橋梁結構的常見裂縫及其形成原因分析

1、橋梁結構的常見裂縫及其形成原因分析橋梁結構的常見裂縫及其形成原因分析jack第一部分 裂縫產生的原因第二部分 構件在彎、剪、扭作用下產生的裂縫第三部分 簡支梁橋和連續(xù)梁橋常見裂縫 依據裂縫產生的原因，常見裂縫可分為荷載引起的裂縫、溫度變化引起的裂縫、收縮引起的裂縫、地基基礎變形引起的裂縫、鋼筋銹蝕引起的裂縫、凍脹引起的裂縫、施工引起的裂縫等七大類。荷載引起的裂縫 混凝土橋梁在常規(guī)靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱為荷載裂縫，歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫。直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫，次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生的裂縫。 荷載裂縫特征依荷載不同而呈現(xiàn)不同的特

2、點。這類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動嚴重部位。根據結構不同受力方式，產生的裂縫特征如下：中心受壓沿構件出現(xiàn)平行于受力方向的短而密的平行裂縫。該類型裂縫多出現(xiàn)在橋墩為獨柱或雙柱結構的橋梁墩柱柱身上，如圖所示。 當荷載較大時，由于混凝土塑性變形的發(fā)展，壓縮變形增加的速度快于荷載增長速度； 縱筋配筋率越小，這個現(xiàn)象越為明顯。同時，在相同荷載增量下，由于鋼材的彈性 模量大于混凝土的彈性模量，因此鋼筋的壓應力比混凝土的壓應力增加得快。由于縱 向壓力的作用，促使柱的軸向縮短而側向發(fā)生膨脹，而在柱的表面形成環(huán)向拉力。隨 著荷載的增加，環(huán)向拉力逐步增大，致使混凝土表面開始出現(xiàn)微細的平行于縱軸的裂 縫。當接

3、近并達到破壞荷載時，柱四周出現(xiàn)明顯的縱向裂縫，箍筋間的縱筋也會發(fā) 生壓屈，向外凸出，混凝土被壓碎，柱子即告破壞。受彎彎矩最大截面附近從受拉區(qū)邊沿開始出現(xiàn)與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中和軸方向發(fā)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(fā)生脆性破壞。受剪 主筋及抗剪切筋設置不足，當箍筋太密時發(fā)生斜向破壞，沿梁端腹部出現(xiàn)大約 45方向的斜裂縫?？傊捎谠O計階段鋼筋設計偏少或布置錯誤、結構剛度不夠等將導致荷載引起的裂縫，另外，在使用階段，超過設計荷載的重型車輛過橋、車輛撞擊，發(fā)生洪水、滑坡、地震等自然災害也將導致荷載引起的裂縫。溫度變化引起的裂縫 混凝土具

4、有熱脹冷縮的性質，當外部環(huán)境或結構內部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。溫度裂縫區(qū)別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合攏，溫度裂縫容易發(fā)生在大體積混凝土結構中，如：橋墩、臺，橋面鋪裝等部位，有時也和其他影響因素共同作用，引起混凝土裂縫。收縮引起的裂縫混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。收縮裂縫對構件承載力影響不大，主要影響影響結構外觀和耐久性。收縮裂縫大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細，且縱橫交錯，成龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律。地基基礎變形引起的裂縫當?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時，會引起構件的約束變形，使結構內部拉應力發(fā)生

5、變化，而一旦結構內部拉應力超過自身的抗拉強度時，在結構的薄弱部位就會產生沉降裂縫。建造在山區(qū)溝谷的橋梁，河溝處的地質與山坡處的地質條件差異較大，河溝中甚至存在軟弱地基，地基土由于不同壓縮性引起不均勻沉降。鋼筋銹蝕引起的裂縫這種裂縫伴隨鋼筋銹蝕發(fā)生。由于銹蝕，使得鋼筋有效斷面面積減小，鋼筋與混凝土握裹力削弱，結構承載力下降，并將誘發(fā)其它形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導致結構破壞。凍脹引起的裂縫當大氣溫度低于零度時，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水轉變成冰，體積膨脹 9，因而混凝土產生膨脹應力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水在微觀結構中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強度降低，并導致

6、裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴重，成齡后混凝土強度損失很大。施工工藝質量引起的裂縫在混凝土結構澆筑、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中，若施工工藝不合理、施工質量低劣，容易產生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進的和貫穿的各種裂縫，特別是細長薄壁結構更容易出現(xiàn)。小結： 對混凝土結構裂縫按主要成因進行分類，其意義在于，在日常橋梁養(yǎng)護工作中，通過觀察混凝土裂縫表觀特征，即可快速、準確判斷裂縫類型以及對混凝土結構耐久性、承載力的影響，從而為制定裂縫處理方案提供可靠依據。二.彎、剪、扭作用下產生的裂縫受彎構件正截面處裂縫的產生第I 階段：整體（全截面）工作階段此時梁的撓

7、度與荷載成正比，應變沿截面高度呈直線分布（即符合平截面假定：構件彎曲后，其截面仍保持平面，混凝土和鋼筋的應變沿截面高度符合線形分布），到第I階段末期，此時在截面的受拉區(qū)混凝土即將開裂，混凝土基本上仍處于彈性工作階段，其壓應力分布基本上仍是三角形。第 階段：帶裂縫工作階段受拉區(qū)混凝土一旦開裂，正截面的受力過程便進入第 階段，第一根垂直裂縫一般出現(xiàn)在純彎曲段受拉邊緣混凝土強度最弱的部位，如果荷載稍微增大，會在純彎曲區(qū)將出現(xiàn)多條垂直裂縫，開裂的受拉區(qū)混凝土退出工作，拉力轉由鋼筋承擔，鋼筋應力突然增加。荷載繼續(xù)增加，鋼筋的應力和應變繼續(xù)增加，裂縫逐漸開展，中性軸上升。受壓區(qū)混凝土應力和應變也不斷增加，

8、塑性表現(xiàn)越來越明顯，應力圖形變?yōu)檩^平緩的曲線形，第階段可以作為計算裂縫寬度和變形依據。第階段：破壞階段隨著荷載進一步增加，受拉區(qū)鋼筋和受壓區(qū)混凝土的應力、應變也不斷增大。當裂縫截面中的鋼筋拉應力達到屈服強度時，正截面的受力過程就進入第階段。此時，裂縫截面處的鋼筋在應力保持不變的情況下將產生明顯的塑性伸長，從而使裂縫急劇開展，中性軸進一步上升，受壓區(qū)高度迅速減小，壓應力不斷增大，直到受壓區(qū)邊緣纖維的壓應變達到混凝土彎曲受壓的的極限壓應變時，受壓區(qū)出現(xiàn)縱向水平裂縫，混凝土在不太長的范圍內被壓碎，導致截面破壞。截面破壞前的階段成為第三階段。受彎構件斜截面處裂縫的產生對于一般的受彎構件，在承受彎矩的同

9、時，同時也伴隨著剪力作用。在剪彎區(qū)，此時的主應力已經不與中性軸平行純扭構件斜截面的裂縫彎梁橋和斜梁橋是高等公路和城市公路常用的橋梁。鋼筋混凝土彎梁、斜梁，即使不考慮活荷載，僅在恒載作用下，梁的截面上除有彎矩M、剪力V外，還存在扭矩T，由于扭矩、彎矩、剪力的作用，構件的截面上將產生相應的主拉應力。當主拉應力超過混凝土的抗拉強度時，構件便會開裂，純扭是研究彎扭構件受力的基礎，先從純扭構件開始介紹。由材料力學知識可知，勻質彈性材料的矩形截面構件的剪應力分布圖如圖所示，截面長邊中點的剪應力最大。根據力的平衡可知，主拉應力的方向與構件軸向成45度角。當主拉應力超過混凝土的抗拉強度是，混凝土將在垂直于主拉

10、應力的方向開裂，純扭作用下，構件裂縫總是沿與構件縱軸成45度角方向發(fā)展。在實際工程中，純扭構件并不常見，較多出現(xiàn)的是彎矩、扭矩和剪力共同作用的構件。對于彎扭共同作用的構件，當扭彎比較小時，彎矩起主導作用。裂縫首先在彎曲受拉區(qū)梁底面出現(xiàn)，然后發(fā)展到兩個側面。頂部的受扭斜裂縫受到抑制而出現(xiàn)較遲，也可能一直不出現(xiàn)。但底部的彎扭裂縫開展較大，當?shù)撞夸摻顟_到屈服強度時裂縫迅速展開。當扭矩和剪力起控制作用，特別是扭剪比也較大時，裂縫首先在梁的某一豎向側面出現(xiàn)，在該側面由剪力與扭矩產生的拉應力方向一致，兩者疊加后將加劇側面裂縫的開展；而在另一側面，由于上述兩者主拉應力方向相反，將抑制裂縫的開展，甚至不出

11、現(xiàn)裂縫，這就造成一側面受拉、另一側面受的破壞形態(tài)。簡支梁橋和連續(xù)梁橋常見裂縫鋼筋混凝土及預應力混凝土簡支梁橋常見裂縫 鋼筋混凝土及預應力混凝土簡支梁是所有運營中橋梁數(shù)量最多的梁橋，其斷面形式常有T形、字形、箱形和各種形式的組合。鋼筋混凝土簡支梁的跨徑一般在1020米，預應力混凝土簡支梁跨徑一般在16-50米，少量有更大的。鋼筋混凝土簡支梁橋網狀裂縫 此種裂縫能發(fā)生在各種跨度的梁上，裂縫比較細小，寬度約 0.030.05mm，用手觸及有凸起感覺，其多為砼收縮所引起的表面龜裂，也即當砼表層水分損失快，內部損失慢，產生表面收縮大，內部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內部砼的約束，致使表面砼承受拉

12、力，當表面砼承受的拉力超過其抗拉強度時，產生龜裂，進一步致使網狀裂縫出現(xiàn)。腹板上是豎向裂縫該裂縫為最常見也較為嚴重的一種裂縫。多位于薄腹板的中部，中間寬兩頭細，未向上、向下延伸，多系混凝土養(yǎng)護差、或溫度、或腹板上的水平筋太少等原因所致的收縮裂縫，主要影響結構的耐久性。沿翼緣板接縫處的縱向裂縫較多發(fā)生在預制裝配T梁橋翼緣采用鉸接或橫向聯(lián)系受損較大的裝配式簡支梁橋。此種病害會造成惡性循環(huán)，經過長期運營,鋼板的焊接斷裂,造成T梁均為單片梁承重,而不是作為一個整體并通過橫向分配承重。腹板上是斜向裂縫 是鋼筋砼梁中出現(xiàn)最多的一種裂縫，且多在跨中兩側，離跨中越遠傾斜角越大，反之越小，傾斜角在 45附近，第

13、一道裂縫多出現(xiàn)在距支座0.5 1.0m 處，裂縫寬度一般在0.03mm 以下，該種裂縫的產生多為設計上的缺陷，即主拉應力較計算大，使得砼不能負擔而導致裂縫產生，而施工不良又會加快裂縫的產生和發(fā)展。簡支梁跨中梁底豎向裂縫及支承端附近腹板斜裂縫 梁側水平裂縫 該種裂縫因施工不當引起，如分層灌筑時，間隔的時間太長等。梁底縱向裂縫 該種裂縫多因砼保護層過薄或滲入氯鹽等速凝劑導致鋼筋銹蝕所致。預應力混凝土簡支梁預應力混凝土簡支梁不同于鋼筋混凝土簡支梁的其他常見裂縫：（1）張拉錨具的錨下縱向裂縫，長度一般不超過梁高，主要為錨下局部應力集中產生的劈裂拉力所致；（2）沿預應力鋼束的縱向裂縫，主要為預應力鋼束保

14、護層過薄，鋼束處局部應力過大產生劈裂或是混凝土保護層碳化后預應力筋生銹所致；（3）跨中下?lián)线^大超過規(guī)范容許值，跨中截面不一定開裂。主要為施加預應力不足或預應力損失過大所致。連續(xù)梁橋常見裂縫1.頂板裂縫 頂板橫向裂縫：頂板橫向裂縫是比較少見的,造成頂板橫向裂縫的原因可能有以下幾個原因:(1)在箱梁負彎矩峰值附近,由于彎曲應力過大會導致橫向裂縫。箱梁負彎矩區(qū)的頂板裂縫開裂后由于內力重分布,應有減少的趨勢。(2)箱梁高度方向的日照溫度梯度,設計考慮不慎,降溫時可能在頂板產生橫向裂縫。 頂板縱向裂縫：頂板縱向裂縫一般出現(xiàn)在跨中合攏段,接近支點的區(qū)域, 也有全跨均出現(xiàn)縱向裂縫的情況，一些常見的致裂原因如

15、下：(1)合攏段頂?shù)装蹇v向裂縫,沿合攏段頂?shù)装灞∪醪课煌ㄩL分布,拆模后即發(fā)現(xiàn)存在。主要是由于溫度及收縮作用引起。通常澆注合攏段是在凌晨較低溫時進行,如果日溫差過大,且合攏段勁性骨架剛度不強,兩端懸臂梁段的升溫伸長會擠壓合攏段混凝土,使橫橋向受拉，另外,合攏段混凝土的早期橫向收縮受到懸臂端梁段的約束,在與懸臂端梁段的結合面,合攏段混凝土橫橋向受拉。當橫橋向拉應力高于緩慢提高的混凝土抗拉強度,則沿縱橋向產生裂縫。(2)由于頂板沒有設置橫向預應力筋產生的縱向裂縫。(3)由于頂板橫向彎矩主要受活載影響,超載很容易導致縱向裂縫。(4)箱梁內外溫度變化不同,由于內外溫差,產生次應力也會導致開裂。(5)設計

16、過大的縱向預應力,其造成橫向拉應力超過混凝土的抗拉強度。2.腹板裂縫腹板裂縫根據其產生形態(tài)可分為斜向裂縫、水平裂縫、豎向裂縫和腹板沿束裂縫四種。腹板斜向裂縫：腹板斜裂縫屬結構性裂縫,主要分布于距支座L/4(L為跨度)附近的腹板,邊跨梁端腹板區(qū)域,約呈45角分布,主要有彎剪斜裂縫和腹剪斜裂縫兩種。箱梁腹板的抗剪能力由混凝士和鋼筋提供,主要包括混凝土本身的抗剪能力,縱向彎起預應力提供的正應力,豎向預應力鋼筋提供的豎向正應力,開裂后沿斜裂縫的混凝土骨料的咬合作用,縱筋的銷栓力,箍筋和彎起鋼筋的抗剪力。前3者為防止腹板開裂的主要因素，后4部分的作用則對開裂后裂縫的寬度和擴展起控制作用。產生腹板斜裂縫的

17、一些原因包括：(1)腹剪斜裂縫的主要開裂原因多認為支座附近剪力過大,腹板厚度偏薄抗剪能力不足,以及主拉應力方向抗裂安全度不夠或計算方法有缺陷。(2)在梁高較低的邊跨不采用梁端布設彎起束的方式抗剪,而是過分依賴縱向和豎向預應力來控制主拉應力,實踐中往往由于豎向預應力鋼筋不長,過大的豎向預應力損失而造成邊跨腹板大量斜裂縫。(3)懸臂施工中混凝土澆注順序不當,由里向外澆注,造成彎曲裂縫的產生,使受剪面減小,剪應力急劇增大,進而造成主拉應力超過材料抗拉強度。腹板水平裂縫腹板水平裂縫多見于主跨L/4-3L/8之間的腹板,出現(xiàn)的原因主要是：主要由箱梁橫向彎曲空間效應與內外溫差應腹板內側或外側產生較大的豎向

18、應力、箱梁橫向剛度不足，畸變應力影響，豎向預應力不足等原因引起；腹板豎向裂縫腹板的豎向裂縫有多種形式,結構性的和非結構性的都有，其產生機理主要有以下幾點:(l)腹板收縮裂縫多出現(xiàn)在箱梁的現(xiàn)澆施工中,由于模板對腹板的摩擦約束,使混凝土收縮受到阻礙,在脫模后2一3小時內,通常整個腹板會裂通,寬度0.2一0.4mm,施加縱向預應力后大多閉合。(2)豎向拼接裂縫易見于各節(jié)段的拼接縫處,即腹板拼接縫開裂,通常伴隨頂板或底板的橫向開裂。(3）豎向拉裂裂縫,通常由于混凝土箱梁的熱脹冷縮受到阻礙后,產生的混凝土拉裂裂縫，由于支座、伸縮縫受到阻礙不能正常工作,一旦溫度變化,在邊跨支座附近箱梁截面可能整個被拉開,

19、裂縫間距為最小板厚的1一2倍。腹板沿束裂縫 指沿腹板中布置的縱向預應力鋼束開裂的裂縫,在工程中比較少見，大部分是因為施工時預應力筋位置移動,使保護層厚度達不到設計要求而產生的，在比較大的預應力束錨頭處,混凝土的收縮也可導致這類裂縫。3.底板裂縫底板裂縫可分為橫向裂縫、縱向裂縫和斜向裂縫三種。底板橫向裂縫在箱梁正彎矩峰值附近,節(jié)段施工的梁橋沿接縫或在其附近,由于彎曲正應力引起的底板彎曲裂縫一般會貫穿底板全寬,嚴重時底板裂縫擴展延伸到腹板,形成U形裂縫，底板橫向彎曲裂縫屬結構性裂縫,出現(xiàn)的一些原因包括：(1)預應力布設不當,跨中底板預應力儲備不足或存在過大的拉應力。(2)施工荷載超重,混凝土模板或

20、支架變形。(3)箱梁高度方向的日照溫度梯度,考慮不慎,升溫時可能在底板產生橫向裂縫。(4)預應力張拉不到位或運營中超重車輛過多或對二期恒載估計不足導致配筋或截面不足。底板縱向裂縫底板縱向裂縫在工程上常見子主跨中部,近墩處底板中部和兩側其產生的一些原因主要歸納為以下幾個方面：(1)箱梁的橫向剛度不足,橫向撓度過大會在底板引起縱向裂縫，這種情況往往出現(xiàn)在寬跨比大的橋梁中。(2)由于日照和環(huán)境溫度,使箱梁內外產生溫度差引起裂縫。(3)支座橫向布置錯誤,如常見的墩上設兩個橫向固定的支座,在荷載、溫度、收縮條件下,導致縱向裂縫。(4)合攏段由于對橫向變形的控制往往不太注意,段內混凝土橫向收縮比縱向要大,也易造成跨中底板的縱向裂縫。底板斜向裂縫底板斜向裂縫在工程中是比較少見的,推究其產生的機理,認為其產生的主要原因可能有以下兩種:(1)由