混凝土橋梁裂縫分析和診斷修改080926

1、專題 橋梁裂縫分析和診斷第一節(jié) 橋梁裂縫的分類一、從平安性分 1、正常的工作裂縫 ：一般情況下，荷載組合I作用下裂縫寬度小于0.2mm，組合II，III小于0.25mm。局部預(yù)應(yīng)力混凝土B類構(gòu)件裂縫寬度限制如表1-2-1。 2、超出以上范圍的為非正常裂縫。 二、從客觀原因上分 1、先天裂縫。由于設(shè)計不當(dāng),不可防止的在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的裂縫。 2、原生裂縫。由于施工不當(dāng),造成的在結(jié)構(gòu)中原本可以防止的裂縫。 3、后天裂縫。由于正常使用荷載造成的累積損傷裂縫，以及非正常荷載造成的突發(fā)損傷裂縫。三、從力學(xué)機(jī)理來分類 1、彎曲裂縫 2、剪切裂縫 3、局部承壓及伴隨的劈裂和崩裂 4、拼接縫的別離和擴(kuò)展 5、差動

2、。常見而又常被忽略的裂縫成因，往往是由于外部約束或內(nèi)部變形反響滯后造成的一種砼裂縫。四、從產(chǎn)生根源上分 1、荷載和變位 2、成橋內(nèi)力 3、溫度變化 4、材料時效。如收縮、徐變。 5、后天和先天的截面削弱 6、化學(xué)物理作用五、從產(chǎn)生的時序來分類1、早期裂縫2、強(qiáng)度成長期裂縫3、使用期裂縫 還可從其它方面來分，在此不一一列舉。第二節(jié) 差動型裂縫一、杯狀空心墩柱的裂縫分析 在澆注墩臺柱時，承臺已到達(dá)足夠的強(qiáng)度，甚至已有數(shù)月或一年的齡期，根本上完成了水泥的熱耗散過程。由于承臺的約束，限制了墩底混凝土的散熱收縮過程，墩底混凝土很容易由于收縮應(yīng)力而拉裂。隨著溫度的變化和裂紋尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象，這些裂紋還會繼

3、續(xù)向上延伸到空心墩柱壁達(dá)數(shù)十米，嚴(yán)重者會一直延伸到墩臺帽下緣或者柱上有橫向預(yù)應(yīng)力處。前者稱為原生溫度裂縫，后者稱為次生溫度裂縫。一、混凝土彈性模量和極限拉伸 混凝土彈性模量隨齡期變化，在沒有試驗(yàn)資料時可按圖1-2-5選用。 二、四點(diǎn)建議 1、如果空心墩、臺、塔柱下端用混凝土填芯，必須在混凝土中配置足夠的溫度鋼筋。 2、從受力要求上講，不必要把空心墩、臺、塔柱下端填實(shí)。如果壁厚缺乏以抵抗船舶的直接撞擊力，可在空腔內(nèi)設(shè)置豎向隔板。 3、不設(shè)柱底臺座，或者在塔柱澆注后再加以裝飾。 4、在承臺上澆注大面積混凝土?xí)r，如沒有可靠的控溫防縮措施： 1) 每層的澆注厚度不超過75cm，兩層之間可有短間歇，以便

4、混凝土充分散熱。 2) 兩層間隔不宜超過五天。待澆筑的高度脫離了承臺的強(qiáng)約束區(qū)后，每次連續(xù)澆筑高度可加大到12m，脫離了弱約束區(qū)后，可由內(nèi)外溫差決定澆筑高度。(三) 、幾個定義： 1、強(qiáng)、弱約束區(qū)定義為澆筑混凝土長邊尺寸的0.2至0.4倍。 2、設(shè)計最終溫度指結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定溫度或年平均溫度，或經(jīng)過論證的其他溫度。 3、混凝土澆筑塊的最高溫度是指混凝土澆筑溫度加上其水化熱溫升。 4、根底溫差指混凝土澆筑塊在其根底約束范圍內(nèi)，混凝土最高溫度與設(shè)計最終溫度的差值，根底允許溫差見表1-2-5所示。 5、混凝土內(nèi)外溫差定義為混凝土的平均溫度與外表溫度之差，內(nèi)外溫差控制在2025度，在施工中內(nèi)外溫差不便于控

5、制常以最高溫度控制。二、分層現(xiàn)澆箱梁開裂分析 一般情況下現(xiàn)澆箱梁都是分兩層或三層澆筑。第一層澆筑底板。第二層澆筑腹板。第三層澆筑頂板。 與杯形空心墩一樣，也可能產(chǎn)生差動開裂。三、底座和模板約束引起開裂 混凝土薄壁結(jié)構(gòu)澆筑結(jié)束后，應(yīng)適時地拆去側(cè)模吊離底座，解除約束。一、底座約束裂縫 底座與梁底的嚙合約束了梁體的收縮，拉裂腹板，產(chǎn)生差動裂縫。如果是預(yù)應(yīng)力混凝土梁，不及時張拉也會出現(xiàn)這種裂縫。此時再張拉，裂縫會收縮甚至?xí)?，但是原生裂縫的缺陷依然存在。三、底座和模板約束引起開裂二、模板約束裂縫 圖1-2-8所示箱梁澆筑后模板保存時間太長，由于兩側(cè)模板提供雙倍的摩擦外表，阻止腹板收縮，引起差動開裂

6、。 而頂、底板的底模約束力小得多。 四、剛度差引起開裂 在箱梁中，如果腹板的厚度比頂板、底板大得多，它們即使是同時澆筑也會產(chǎn)生差動裂縫。從圖1-2-2中可以看到，很薄的頂、底板降溫很快，收縮也快；而較厚的腹板降溫較慢，趕不上頂、底板的收縮速度。但是腹板的剛度遠(yuǎn)大于頂、底板，頂、底板的收縮力無法帶動腹板同時收縮，只能自身開裂，見圖1-2-9。五、先張預(yù)應(yīng)力放張不當(dāng)引起開裂 先張預(yù)應(yīng)力工藝用的最多的是1625m空心板。往往由于設(shè)計施工不當(dāng)，在空心板混凝土中留下差動裂縫。一、放張逆序二、放張過速六、合龍段裂縫1、裂縫形式 1早期和成長期裂縫 合龍段一般是橋梁中承受活載彎矩較大的部位。所有先天和原生缺

7、陷會在使用中被后天因素加倍放大。所以 ，應(yīng)該對合龍段的設(shè)計、施工和養(yǎng)護(hù)予以特別關(guān)注。 這些裂縫屬于早期裂縫或強(qiáng)度成長期裂縫，其成因?qū)⒃诤竺媪硇蟹治?，裂縫形式如圖1-2-13。在裂縫形成以后再施加的預(yù)應(yīng)力不能使這些裂縫閉合，混凝土有效截面會減少，以至于使受壓區(qū)應(yīng)力增大。六、合龍段裂縫1、裂縫形式 2、合龍內(nèi)力裂縫 當(dāng)合龍段混凝土強(qiáng)度到達(dá)75%設(shè)計強(qiáng)度后可以張拉合龍段預(yù)應(yīng)力鋼筋，并撤除合龍段懸掛模架。 在跨中合龍時撤除架模的反力與合龍預(yù)應(yīng)力二者彎矩同向，如果考慮缺乏，會造成頂板開裂，見圖1-2-14。六、合龍段裂縫2、裂縫預(yù)防 在診斷施工圖設(shè)計和施工組織設(shè)計時要充分注意合龍方案，早期裂縫的預(yù)防將在

8、后面介紹，成長期裂縫和合龍裂縫可以采取下面的方法預(yù)防。 1等重預(yù)壓減載法 在懸臂澆筑合龍段之前應(yīng)在兩側(cè)結(jié)構(gòu)末端壓重，兩側(cè)壓重之和等于合龍段混凝土重量減去模架、模板重量。隨著合龍段混凝土澆筑，等量的減少壓重。六、合龍段裂縫2、裂縫預(yù)防 2剛性固結(jié) 在懸臂澆筑合龍段兩端結(jié)構(gòu)之間加設(shè)剛性聯(lián)結(jié)桿，可不使兩端結(jié)構(gòu)有相對平動或轉(zhuǎn)角。 在安裝和撤除剛性聯(lián)結(jié)桿時不能使用熱焊和熱割的工藝燒傷混凝土，以免在混凝土中留下原生缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)生原生裂縫。 六、合龍段裂縫2、裂縫預(yù)防 3在預(yù)制空心板之間都留有濕接縫，通常有寬、窄兩種，見圖1-2-17。 狹縫中聯(lián)結(jié)鋼筋缺乏，填筑混凝土空間太小，既不宜填筑密實(shí)，又易收縮別離，

9、形成差動裂縫，圖1-2-18所示空心板梁即出現(xiàn)了反射縫。第三節(jié) 拼接縫的別離和擴(kuò)展一、分段工藝分類1、干拼干接2、干拼濕接3、逐段濕接二、三種分段工藝的開裂特征 分段工藝的拼接縫是分段施工橋梁的病灶。1、干拼干接法，縫兩側(cè)混凝土有局部區(qū)域處于零應(yīng)力或超應(yīng)力狀態(tài)，隨著收縮徐變過程，裂縫也會開展。2、干拼濕接法在濕接縫收縮時，如果預(yù)制節(jié)段不能隨動，必然開裂。濕接縫不宜過寬.3、逐段濕接法是長線工藝，比短線工藝拼接縫間隙小得多，但由于節(jié)段之間澆筑時間差，會導(dǎo)致差動裂縫。三、分段工藝開裂共同特征1、內(nèi)力組合裂縫2、局部應(yīng)力裂縫 因此，對于節(jié)段施工橋梁，施工組織設(shè)計要充分預(yù)計原生裂縫的產(chǎn)生。第四節(jié) 錨頭

10、的局部承壓伴隨的裂縫 由于后張預(yù)應(yīng)力錨固端承壓力，先張預(yù)應(yīng)力端部摩擦力傳遞，常常伴隨劈拉應(yīng)力，造成錨固端部裂縫一、錨下承壓的劈拉裂縫 錨下局部壓力在向深層擴(kuò)散傳遞的過程中，會產(chǎn)生橫向拉力，這個拉力會使錨固區(qū)產(chǎn)生沿著預(yù)應(yīng)力鋼筋方向的裂縫。二、外凸楔形錨塊的拉裂和崩裂 彎起錨通常錨固在外凸楔形錨塊上，這些部位抗裂鋼筋設(shè)計或施工布置不當(dāng)，會引起頂、底板開裂，在設(shè)計和施工診斷中必須予以足夠的重視。三、內(nèi)凹楔形錨塊的拉裂和崩裂腹板彎起束有時錨固在內(nèi)凹的楔形錨座上，這些部位抗裂鋼筋設(shè)計或者施工布置不當(dāng)，會引起腹板以45度角開裂，在設(shè)計和施工診斷中必需予以足夠的注意。如圖1-2-31某橋腹板開裂的典型狀況，

11、按正常的正應(yīng)力和剪應(yīng)力計算不應(yīng)該出現(xiàn)裂縫，但是用三維有限元計算，腹板中拉應(yīng)力為24MPa。建議非不得已時不采用這種錨固方式。第五節(jié) 曲線崩裂一、曲底箱梁底板束崩裂二、平曲橋腹板束崩裂三、彎曲束管壁開裂和體外轉(zhuǎn)向點(diǎn)開裂四、局部凸彎處裂縫和崩裂一、曲底箱梁底板束崩裂變高度的箱梁橋的底板常常設(shè)計成曲線形，底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋的徑向力成為底板的附加法向荷載，可能導(dǎo)致底板開裂。見圖1-2-34。1、需要考慮的內(nèi)力和外力曲線預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的徑向力；混凝土壓應(yīng)力產(chǎn)生的反向徑向力；底板重力必要時需加上施工荷載；預(yù)應(yīng)力張拉以后，增加的二期恒載在底板中產(chǎn)生的拉力；活載在底板中產(chǎn)生的拉力。2、組合力二、平曲橋腹板束崩

12、裂在平曲線上的箱梁橋腹板中張拉預(yù)應(yīng)力束時，由于徑向力的作用會使腹板內(nèi)圈混凝土保護(hù)層崩裂，甚至使預(yù)應(yīng)力束拉直成弦狀。當(dāng)曲線半徑小于250m時，診斷應(yīng)予以特別的關(guān)注。某曲線橋的破壞狀況見圖1-2-36。1、聯(lián)系鋼筋的配置；設(shè)計與施工中必須注意配置足夠的聯(lián)系鋼筋，保證內(nèi)側(cè)保護(hù)層的足夠厚度；必須注意配置足夠的聯(lián)系鋼筋，保證預(yù)應(yīng)力鋼束與箍筋之間的聯(lián)系，見圖1-2-37。2、預(yù)應(yīng)力束在腹板中偏心設(shè)置；見圖1-2-38。3、計算腹板橫向彎曲的原那么計算跨徑為頂、底板之間的凈距；預(yù)應(yīng)力束的 徑向力作用于計算跨徑中部；用簡支梁計算跨中正彎矩；用20%的正彎矩當(dāng)作支點(diǎn)負(fù)彎矩；用以上彎矩計算混凝土應(yīng)力和箍筋應(yīng)力，箍

13、筋應(yīng)力要與箱梁整體計算的剪應(yīng)力疊加。三、彎曲束管壁開裂和體外轉(zhuǎn)向點(diǎn)開裂彎曲鋼筋的徑向力對混凝土管壁的壓力作用往往導(dǎo)致管壁混凝土拉裂甚至崩裂，形成沿著預(yù)應(yīng)力鋼筋的縱向裂縫。設(shè)計時需要布置足夠的徑向錨固鋼筋 ，承受徑向力。見圖1-2-39。四、局部凸彎處裂縫和崩裂布置在頂板和底板的預(yù)應(yīng)力鋼筋管道通常都設(shè)在板中軸處，有時為了爭取有效高度而將管道布置到板的下部，管外保護(hù)層只有45cm。因施工人員的疏忽，有時會將管道踏彎，形成波狀。一旦張拉，沿鋼束方向交替出現(xiàn)上、下的徑向力，導(dǎo)致沿著鋼束混凝土板會出現(xiàn)裂縫，而且保護(hù)層較薄的一側(cè)，裂縫常常首尾相接形成長縫。另外鋼束因彎曲，摩阻力增加，有效預(yù)應(yīng)力減少。 圖1

14、-2-42為預(yù)應(yīng)力鋼筋管道不直引起的裂縫和崩裂。第六節(jié) 彎曲和剪切裂縫一、彎曲裂縫二、剪切裂縫三、橫向力裂縫一、彎曲裂縫1、裂縫特征彎曲裂縫一般發(fā)生在正、負(fù)彎矩的峰值附近，裂縫都是從最大拉力邊緣沿著拉應(yīng)力的法向直線延伸；見圖1-2-43。箱梁正彎矩引起的底板裂縫，一般貫穿底板全寬有時不一定是通縫，甚至延伸到腹板；箱梁負(fù)彎矩引起的頂板裂縫，由于彎矩重分布而有減小的趨勢。節(jié)段施工的橋梁，彎曲裂縫一般沿著接縫或靠近接縫；裂縫寬度可達(dá) 0.10.2mm；嚴(yán)重者 ，在外荷載作用下裂縫可擴(kuò)大到310mm?？拷ё膹澢芽p尾部逐漸傾斜，說明裂縫是由彎拉和剪切兩種因素組合造成的。見圖1-2-45。2、產(chǎn)生原

15、因設(shè)計導(dǎo)致的先天裂縫A、配筋或混凝土截面缺乏B、對溫度荷載估計缺乏如時間、部位溫差C、對預(yù)應(yīng)力損失估計缺乏如摩阻、壓縮、松弛D、預(yù)應(yīng)力布置不當(dāng)如截面預(yù)應(yīng)力空隙，見圖1-2-46。E、二期恒載估計缺乏。施工導(dǎo)致的原生裂縫A、施工荷載超過設(shè)計允許值；B、混凝土模板或者支架變形；C、預(yù)應(yīng)力不當(dāng)；管道偏位、變形D、施工程序不當(dāng)誘發(fā)裂縫。運(yùn)營期間的后天裂縫A、超載車輛過重、過多；B、墩臺不均勻沉陷；C、老化。二、剪切裂縫剪切特征A、裂縫出現(xiàn)在腹板上，位于支點(diǎn)和彎矩反彎點(diǎn)之間，近似按45度角延伸。B、裂縫延伸到腹板邊緣處，在裂縫兩側(cè)腹板之間有微小的錯位。見圖1-2-47。產(chǎn)生原因由于彎曲裂縫的產(chǎn)生，改變了

16、截面的剪應(yīng)力分布，是剪切裂縫產(chǎn)生的一個重要原因。其他因素如設(shè)計原因、施工原因如彎起預(yù)應(yīng)力筋錯位、豎向預(yù)應(yīng)力筋失效、張拉順序錯誤三、橫向內(nèi)力裂縫在箱形梁設(shè)計中通常采用剛性截面假定，無視了橫向分析，導(dǎo)致正應(yīng)力和剪應(yīng)力偏小。在箱形截面分析中可近似采用類變量別離法對圖1-2-50各量進(jìn)行逐一計算。除非有足夠的理由，否那么不能忽略，見 表1-2-6。第七節(jié) 早期裂縫1、早期裂縫2、早期強(qiáng)度3、沉降裂縫4、塑性收縮裂縫5、模殼變形裂縫6、振動和荷載裂縫1、早期裂縫是指在終凝之前產(chǎn)生的裂縫,一般在澆筑后第二天才能發(fā)現(xiàn).有以下幾種：沉降裂縫早期塑性收縮裂縫模殼變形裂縫振動和荷載裂縫2、早期強(qiáng)度混凝土早期強(qiáng)度是

17、指在20攝氏度、3d的強(qiáng)度。也可以是3d以前強(qiáng)度的通稱。由混凝土抗拉強(qiáng)度成長和抗拉應(yīng)變變化的特征決定了早期裂縫的特征性。3、沉降裂縫沉降裂縫產(chǎn)生的原因沉降裂縫的預(yù)防原因：A、混凝土沉降的原因。B、混凝土沉降時受到鋼筋、預(yù)埋件的阻礙，產(chǎn)生拉力或剪力。順著障礙物出現(xiàn)沉降裂縫，見圖1-2-54。C、混凝土構(gòu)件的厚度、寬度突變或澆注高度突變，由于沉降量不同，在界面處 會出現(xiàn)沉降列縫，見圖1-2-55；D、外因會形成另一種類型的外部沉降裂縫，如模型或支架移動或沉降。和前述的內(nèi)部沉降裂縫有本質(zhì)區(qū)別。預(yù)防A、減少用水量；B、參加不降低粘結(jié)力的快速硬化外加劑；C、降低澆注速度，減少澆注層高；D、及時檢查，發(fā)生

18、沉降裂縫重新抹平。夏季在澆注后6090分鐘內(nèi)完成，其它季節(jié)在90180分鐘內(nèi)完成。4、塑性收縮裂縫早期干裂混凝土在塑性狀態(tài)下水分蒸發(fā)，脫水后導(dǎo)致干裂，在混凝土外表形成細(xì)小的裂縫。而終凝以后成長期的收縮裂縫較寬，呈發(fā)絲般龜裂。產(chǎn)生原因:敞開外表，水分蒸發(fā)速度大于泌水速度模板吸水或者漏稅嚴(yán)重混凝土不泌水早期混凝土外表水分缺乏；水泥快速凝結(jié)和硬化，向內(nèi)部混凝土吸水熱風(fēng)季節(jié)枯燥季節(jié)塑性干縮裂縫的預(yù)防：保持澆注區(qū)域的濕潤如圍以飽水材料澆注結(jié)束后及時覆蓋外表夏季不受陽光直射，不受熱風(fēng)直吹及時灑水養(yǎng)護(hù)5、模殼變形裂縫在混凝土初凝后逐漸失去塑性，木模殼變形量大于混凝土變形能力，會產(chǎn)生裂縫。在終凝前后混凝土抵抗

19、應(yīng)變的能力最低，需要特別注意。6、振動和荷載裂縫在混凝土澆注后的強(qiáng)度成長期間，在附近造成振動或改變地表堆積物，可能在混凝土中產(chǎn)生裂縫。在早期混凝土上通行車輛或堆積重物，引起模板支架變形，可能在混凝土中產(chǎn)生裂縫。早期混凝土連續(xù)輕微振動，會降低鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力第八節(jié) 微裂縫微裂縫是指混凝土在低荷載或者未加荷載之前就存在于混凝土內(nèi)部，由于沉陷、水化、枯燥、碳化等因素引起混凝土干縮而產(chǎn)生的肉眼看不見的 微小裂縫。是影響混凝土塑性變形非線性應(yīng)力應(yīng)變曲線、徐變、滯變曲線的主要因素。1、微裂縫和缺陷2、微裂縫主要特征1、微裂縫和缺陷微裂縫主要種類見圖1-2-56：粘結(jié)裂縫粗骨料外表與水泥砂漿之間的裂

20、縫；砂漿裂縫水泥砂漿內(nèi)部的裂縫；骨料裂縫骨料顆粒本身的裂縫；連續(xù)裂縫兩條粘結(jié)裂縫或骨料裂縫之間的連續(xù)裂縫相連接。缺陷：水隙、空隙、氣泡；早期和成長期裂縫；蜂窩；水泥漿凝膠空隙。2、微裂縫主要特征下臨界應(yīng)力：由于施加荷載，結(jié)構(gòu)缺陷閉合，混凝土體積減?。涣硪环矫嫖⒘芽p特別是粘結(jié)裂縫增加，混凝土體積增大。二者復(fù)合后，當(dāng)空隙間隔 最小時混凝土的應(yīng)力稱臨界應(yīng)力或開始應(yīng)力。破壞強(qiáng)度1560MPa，混凝土下臨界應(yīng)力為0.650.88破壞強(qiáng)度。正常使用的結(jié)構(gòu)都在這個范圍以內(nèi)。臨界應(yīng)力：隨著荷載增加，大量粘結(jié)裂縫通過砂漿裂縫連接，延伸成為連續(xù)裂縫。混凝土體積開始增加并到達(dá)臨界應(yīng)力狀態(tài)。破壞強(qiáng)度1560MPa，混

21、凝土臨界應(yīng)力為0.700.95破壞強(qiáng)度。此時可以認(rèn)為混凝土失去承載能力。超過臨界應(yīng)力以后，微裂縫開展到肉眼可見程度，呈網(wǎng)狀連續(xù)裂縫，混凝土變成不連續(xù)體，混凝土體積膨脹。第九節(jié) 后天裂縫與壽命一、結(jié)構(gòu)性老化導(dǎo)致的裂縫二、材料老化導(dǎo)致的裂縫損傷與防治一、結(jié)構(gòu)性老化導(dǎo)致的裂縫1、橋梁撓度變化 表 1-2-7列出了幾座T形鋼構(gòu)橋的跨中撓度變化情況。2、徐變和松弛內(nèi)在物理力學(xué)因素3、裂縫裂縫的部位、方向揭示橋梁的老化或缺陷的部位和性質(zhì)二、材料老化導(dǎo)致的裂縫損傷與防治材料老化類型與機(jī)理：1、裂縫和空隙，2、堿集料反響AAR，3、二氧化硫和酸雨，4、混凝土的中性化或酸性化5、氯鹽侵蝕對混凝土、鋼筋腐蝕材料老化防治措施與分析：1、對于外部環(huán)境影響可以在混凝土外表加涂樹脂漆涂層或外表浸漬硅烷、參加亞硝酸鈣類阻銹劑、有限度的電化學(xué)保護(hù)等2、對于內(nèi)在原因可以嚴(yán)格選料。如低堿集料、堿度適度的水泥、耐銹和防銹鋼筋、中性水等3、結(jié)構(gòu)性預(yù)防是行之有效的方法。結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮周到，會大大減小外加防護(hù)措施。4、鋼筋布置要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，墊塊選用適當(dāng)，箍筋應(yīng)緊貼鋼筋，特別要注意橫截面的切角或圓角處鋼筋的凈保護(hù)層是否滿足規(guī)定，如表1-2-12b。5