件從構(gòu)件內(nèi)部向構(gòu)件表面延伸的裂縫，溫度特性是材料自身的物理屬性，若要減少溫度裂縫，只能從材料改良和設(shè)置構(gòu)件溫度保護(hù)層方面采取措施。當(dāng)混凝土凝固時(shí)，水分蒸發(fā)會(huì)引起混凝土的表面和內(nèi)部產(chǎn)生不同的收縮，混凝土外面與外界環(huán)境的接觸面較大，使得混凝土出現(xiàn)表面收縮大、內(nèi)部收縮小的現(xiàn)象，這種內(nèi)外收縮的不均勻特性會(huì)導(dǎo)致表面混凝土所受的拉力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，從而使混凝土構(gòu)件產(chǎn)生從外向內(nèi)的裂縫[5]。由于水泥混凝土中含有氧化鎂骨料、硫酸鹽骨料和生石灰等物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)參與水泥熟料與水的水化反應(yīng)，產(chǎn)生的起水化產(chǎn)物會(huì)緩慢膨脹，導(dǎo)致混凝土構(gòu)件的開(kāi)裂；水泥中的堿性氧化物會(huì)與骨料中二氧化硅產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成物吸水后體積膨脹，也會(huì)導(dǎo)致混凝土構(gòu)件開(kāi)裂出現(xiàn)裂縫；混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕產(chǎn)物自身體積會(huì)膨脹，還會(huì)將膨脹力傳遞到混凝土，引起混凝土從內(nèi)部向外面擴(kuò)展的裂縫。

3 混凝土中裂縫的辨別

3.1 彎曲裂縫的辨別

在橋梁中，彎曲裂縫位置一般發(fā)生在梁跨中截面的下緣和支點(diǎn)截面的上緣，方向?yàn)榇怪庇谛熊嚪较?，如圖1所示。橋梁受到彎矩最大的部位為梁跨中受到的正彎矩和支點(diǎn)處受到的負(fù)彎矩，會(huì)形成多條近似平行的橫向裂縫，其中甚至有多條裂縫沿腹板延伸，但整體形態(tài)為下寬上窄(正彎矩，負(fù)彎矩上寬下窄)。

圖1 彎曲裂縫

3.2 剪切裂縫的辨別

梁截面受剪最大區(qū)域在支座附近，斜截面抗剪(或彎剪耦合)薄弱區(qū)域往往發(fā)生在支點(diǎn)～1/4 L梁附近的腹板，形成斜向裂縫，如圖2所示。該剪切裂縫形態(tài)為斜向30°～45°的主應(yīng)力裂縫，裂縫深度甚至是貫穿性的；有時(shí)在腹板可見(jiàn)裂縫間距相當(dāng)?shù)拇怪绷芽p，且向上延伸，該類裂縫一般屬于溫度或混凝土收縮裂縫，裂縫深度近保護(hù)層。

3.3 局部承壓裂縫的辨別

橋梁構(gòu)件局部承壓面下方空洞或配筋較少等引起的承載力不足、構(gòu)件局部突變引起的應(yīng)力集中局部受力超過(guò)混凝土抗裂強(qiáng)度等情況會(huì)引起裂縫，如圖3所示。

圖2 斜裂縫

圖3 局部承壓裂縫

3.4 非受力裂縫的辨別

鋼筋銹蝕裂縫沿鋼筋走向，骨料膨脹裂縫多成放射性裂縫如圖4所示，鋼筋銹蝕裂縫、骨料膨脹裂縫多為表面性裂縫，鑿開(kāi)可見(jiàn)鋼筋銹蝕狀態(tài)或骨料反應(yīng)的白色反應(yīng)環(huán)等反應(yīng)痕跡。

溫度裂縫其形態(tài)為無(wú)規(guī)則的“棗核形”裂縫，裂縫較短，為表面裂縫，如圖5所示。收縮裂縫中干燥收縮為表面裂縫，與溫度裂縫相似，自收縮裂縫主要和原材料相關(guān)，是自身體積變小的過(guò)程，嚴(yán)重者可使混凝土產(chǎn)生貫穿性裂縫，但該裂縫屬于前期裂縫，在沒(méi)有外荷載作用下裂縫就已經(jīng)產(chǎn)生，多為突變截面處、截面相對(duì)薄弱處，一旦產(chǎn)生裂縫較長(zhǎng)。

圖4 堿骨料膨脹

圖5 溫度裂縫

4 結(jié)束語(yǔ)

裂縫的產(chǎn)生對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)造成不利影響，而混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁裂縫輕則影響外觀，降低結(jié)構(gòu)的耐久性，重則對(duì)橋梁的運(yùn)營(yíng)安全存在隱患，作為橋梁檢測(cè)單位和養(yǎng)護(hù)單位，必須對(duì)橋梁的裂縫病害產(chǎn)生的原因辨析清楚，才能為橋梁的正確養(yǎng)護(hù)提出可行、可靠的方案，提高混凝土橋梁的使用性能和質(zhì)量。

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