摘要：正確地分析裂縫出現(xiàn)的原因，是克服和控制裂縫、保證橋梁正常使用的關(guān)鍵。物理類裂縫由荷載、溫度、變形、約束等因素造成，本文淺談了混凝土橋梁裂縫物理原因。
　　關(guān)鍵詞：橋梁裂縫，物理，荷載
　　造成混凝土橋梁裂縫種類繁多，不同的裂縫對(duì)橋梁的危害各有輕重。混凝土橋梁裂縫按產(chǎn)生原因分物理類裂縫和化學(xué)類裂縫，而物理類裂縫是最常見而且最難預(yù)防和控制的。正確地分析裂縫出現(xiàn)的原因，是克服和控制裂縫、保證橋梁正常使用的關(guān)鍵。物理類裂縫是因?yàn)闇囟群奢d、梯度、收縮、變形、約束等各種因素，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部或表面產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)力變化，同時(shí)與混凝土增長(zhǎng)中的強(qiáng)度之間不相適應(yīng)而產(chǎn)生和發(fā)育的。本文具體分析了橋梁混凝土裂縫的物理成因。
　　一、荷載裂縫
　　在工程實(shí)踐中，由荷載引起的裂縫占總混凝土橋梁裂縫的20%左右。荷載裂縫是混凝土橋梁在靜、動(dòng)荷載及次應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂縫，主要分直接應(yīng)力裂縫和次應(yīng)力裂縫。直接應(yīng)力裂縫是指混凝土橋梁在外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫；次應(yīng)力裂縫是指混凝土橋梁由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。
　　荷載裂縫產(chǎn)生的原因主要有：在設(shè)計(jì)計(jì)算階段，計(jì)算模型不合理；設(shè)計(jì)斷面不足；結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)部分荷載漏算；構(gòu)造處理不當(dāng)，鋼筋設(shè)置偏少或布置錯(cuò)誤；設(shè)計(jì)圖紙交代不清等。在施工階段，不加限制地堆放施工機(jī)具、材料；不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，隨意翻身、起吊、運(yùn)輸、安裝；不按設(shè)計(jì)圖紙施工，擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力模式；不對(duì)結(jié)構(gòu)做機(jī)器振動(dòng)下的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算等。在橋梁使用階段，超出設(shè)計(jì)載荷的重型車輛頻繁過橋；受船舶撞擊等。
　　次應(yīng)力裂縫是產(chǎn)生荷載裂縫的最常見原因。次應(yīng)力裂縫多屬?gòu)埨�、劈裂、剪切性質(zhì)，僅是按常規(guī)一般不計(jì)算，但目前次應(yīng)力裂縫也是可以做到合理驗(yàn)算的。在設(shè)計(jì)上，應(yīng)注意避免結(jié)構(gòu)突變(或斷面突變)，當(dāng)不能回避時(shí)，應(yīng)做局部處理，如轉(zhuǎn)角處做圓角，突變處做成漸變過渡，同時(shí)加強(qiáng)構(gòu)造配筋，轉(zhuǎn)角處增配斜向鋼筋，對(duì)于較大孔洞有條件時(shí)可在周邊設(shè)置護(hù)邊角鋼。混凝土橋梁的荷載裂縫特征依荷載不同而呈現(xiàn)不同特點(diǎn)，其分布規(guī)律是沿主拉應(yīng)力方向開展，其走向與主拉應(yīng)力方向垂直。荷載裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動(dòng)嚴(yán)重部位。如受壓區(qū)出現(xiàn)起皮或有沿受壓方向的短裂縫，即表明混凝土橋梁達(dá)到承載力極限，其原因多是截面尺寸偏小。根據(jù)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的不同受力方式，產(chǎn)生的裂縫特征主要有中心受拉、中心受壓、受彎、大偏心受壓、小偏心受壓、受剪、受扭、受沖切和局部受壓。
　　二、、溫度裂縫
　　溫度裂縫區(qū)別于其他裂縫最主要的特征是隨溫度變化而擴(kuò)張或合攏。因此研究引起混凝土橋梁溫度變化的因素，對(duì)減少溫度裂縫至關(guān)重要。引起混凝土橋梁溫度變化的主要因素有：年溫差、日照、驟然降溫、水化熱、蒸汽養(yǎng)護(hù)或冬季施工措施不當(dāng)?shù)取Ｆ渲腥照蘸腕E然降溫是導(dǎo)致混凝土橋梁溫度裂縫的最常見原因。尤其對(duì)大體積混凝土橋梁施工中的溫度監(jiān)控，是控制溫度裂縫產(chǎn)生的關(guān)鍵。混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或內(nèi)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(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑混凝土橋梁中，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超出荷載應(yīng)力。
　　三、收縮裂縫
　　混凝土收縮裂縫的特點(diǎn)是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細(xì)，且縱橫交錯(cuò)，成龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律。塑性收縮發(fā)生在施工過程中、混凝土澆注后4～5h左右，此時(shí)水泥水化反應(yīng)激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時(shí)骨料因自重下沉，此時(shí)混凝土尚未硬化。塑性收縮所產(chǎn)生量級(jí)可達(dá)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(gòu)件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂?shù)装褰唤犹帲�因硬化前沉�?shí)不均勻?qū)�發(fā)生表面的順腹板方向裂縫。縮水收縮。混凝土結(jié)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。因混凝土表層水分損失快，內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當(dāng)表面混凝土承受拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生收縮裂縫。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(yīng)，這種收縮與外界濕度無(wú)關(guān)，且可以是正的，也可以是負(fù)的。另外，當(dāng)大氣中的CO2與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的炭化收縮。。
　　四、地基變形裂縫由于地基不均勻沉降或水平方向位移，使混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。地基不均勻沉降的主要原因有：地質(zhì)勘察精度不夠、試驗(yàn)資料不準(zhǔn)；地基地質(zhì)差異太大；結(jié)構(gòu)荷載差異太大；結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別大；分期建造的基礎(chǔ)；地基凍脹；橋梁基礎(chǔ)置于滑坡體、溶洞或活動(dòng)斷層等不良地質(zhì)；橋梁建成以后，原有地基條件變化。對(duì)于拱橋等產(chǎn)生水平推力的結(jié)構(gòu)物，對(duì)地質(zhì)情況掌握不夠、設(shè)計(jì)不合理和施工時(shí)破壞了原有地質(zhì)條件是產(chǎn)生水平位移裂縫的主要原因。
　　五、鋼筋銹蝕裂縫
　　由于混凝土質(zhì)量較差或保護(hù)層厚度不足，混凝土保護(hù)層受CO2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(yīng)，混凝土中鋼筋的銹蝕主要是電化學(xué)過程。其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來(lái)增長(zhǎng)約2～4倍，從而對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫。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(jié)構(gòu)承載力下降，并將誘發(fā)其它形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。
　　六、凍脹裂縫
　　大氣氣溫低于零度時(shí)，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水因結(jié)冰使其體積增大9%，使混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；同時(shí)混凝土凝膠孔中的過冷水(結(jié)冰溫度≤-78℃)在微觀結(jié)構(gòu)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(qiáng)度降低，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時(shí)受凍最嚴(yán)重，成齡后混凝土強(qiáng)度損失可達(dá)30%～50%。冬季施工時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿后若不采取保溫措施，也可能發(fā)生混凝土沿管道方向的凍脹裂縫。
　　七、施工裂縫
　　在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)澆注、構(gòu)件制作、起模、運(yùn)輸、堆放、拼裝及吊裝過程中，若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣，容易產(chǎn)生表面的、深進(jìn)的和貫穿的各種裂縫，特別是細(xì)長(zhǎng)薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異，比較典型的有：混凝土保護(hù)層過厚，或亂踩已綁扎的上層鋼筋，使承受負(fù)彎矩的受力筋保護(hù)層加厚，導(dǎo)致構(gòu)件的有效高度減小，形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。混凝土振搗不密實(shí)、不均勻，出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞，導(dǎo)致鋼筋銹蝕或其它荷載裂縫。混凝土澆注過快，混凝土流動(dòng)性較低，在硬化前因混凝土沉實(shí)不足，硬化后沉實(shí)過大，容易在澆注數(shù)小時(shí)后發(fā)生裂縫，即塑性收縮裂縫。混凝土攪拌、運(yùn)輸時(shí)間過長(zhǎng)，使水分蒸發(fā)過多，引起混凝土坍落度過低，使得在混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。
　　工程實(shí)踐和理論分析表明，幾乎所有的混凝土橋梁均是帶縫工作的，只是有些裂縫很細(xì)，甚至肉眼看不見(<0.05mm)，一般對(duì)混凝土橋梁的危害很小，可以不處理；有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學(xué)因素的作用下不斷產(chǎn)生和擴(kuò)展，引起混凝土碳化、保護(hù)層剝落、鋼筋腐蝕，使混凝土的強(qiáng)度和剛度受到削弱，耐久性降低，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生混凝土橋梁坍塌事故，危害混凝土橋梁的正常使用，所以，必須加強(qiáng)對(duì)橋梁混凝土裂縫的研究，嚴(yán)格控制此類裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。
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