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概述

桥梁裂缝产生的原因复杂、种类繁多， 如果不对裂缝进行全面的分析和研究，就很难揭示出桥梁病害产生的内涵和机理。因此， 对桥梁裂缝机理研究不仅阐明了裂缝的形成原因、裂缝危害性评定等问题， 还为今后桥梁病害的综合治理提供技术前提和决策的依据。

混凝土桥梁裂缝成因分析

混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多， 每一条裂缝都有一个或者多种因素相互影响引起的。

混凝土桥梁就其产生裂缝的原因划分， 归纳起来大致可划分如下几种。

1、荷载原因

混凝土桥梁在静、动荷载及次应力作用下产生的裂缝称荷载裂缝。荷载裂缝又分为直接应力裂缝和二次应力裂缝两种。所谓直接应力裂缝， 是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有设计计算和施工、使用三个阶段引起。在设计计算方面， 由于荷载计算错误或者漏算、计算模型不合理、力学假设与结构实际受力不符、配筋计算错误、结构安全系数不够等都会导致结构的实际受力与理论计算不符， 使得结构在使用过程中产生的应力与理论计算不一致， 因应力的超限引起混凝土开裂。另外， 结构设计时如不考虑施工的可操作性、设计断面过小、钢筋设置不当、设计图纸交代不清等也是导致混凝土结构开裂的重要因素。在施工阶段， 随意堆放施工机具材料， 不了解预制结构受力特点而随意翻身、起吊、运输、安装， 不按设计图纸施工擅自更改结构施工顺序， 改变结构受力模式， 不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等都会引起结构受力开裂。在使用阶段， 超出设计载荷的重型车辆过桥， 受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等也是导致混凝土开裂的一个原因。所谓二次应力（ 次应力） 裂缝， 是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。裂缝产生的主要原因是在设计外荷载作用下， 由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑， 从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。例如两铰拱桥拱脚设计时常釆用布置“ ” 形钢筋、同时削减该处断面尺寸的办法设计铰，理论计算该处不会存在弯矩， 但实际该铰仍然能够抗弯， 以至出现裂缝。桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等， 在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算， 一般根据经验设置受力钢筋。研究表明， 受力构件挖孔后，应力流将产生绕射现象， 在孔洞附近密集， 产生应力集中。另外， 截面刚度变化也是导致应力集中的一个原因， 在长跨预应力连续梁中， 经常在跨中根据截面内力分别需要截断钢束， 设置锚头， 在锚固断面附近经常可以看到裂缝。实际工程中， 次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因之一， 这种裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。虽然次应力裂缝也是由荷载引起， 但在设计过程通常不予考虑， 随着现代计算手段的不断完善， 次应力裂缝也是可以做到合理验算， 例如预应力混凝土的徐变等产生的二次应力目前均能比较精确地算出， 但在年前这样的计算却比较困难。为了避免应力集中， 设计时应注意避免结构突变（ 或断面突变） ， 当不能回避时， 应做局部处理， 如转角处做圆角， 突变处做成渐变过渡， 同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋， 对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。荷载裂缝依荷载不同而异呈现不同的分布特点， 这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。但必须指出， 如果受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝， 往往是结构达到承载力极限的标志， 是结构破坏的前兆。根据结构受力方式不同， 产生的裂缝特征如下：中心受拉构件的裂缝贯穿构件横截面， 间距大体相等， 且垂直受力方向，采用螺纹钢筋时， 裂缝之间出现位于钢筋附近的次裂缝。中心受压构件沿构件出现平行于受力方向的短而密的平行裂缝。中心受弯构件在弯矩最大截面附近从受拉区边沿开始出现与受拉方向垂直的裂缝， 并逐渐向中和轴方向发展。采用螺纹钢筋时， 裂缝间可见较短的次裂缝。当结构配筋较少时， 裂缝少而宽， 结构可能发生脆性破坏。大偏心受压和受拉区配筋较少的小偏心受压构件， 裂缝形式类似于受弯构件。小偏心受压和受拉区配筋较多的大偏心受压件， 裂缝形式类似于中心受压构件。受剪构件当箍筋太密时发生斜压破坏， 沿梁端腹部出现大于度方向的斜裂缝； 当箍筋适当时发生剪压破坏， 沿梁端中下部出现约度方向相互平行的斜裂缝。受扭构件一侧腹部先出现多条约度方向斜裂缝， 并向相邻面以螺旋方向展开。受冲切力作用的构件沿柱头板内四侧发生约度方向斜面拉裂， 形成冲切面。受局部受压的构件在局部受压区出现与压力方向大致平行的多条短裂缝。

收缩原因

在实际工程中， 混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中， 塑性收缩和缩水收缩（ 干缩） 是发生混凝土体积变形的主要原因， 另外还有自生收缩和碳化收缩。塑性收缩发生在施工过程中、混凝土浇筑后小时左右， 此时水泥水化反应激烈， 分子链逐渐形成， 出现泌水和水分急剧蒸发， 混凝土失水收缩， 同时骨料因自重下沉， 因此时混凝土尚未硬化， 称为塑性收缩。塑性收缩所产生量级很大， 可达左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡， 便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处如梁、箱梁腹板与顶底板交接处， 因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝。为减小混凝土塑性收缩， 施工时应控制水灰比，避免过长时间的搅拌， 下料不宜太快， 振捣要密实， 竖向变截面处宜分层浇筑。缩水收缩（ 干缩） 是在混凝土硬结以后， 随着表层水分逐步蒸发， 湿度逐步降低， 混凝土体积减小， 称为缩水收缩（ 干缩） 。因混凝土表层水分蒸发快， 内部损失慢， 因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩， 表面收缩变形受到内部混凝土的约束， 致使表面混凝土承受拉力， 当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时， 便产生收缩裂缝。混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。如配筋率较大的构件（ 超过钢筋对混凝土收缩的约束比较明显， 混凝土表面容易出现龟裂裂纹。自生收缩是混凝土在硬化过程中， 水泥与水发生水化反应， 这种收缩与外界湿度无关， 且可以是正的（ 即收缩， 如普通硅酸盐水泥混凝土） ， 也可以是负的（ 即膨胀， 如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土） 。碳化收缩是大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。碳化收缩只有在湿度左右才能发生， 且随二氧化碳的浓度的增加而加快。碳化收缩一般不做计算。混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝， 裂缝宽度较细， 且纵横交错， 成龟裂状， 形状没有任何规律。研究表明， 影响混凝土收缩裂缝的主要因素有：水泥品种、等级及水泥用量。矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土收缩性较高， 普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。另外水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越大， 则混凝土收缩越大， 且发生收缩时间越长。例如， 为了提高混凝土的强度， 施工时经常采用强行增加水泥用量的做法，结果收缩应力明显加大。骨料品种。骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低； 而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大、收缩性较高。另外骨料粒径大收缩小， 含水量大收缩越大。水灰比。用水量越大， 水灰比越高， 混凝土收缩越大。外加剂。外加剂保水性越好， 则混凝土收缩越小。养护方法。良好的养护可加速混凝土的水化反应， 获得较高的混凝土强度。养护时保持湿度越高、气温越低、养护时间越长， 则混凝土收缩越小。蒸汽养护方式比自然养护方式混凝土收缩要小。外界环境。大气中湿度小、空气干燥、温度高、风速大， 则混凝土水分蒸发快， 混凝土收缩越快。发快， 混凝土收缩越快。振捣方式及时间。机械振捣方式比手工捣固方式混凝土收缩性要小。振捣时间应根据机械性能决定， 一般以次为宜。时间太短， 振捣不密实，形成混凝土强度不足或不均匀； 时间太长， 造成分层， 粗骨料沉入底层， 细骨料。留在上层， 强度不均匀， 上层易发生收缩裂缝。对于温度和收缩引起的裂缝， 增配构造钢筋可明显提高混凝土的抗裂性， 尤其是薄壁结构 壁厚构造上配筋宜优先采用小直径钢筋小间距布置全截面构造配筋率不宜低于一般可采用。