桥梁结构的常见裂缝及其形成原因分析

1、桥梁结构的常见裂缝及其形成原因分析 jack,第一部分 裂缝产生的原因 第二部分 构件在弯、剪、扭作用下产生的裂缝 第三部分 简支梁桥和连续梁桥常见裂缝,依据裂缝产生的原因，常见裂缝可分为荷载引起的裂缝、温度变化引起的裂缝、收缩引起的裂缝、地基基础变形引起的裂缝、钢筋锈蚀引起的裂缝、冻胀引起的裂缝、施工引起的裂缝等七大类。 荷载引起的裂缝 混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称为荷载裂缝，归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝，次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。 荷载裂缝特征依荷载不同而呈现不同的特点。这类裂缝多出现在受拉

2、区、受剪区或振动严重部位。根据结构不同受力方式，产生的裂缝特征如下：,中心受压 沿构件出现平行于受力方向的短而密的平行裂缝。该类型裂缝多出现在桥墩为独柱或双柱结构的桥梁墩柱柱身上，如图所示。 当荷载较大时，由于混凝土塑性变形的发展，压缩变形增加的速度快于荷载增长速度； 纵筋配筋率越小，这个现象越为明显。同时，在相同荷载增量下，由于钢材的弹性 模量大于混凝土的弹性模量，因此钢筋的压应力比混凝土的压应力增加得快。由于纵 向压力的作用，促使柱的轴向缩短而侧向发生膨胀，而在柱的表面形成环向拉力。随 着荷载的增加，环向拉力逐步增大，致使混凝土表面开始出现微细的平行于纵轴的裂 缝。当接近并达到破坏荷载时，

3、柱四周出现明显的纵向裂缝，箍筋间的纵筋也会发 生压屈，向外凸出，混凝土被压碎，柱子即告破坏。 受弯 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。,受剪 主筋及抗剪切筋设置不足，当箍筋太密时发生斜向破坏，沿梁端腹部出现大约 45方向的斜裂缝。 总之，由于设计阶段钢筋设计偏少或布置错误、结构刚度不够等将导致荷载引起的裂缝，另外，在使用阶段，超过设计荷载的重型车辆过桥、车辆撞击，发生洪水、滑坡、地震等自然灾害也将导致荷载引起的裂缝。,温度变化引起的裂缝 混凝土具有热胀冷缩

4、的性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢，温度裂缝容易发生在大体积混凝土结构中，如：桥墩、台，桥面铺装等部位，有时也和其他影响因素共同作用，引起混凝土裂缝。,收缩引起的裂缝 混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。收缩裂缝对构件承载力影响不大，主要影响影响结构外观和耐久性。收缩裂缝大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。,地基基础变形引起的裂缝 当地基发生不均匀沉降时，会引起构件的约束变形，使结构内部拉应力发生变

5、化，而一旦结构内部拉应力超过自身的抗拉强度时，在结构的薄弱部位就会产生沉降裂缝。建造在山区沟谷的桥梁，河沟处的地质与山坡处的地质条件差异较大，河沟中甚至存在软弱地基，地基土由于不同压缩性引起不均匀沉降。,钢筋锈蚀引起的裂缝 这种裂缝伴随钢筋锈蚀发生。由于锈蚀，使得钢筋有效断面面积减小，钢筋与混凝土握裹力削弱，结构承载力下降，并将诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。,冻胀引起的裂缝 当大气温度低于零度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水转变成冰，体积膨胀 9，因而混凝土产生膨胀应力；同时混凝土凝胶孔中的过冷水在微观结构中迁移和重分布引起渗透压，使混凝土中膨胀力加大，混凝土强度降低，

6、并导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重，成龄后混凝土强度损失很大。,施工工艺质量引起的裂缝 在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。,小结： 对混凝土结构裂缝按主要成因进行分类，其意义在于，在日常桥梁养护工作中，通过观察混凝土裂缝表观特征，即可快速、准确判断裂缝类型以及对混凝土结构耐久性、承载力的影响，从而为制定裂缝处理方案提供可靠依据。,二.弯、剪、扭作用下产生的裂缝,受弯构件正截面处裂缝的产生 第I 阶段：整体（全截面）

7、工作阶段 此时梁的挠度与荷载成正比，应变沿截面高度呈直线分布（即符合平截面假定：构件弯曲后，其截面仍保持平面，混凝土和钢筋的应变沿截面高度符合线形分布），到第I阶段末期，此时在截面的受拉区混凝土即将开裂，混凝土基本上仍处于弹性工作阶段，其压应力分布基本上仍是三 角形。,第 阶段：带裂缝工作阶段 受拉区混凝土一旦开裂，正截面的受力过程便进入第 阶段，第一根垂直裂缝一般出现在纯弯曲段受拉边缘混凝土强度最弱的部位，如果荷载稍微增大，会在纯弯曲区将出现多条垂直裂缝，开裂的受拉区混凝土退出工作，拉力转由钢筋承担，钢筋应力突然增加。荷载继续增加，钢筋的应力和应变继续增加，裂缝逐渐开展，中性轴上升。受压区混

8、凝土应力和应变也不断增加，塑性表现越来越明显，应力图形变为较平缓的曲线形，第阶段可以作为计算裂缝宽度和变形依据。,第阶段：破坏阶段 随着荷载进一步增加，受拉区钢筋和受压区混凝土的应力、应变也不断增大。当裂缝截面中的钢筋拉应力达到屈服强度时，正截面的受力过程就进入第阶段。此时，裂缝截面处的钢筋在应力保持不变的情况下将产生明显的塑性伸长，从而使裂缝急剧开展，中性轴进一步上升，受压区高度迅速减小，压应力不断增大，直到受压区边缘纤维的压应变达到混凝土弯曲受压的的极限压应变时，受压区出现纵向水平裂缝，混凝土在不太长的范围内被压碎，导致截面破坏。截面破坏前的阶段成为第三阶段。,受弯构件斜截面处裂缝的产生

9、对于一般的受弯构件，在承受弯矩的同时，同时也伴随着剪力作用。在剪弯区，此时的主应力已经不与中性轴平行,纯扭构件斜截面的裂缝 弯梁桥和斜梁桥是高等公路和城市公路常用的桥梁。钢筋混凝土弯梁、斜梁，即使不考虑活荷载，仅在恒载作用下，梁的截面上除有弯矩M、剪力V外，还存在扭矩T，由于扭矩、弯矩、剪力的作用，构件的截面上将产生相应的主拉应力。当主拉应力超过混凝土的抗拉强度时，构件便会开裂，纯扭是研究弯扭构件受力的基础，先从纯扭构件开始介绍。,由材料力学知识可知，匀质弹性材料的矩形截面构件的剪应力分布图如图所示，截面长边中点的剪应力最大。根据力的平衡可知，主拉应力的方向与构件轴向成45度角。当主拉应力超过

10、混凝土的抗拉强度是，混凝土将在垂直于主拉应力的方向开裂，纯扭作用下，构件裂缝总是沿与构件纵轴成45度角方向发展。,在实际工程中，纯扭构件并不常见，较多出现的是弯矩、扭矩和剪力共同作用的构件。 对于弯扭共同作用的构件，当扭弯比较小时，弯矩起主导作用。裂缝首先在弯曲受拉区梁底面出现，然后发展到两个侧面。顶部的受扭斜裂缝受到抑制而出现较迟，也可能一直不出现。但底部的弯扭裂缝开展较大，当底部钢筋应力达到屈服强度时裂缝迅速展开。,当扭矩和剪力起控制作用，特别是扭剪比也较大时，裂缝首先在梁的某一竖向侧面出现，在该侧面由剪力与扭矩产生的拉应力方向一致，两者叠加后将加剧侧面裂缝的开展；而在另一侧面，由于上述两

11、者主拉应力方向相反，将抑制裂缝的开展，甚至不出现裂缝，这就造成一侧面受拉、另一侧面受的破坏形态。,简支梁桥和连续梁桥常见裂缝,钢筋混凝土及预应力混凝土简支梁桥常见裂缝 钢筋混凝土及预应力混凝土简支梁是所有运营中桥梁数量最多的梁桥，其断面形式常有T形、字形、箱形和各种形式的组合。钢筋混凝土简支梁的跨径一般在1020米，预应力混凝土简支梁跨径一般在16-50米，少量有更大的。 钢筋混凝土简支梁桥 网状裂缝 此种裂缝能发生在各种跨度的梁上，裂缝比较细小，宽度约 0.030.05mm，用手触及有凸起感觉，其多为砼收缩所引起的表面龟裂，也即当砼表层水分损失快，内部损失慢，产生表面收缩大，内部收缩小的不均

12、匀收缩，表面收缩变形受到内部砼的约束，致使表面砼承受拉力，当表面砼承受的拉力超过其抗拉强度时，产生龟裂，进一步致使网状裂缝出现。,腹板上是竖向裂缝 该裂缝为最常见也较为严重的一种裂缝。多位于薄腹板的中部，中间宽两头细，未向上、向下延伸，多系混凝土养护差、或温度、或腹板上的水平筋太少等原因所致的收缩裂缝，主要影响结构的耐久性。 沿翼缘板接缝处的纵向裂缝 较多发生在预制装配T梁桥翼缘采用铰接或横向联系受损较大的装配式简支梁桥。此种病害会造成恶性循环，经过长期运营,钢板的焊接断裂,造成T梁均为单片梁承重,而不是作为一个整体并通过横向分配承重。,腹板上是斜向裂缝 是钢筋砼梁中出现最多的一种裂缝，且多在

13、跨中两侧，离跨中越远倾斜角越大，反之越小，倾斜角在 45附近，第一道裂缝多出现在距支座0.5 1.0m 处，裂缝宽度一般在0.03mm 以下，该种裂缝的产生多为设计上的缺陷，即主拉应力较计算大，使得砼不能负担而导致裂缝产生，而施工不良又会加快裂缝的产生和发展。,简支梁跨中梁底竖向裂缝及支承端附近腹板斜裂缝,梁侧水平裂缝 该种裂缝因施工不当引起，如分层灌筑时，间隔的时间太长等。 梁底纵向裂缝 该种裂缝多因砼保护层过薄或渗入氯盐等速凝剂导致钢筋锈蚀所致。 预应力混凝土简支梁 预应力混凝土简支梁不同于钢筋混凝土简支梁的其他常见裂缝： （1）张拉锚具的锚下纵向裂缝，长度一般不超过梁高，主要为锚下局部应

14、力集中产生的劈裂拉力所致； （2）沿预应力钢束的纵向裂缝，主要为预应力钢束保护层过薄，钢束处局部应力过大产生劈裂或是混凝土保护层碳化后预应力筋生锈所致； （3）跨中下挠过大超过规范容许值，跨中截面不一定开裂。主要为施加预应力不足或预应力损失过大所致。,连续梁桥常见裂缝 1.顶板裂缝 顶板横向裂缝：顶板横向裂缝是比较少见的,造成顶板横向裂缝的原因可能有以下几个原因: (1)在箱梁负弯矩峰值附近,由于弯曲应力过大会导致横向裂缝。箱梁负弯矩区的顶板裂缝开裂后由于内力重分布,应有减少的趋势。 (2)箱梁高度方向的日照温度梯度,设计考虑不慎,降温时可能在顶板产生横向裂缝。 顶板纵向裂缝：顶板纵向裂缝一般

15、出现在跨中合拢段,接近支点的区域, 也有全跨均出现纵向裂缝的情况，一些常见的致裂原因如下： (1)合拢段顶底板纵向裂缝,沿合拢段顶底板薄弱部位通长分布,拆模后即发现存在。主要是由于温度及收缩作用引起。通常浇注合拢段是在凌晨较低温时进行,如果日温差过大,且合拢段劲性骨架刚度不强,两端悬臂梁段的升温伸长会挤压合拢段混凝土,使横桥向受拉，另外,合拢段混凝土的早期横向收缩受到悬臂端梁段的约束,在与悬臂端梁段的结合面,合拢段混凝土横桥向受拉。当横桥向拉应力高于缓慢提高的混凝土抗拉强度,则沿纵桥向产生裂缝。,(2)由于顶板没有设置横向预应力筋产生的纵向裂缝。 (3)由于顶板横向弯矩主要受活载影响,超载很容

16、易导致纵向裂缝。 (4)箱梁内外温度变化不同,由于内外温差,产生次应力也会导致开裂。 (5)设计过大的纵向预应力,其造成横向拉应力超过混凝土的抗拉强度。,2.腹板裂缝 腹板裂缝根据其产生形态可分为斜向裂缝、水平裂缝、竖向裂缝和腹板沿束裂缝四种。 腹板斜向裂缝： 腹板斜裂缝属结构性裂缝,主要分布于距支座L/4(L为跨度)附近的腹板,边跨梁端腹板区域,约呈45角分布,主要有弯剪斜裂缝和腹剪斜裂缝两种。箱梁腹板的抗剪能力由混凝士和钢筋提供,主要包括混凝土本身的抗剪能力,纵向弯起预应力提供的正应力,竖向预应力钢筋提供的竖向正应力,开裂后沿斜裂缝的混凝土骨料的咬合作用,纵筋的销栓力,箍筋和弯起钢筋的抗剪

17、力。前3者为防止腹板开裂的主要因素，后4部分的作用则对开裂后裂缝的宽度和扩展起控制作用。产生腹板斜裂缝的一些原因包括： (1)腹剪斜裂缝的主要开裂原因多认为支座附近剪力过大,腹板厚度偏薄抗剪能力不足,以及主拉应力方向抗裂安全度不够或计算方法有缺陷。,(2)在梁高较低的边跨不采用梁端布设弯起束的方式抗剪,而是过分依赖纵向和竖向预应力来控制主拉应力,实践中往往由于竖向预应力钢筋不长,过大的竖向预应力损失而造成边跨腹板大量斜裂缝。 (3)悬臂施工中混凝土浇注顺序不当,由里向外浇注,造成弯曲裂缝的产生,使受剪面减小,剪应力急剧增大,进而造成主拉应力超过材料抗拉强度。 腹板水平裂缝 腹板水平裂缝多见于主

18、跨L/4-3L/8之间的腹板,出现的原因主要是：主要由箱梁横向弯曲空间效应与内外温差应腹板内侧或外侧产生较大的竖向应力、箱梁横向刚度不足，畸变应力影响，竖向预应力不足等原因引起；,腹板竖向裂缝 腹板的竖向裂缝有多种形式,结构性的和非结构性的都有，其产生机理主要有以下几点: (l)腹板收缩裂缝多出现在箱梁的现浇施工中,由于模板对腹板的摩擦约束,使混凝土收缩受到阻碍,在脱模后2一3小时内,通常整个腹板会裂通,宽度0.2一0.4mm,施加纵向预应力后大多闭合。 (2)竖向拼接裂缝易见于各节段的拼接缝处,即腹板拼接缝开裂,通常伴随顶板或底板的横向开裂。 (3）竖向拉裂裂缝,通常由于混凝土箱梁的热胀冷缩

19、受到阻碍后,产生的混凝土拉裂裂缝，由于支座、伸缩缝受到阻碍不能正常工作,一旦温度变化,在边跨支座附近箱梁截面可能整个被拉开,裂缝间距为最小板厚的1一2倍。,腹板沿束裂缝 指沿腹板中布置的纵向预应力钢束开裂的裂缝,在工程中比较少见，大部分是因为施工时预应力筋位置移动,使保护层厚度达不到设计要求而产生的，在比较大的预应力束锚头处,混凝土的收缩也可导致这类裂缝。 3.底板裂缝 底板裂缝可分为横向裂缝、纵向裂缝和斜向裂缝三种。 底板横向裂缝 在箱梁正弯矩峰值附近,节段施工的梁桥沿接缝或在其附近,由于弯曲正应力引起的底板弯曲裂缝一般会贯穿底板全宽,严重时底板裂缝扩展延伸到腹板,形成U形裂缝，底板横向弯曲

20、裂缝属结构性裂缝,出现的一些原因包括： (1)预应力布设不当,跨中底板预应力储备不足或存在过大的拉应力。 (2)施工荷载超重,混凝土模板或支架变形。 (3)箱梁高度方向的日照温度梯度,考虑不慎,升温时可能在底板产生横向裂缝。 (4)预应力张拉不到位或运营中超重车辆过多或对二期恒载估计不足导致配筋或截面不足。,底板纵向裂缝 底板纵向裂缝在工程上常见子主跨中部,近墩处底板中部和两侧其产生的 一些原因主要归纳为以下几个方面： (1)箱梁的横向刚度不足,横向挠度过大会在底板引起纵向裂缝，这种情 况往往出现在宽跨比大的桥梁中。 (2)由于日照和环境温度,使箱梁内外产生温度差引起裂缝。 (3)支座横向布置错误,如常见的墩上设两个横向固定的支座,在荷载、温度、收缩条件下,导致纵向裂缝。 (4)合拢段由于对横向变形的控制往往不太注意,段内混凝土横向收缩比纵向要大,也易造成跨中底板的纵向裂缝。,底板斜向裂缝 底板斜向裂缝在工程中是比较少见的,推究其产生的机理,认为其产生的 主要原因可能有以下两种: (1)由箱梁扭转所