摘要: 近年來, 隨著鐵路基礎建設的快速發(fā)展, 各地增建了大量的混凝土橋梁。在橋梁建造和后期維護管理過程中, 有關因出現裂縫而影響工程質量導致橋梁發(fā)生病害的事故時常出現, 并且長期困擾著橋梁工程技術人員, 本文通過對橋梁結構裂縫的成因分析和發(fā)展規(guī)律來判別結構的病害狀況, 為進一步加強巡查和管理, 及時發(fā)現、處理問題提供了理論和技術支持。
關鍵詞: 混凝土橋梁結構裂縫成因分析
1 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主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。
1.1 直接應力裂縫
直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫。其產生的原因有:
1.1.1 設計計算階段
結構計算時不計算或部分漏算; 計算模型不合理; 結構受力假設與實際受力不符; 內力與配筋計算錯誤; 結構安全系數不夠。結構設計時不考慮施工的可能性; 設計斷面不足; 鋼筋設置偏少或布置錯誤; 結構剛度不足; 構造處理不當;設計圖紙交代不清等。
1.1.2 施工階段
不加限制地堆放施工機具、材料; 不了解預制結構的受力特點,隨意翻身、起吊、運輸、安裝; 不按設計圖紙施工, 擅自更改結構施工順序, 改變結構受力模式; 不對結構做機器振動下的疲勞強度驗算等。
1.1.3 使用階段
超出設計載荷的重型車輛過橋; 受車輛、船舶的接觸、撞擊; 發(fā)生大風、大雪、地震、爆炸等。
1.2 次應力裂縫
次應力裂縫是由外荷載引起的次生應力產生的裂縫。其產生的原因有:
1.2.1 在設計外荷載作用下, 由于結構物的實際工作狀態(tài)同常規(guī)計算有出入或計算不考慮, 從而在某些部位引起次應力導致結構開裂。
1.2.2 橋梁結構中經常需要鑿槽、開洞、設置牛腿等, 在常規(guī)計算中難以用準確的圖式進行模擬計算,一般根據經驗設置受力鋼筋。研究表明, 受力構件挖孔后, 力流將產生繞射現象, 在孔洞附近密集, 產生巨大的應力集中。在長跨預應力連續(xù)梁中, 經常在跨內根據截面內力需要截斷鋼束, 設置錨頭, 而在錨固斷面附近經?？梢钥吹搅芽p。
因此, 若處理不當, 在這些結構的轉角處或構件形狀突變處、受力鋼筋截斷處容易出現裂縫。
2 溫度變化引起的裂縫
混凝土具有熱脹冷縮性質, 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。在某些大跨徑橋梁中, 溫度應力可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區(qū)別其它裂縫最主要特征是隨溫度變化而擴張或合攏。引起溫度變化主要因素有:
2.1 年溫差
一年中四季溫度不斷變化, 但變化相對緩慢, 對橋梁結構的影響主要是導致橋梁的縱向位移, 一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設置柔性墩等構造措施相協(xié)調, 只有結構的位移受到限制時才會引起溫度裂縫。
2.2 日照
橋面板、主梁或橋墩側面受太陽曝曬后, 溫度明顯高于其它部位, 溫度梯度呈非線形分布, 由于受到自身約束作用, 導致局部拉應力較大, 出現裂縫。
2.3 環(huán)境突變
驟然降溫, 突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結構外表面溫度突然下降, 但因內部溫度變化相對較慢而產生溫度梯度。
2.4 水化熱
出現在施工過程中, 大體積混凝土( 厚度超過2.0 米) 澆筑之后由于水泥水化放熱, 致使內部溫度很高,內外溫差太大, 致使表面出現裂縫。
2.5 施工措施不當
蒸汽養(yǎng)護或冬季施工時施工措施不當, 混凝土驟冷驟熱, 內外溫度不均, 也易出現裂縫。預制T 梁之間橫隔板安裝時, 支座預埋鋼板與調平鋼板焊接時, 若焊接措施不當, 鐵件附近混凝土容易燒傷開裂。采用電熱張拉法張拉預應力構件時, 預應力鋼材溫度可升高至350℃, 混凝土構件也容易開裂。試驗研究表明,由火災等原因引起高溫燒傷的混凝土強度隨溫度的升高而明顯降低,鋼筋與混凝土的粘結力隨之下降,混凝土溫度達到300℃后抗拉強度下降50%, 抗壓強度下降60%, 光圓鋼筋與混凝土的粘結力下降80%。
由于受熱, 混凝土體內游離水大量蒸發(fā)也可產生急劇收縮。
3 收縮引起的裂縫
3.1 塑性收縮
在施工過程中、混凝土澆筑后4～5 小時左右, 此時水泥水化反應激烈, 分子鏈逐漸形成, 出現泌水和水分急劇蒸發(fā), 混凝土失水收縮, 同時骨料因自重下沉, 因此時混凝土尚未硬化, 稱為塑性收縮。塑性收縮所產生量級很大, 可達1%左右。在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋,便形成沿鋼筋方向的裂縫。在構件豎向變截面處如T 梁、箱梁腹板與頂底板交接處, 因硬化前沉實不均勻將發(fā)生表面的順腹板方向裂縫。
3.2 縮水收縮( 干縮)
混凝土結硬以后, 隨著表層水分逐步蒸發(fā), 濕度逐步降低, 混凝土體積減小, 稱為縮水收縮(干縮)。因混凝土表層水分損失快, 內部損失慢, 因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮, 表面收縮變形受到內部混凝土的約束, 致使表面混凝土承受拉力,當表面混凝土承受拉力超過其抗拉強度時, 便產生收縮裂縫。
3.3 自生收縮
自生收縮是混凝土在硬化過程中, 水泥與水發(fā)生水化反應。這種收縮與外界濕度無關, 既可以是正的( 即收縮, 如普通硅酸鹽水泥混凝土) , 也可以是負的( 即膨脹, 如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土) 。
3.4 炭化收縮
大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學反應引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發(fā)生, 且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。
混凝土收縮裂縫的特點是大部分屬表面裂縫, 裂縫寬度較細, 且縱橫交錯, 成龜裂狀, 形狀沒有任何規(guī)律。
4 基礎變形引起的裂縫
由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移, 使結構中產生附加應力, 超出混凝土結構的抗拉能力, 導致結構開裂。
4.1 地質勘察精度不夠、試驗資料不準, 在沒有充分掌握地質情況就設計、施工, 是造成地基不均勻沉降的主要原因。
4.2 地基地質差異太大。建造在山區(qū)溝谷的橋梁, 河溝處的地質與山坡處變化較大, 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。
4.3 結構荷載差異太大。在地質情況比較一致條件下, 各部分基礎荷載差異太大時, 有可能引起不均勻沉降。例如高填土箱形涵洞中部比兩邊的荷載要大, 中部的沉降就要比兩邊大, 箱涵可能開裂。
4.4 結構基礎類型差別大。同一聯(lián)橋梁中, 混合使用不同基礎如擴大基礎和樁基礎, 或同時采用樁基礎但樁徑或樁長差別大時, 或同時采用擴大基礎但基底標高差異大時, 也可能引起地基不均勻沉降。
4.5 地基凍脹。在低于零度的條件下含水率較高的地基土因冰凍膨脹,一旦溫度回升, 凍土融化, 地基下沉。地基的冰凍或融化均可造成不均勻沉降。
4.6 橋梁建成以后, 原有地基條件變化, 大多數天然地基和人工地基浸水后, 尤其是素填土、黃土、膨脹土等特殊地基土, 土體強度遇水下降, 壓縮變形加大。在軟土地基中,因人工抽水或干旱季節(jié)導致地下水位下降, 地基土層重新固結下沉, 同時對基礎的上浮力減小, 負摩阻力增加, 基礎受荷加大。
5 鋼筋銹蝕引起的裂縫
由于混凝土質量較差或保護層厚度不足, 混凝土保護層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面, 使鋼筋周圍混凝土堿度降低; 或由于氯化物介入, 鋼筋周圍氯離子含量較高, 均可引起鋼筋表面氧化膜破壞, 鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應。其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2~4 倍, 從而對周圍混凝土產生膨脹應力, 導致保護層混凝土開裂、剝離, 沿鋼筋縱向產生裂縫, 并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕, 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。
6 凍脹引起的裂縫
大氣氣溫低于零度時, 吸水飽和的混凝土出現冰凍, 游離的水轉變成冰, 體積膨脹9%~11%, 因而混凝土產生膨脹應力; 同時混凝土凝膠孔中的過冷水( 結冰溫度在-7~8 度以下) 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, 并導致裂縫出現。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴重, 成齡后混凝土強度損失可達30%~50%。溫度低于零度及混凝土吸水飽和是發(fā)生凍脹破壞的必要條件。當混凝土中骨料空隙多、吸水性強, 骨料中含泥土等雜質過多, 混凝土水灰比偏大、振搗不密實,養(yǎng)護不力使混凝土早期受凍等, 均可能導致混凝土凍脹裂縫。
綜上所述, 一座橋梁從建成到使用, 牽涉到設計、施工、監(jiān)理、尤其是運營管理階段等各個方面。設計疏漏、施工低劣、監(jiān)理不力, 均可能使混凝土橋梁出現裂縫。因此, 嚴格按照國家有關規(guī)范、技術標準進行設計、施工和監(jiān)理, 是保證結構安全耐用的前提和基礎。而在日常的運營管理維護過程中,通過了解掌握橋梁結構裂縫的成因機理和發(fā)展規(guī)律, 為我們進一步加強巡查和管理, 及時發(fā)現、處理問題提供了重要的理論依據和技術支撐, 從而為鐵路運輸安全工作樹立質量屏障。
