（道路与铁道工程专业论文）桥梁混凝土开裂理论及数值分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 桥梁混凝土裂缝问题是一个普遍存在而又难以解决的工程实际问题。对于 桥梁结构而言，混凝土裂缝是桥梁缺陷的集中表现，也是桥梁最常见的病害。 桥梁混凝土裂缝的研究对于结构整体质量有着十分重要的意义。裂缝是固体材 料中的某种不连续现象，裂缝与混凝土构件形影相伴。随着混凝土的继续应用、 混凝土品种的不断创新、混凝土适用范围的不断拓宽，混凝土裂缝理论和对于 混凝土裂缝的研究亦将不断深入、发展。 结合桥梁混凝土裂缝的现状，文中首先研究了混凝土裂缝的类型和产生裂 缝的原因，并探讨了不同类型裂缝的影响因素，同时详细论述了现有裂缝分析 理论的原理和各自的特点和区别，为实际工程中类似的情况提供了一定参考价 值。 在混凝土强度理论的基础上，对桥梁混凝土裂缝的出现、分布和开展情况 进行了研究，分析了其在不同荷载作用下的破坏形态和机理。 以云阳长江大桥塔柱斜拉索锚固区段为例，探讨了实际结构构件模拟中通 过空间有限元法进行分析的必要性，并利用a n s y s 结构分析软件建立分析模型， 对其进行结构抗裂性分析，同时详细介绍了利用该方法进行计算分析的过程。 通过对计算结果的分析研究，总结了其受力特点、应力分布情况和抗裂性能。 在对混凝土裂缝进行理论分析和实践验算的基础上，提出了混凝土的防裂 措旌，为今后桥梁病害的综合治理提供了技术前提和决策依据。 最后，对桥梁混凝土裂缝领域的发展趋势和深入工作的目标做了进一步的 探讨和展望。 关键词：混凝土裂缝，开裂理论，有限元分析，防护措施 武汉理 大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n c r e t ec r a c kp r o b l e mo fb r i d g ei sap r o j e c tp r a c t i c a lp r o b l e md i f f i c u l tt o s o l v ea n dg e n e r a l l ye x i s t i n g a st ob r i d g es t r u c t u r e ，t h ec o n c r e t ec r a c ki s c o n c e n t r a t i n gr e p r e s e n t a t i o no fb r i d g eb u g ，a n di ta l s oi st h em o s tf a m i l i a rd i s e a s eo f b r i d g e t h er e s e a r c ha b o u tt h ec o n c r e t ec r a c ko fb r i d g ei sv e r yi m p o r t a n tf o rt h e q u a l i t yo ft h et o t a ls t r u c t u r e t h ec r a c ki sac e r t a i nd i s c o n t i n u o u sp h e n o m e n o ni n s o l i dm a t e r i a l ，c r a c ka n dc o n c r e t ea r ea l w a y sc o m eo u ts i m u l t a n e i t y a c c o m p a n y i n g w i t ht h ec o n c r e t ec o n t i n u o u s l ya p p l i e d ，c o n c r e t ec a t e g o r yc o n t i n u o u s l yc r e a t i v e ，a n d t h ec o n c r e t ea p p l i c a t i o nb e i n gw i d e l yu s e d ，t h er e s e a r c ha b o u tc r a c kh a si t sc o n s t a n t t h o r o u g ha n dd e v e l o p m e n t a tf i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h ek i n d so fc r a c ka n dt h er e a s o nw h yt h e c r a c kp r o d u c e sc o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a l i t yo ft h ec o n c r e t ec r a c ko fb r i d g ea n d d i s c u s s e dt h ee f f e c t i n gf a c t o r so fd i f f e r e n tk i n d so fc r a c k ，a tt h es a r l l et i m e ，t h e d i s s e r t a t i o nd i s s e r t a t e dm i n u t e l yt h ep r i n c i p l eo ft h ec u r r e n tc r a c ka n a l y z i n gt h e o r i e s a n dt h ec h a r a c t e ra n dd i f f e r e n c eo fe a c h ，w h i c ho f f e r e dac e r t a i nc o n s u l t i n gv a l u ef o r s i m i l a ri n s t a n c ei np r a c t i c ee n g i n e e r i n g t h ed i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e dt h ed e t a i l e dp r o c e s so fa p p e a r i n g ，d i s t r i b u t i n ga n d d e v e l o p i n go fc r a c ka n dc o n c l u d e dt h ep r e s u m a b l ed e s t r o ys h a p ea n dm e c h a n i s m u n d e ra l lk i n d so f b e a r i n gb a s e do ni n t e n t i o nt h e o r yo f c o n c r e t e 。 t h ed i s s e r t a t i o np r o b e di n t ot h ei m p o r t a n c eo fu s i n gs p a c i a lf i n i t ee l e m e n t m e t h o dt oa n a l y z et h ep r a c t i c ec o n f i g u r a t i o nc o m p o n e n t ，t h e nt h ed i s s e r t a t i o n c o n s t i t u t e da n a l y z i n gm o d e lu s i n gt h es t r u c t u r ea n a l y z i n gs o r w a r e - 一a f l s y s ，a n d a n a l y z e dt h es t r u c t u r a la n t i c r a z i n g ，a n di n t r o d u c e dt h ed e t a i l e dp r o c e s so fc o m p u t i n g a n da n a l y z i n gu s i n gt h em e t h o dm e a n t i m e t h ed i s s e r t a t i o nc o n c l u d e dt h ec h a r a c t e r o fb e a r i n g ，t h ec a s eo fs t r e s sd i s t r i b u t i n ga n da n t i c r a z i n gc a p a b i l i t yv i at h er e s e a r c h a b o u tt h er e s u l to f c o m p u t i n g t h ed i s s e r t a t i o np u tf o r w a r dt h ea n t i c r a z i n gm e a s u r eo ft h ec o n c r e t ec r a c k b a s e do nt h ea n a l y z i n go fm e c h a n i c a la n a l y z ea n dp r a c t i c ec h e c k i n gc o m p u t a t i o n s ， w h i c hp r o v i d e dt h ef a t h e r i n go ft h ef o l l o w i n gb r i d g eb u gw i t ht e c h n i q u ep r e m i s ea n d d e c i s i o n m a k i n g i i 武汉理工大学硕士学位论文 a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ef i e l do fb r i d g e c o n c r e t ec r a c ka n db r o u g h tf o r w a r dt h ep r o s p e c to ft h ew o r l ：t a r g e tw h i c ht ob ed o n e a _ f t e r t i m e k e y w o r d ：t h ec o n c r e t ec r a c k ，t h et h e o r yo fc r a z i n g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y z i n g ， d e f e n d i n gm e a s u r e i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 桥梁混凝土裂缝研究的实用价值与理论意义 普通混凝土是以水泥为胶结材料，以天然砂、石为骨料加水拌合，经过浇 筑成形，凝结硬化形成的固体材料。混凝土因其取材广泛，价格低廉，抗压强度 高，可浇筑成各种形状，并且耐火性好，不易风化，养护费用低，已成为当今世界 建筑结构中使用最广泛的建筑材料之一。随着混凝土被推广应用于各种工程， 产生了许多问题，也给工程界提出了新的挑战。 人们常说，工程质量高于一切。工程质量的优劣不仅影响建筑物的使用年 限，也影响企业的社会信誉、竞争能力和经济效益。对于应用最广的混凝土的质 量问题。自然在工程质量中占据着十分重要的地位。同时，混凝土的质量问题也 应得到相应的重视。 裂缝是固体材料中的某种不连续现象。裂缝与混凝土构件形影相伴，提到 混凝土的质量问题，首先就会想到混凝土裂缝。对于桥梁结构而言，桥梁混凝 土裂缝是桥梁缺陷的集中表现，也是桥梁结构最常见的病害。桥梁混凝土裂缝 的研究对于结构整体质量有着十分重要的意义。在桥梁结构的施工和营运过程 中，桥梁混凝土常常会出现各种不同形式的裂缝。由混凝土构筑而成的桥梁结 构物，由于混凝土材料的抗拉能力弱，稍稍受拉就可能会产生裂缝。因而，对 于混凝土结构来说，产生裂缝几乎是不可避免的。从近代强度理论的发展中可 以看到，裂缝的扩展是结构破坏的初始阶段，应该引起高度的重视。 桥梁混凝土的裂缝问题是一个普遍的技术问题。虽然有些裂缝没有达到使 桥梁倒塌的地步，但是裂缝的出现会使结构物外观破损，加速渗漏，力筋腐蚀， 持久强度降低，等等，这就直接影响了桥梁结构的安全性、实用性和耐久性。 由于裂缝的影响而降低结构的承载力，在桥梁实践中也是很常见的事情。所以 应该对桥梁混凝土裂缝进行研究，分析其形成原因，以便对症下药，从根本上 入手规范各个环节，减少裂缝的产生，并为裂缝的防止和修复提供依据；评 定混凝土的抗裂能力，可为防止裂缝提供技术依据，从而达到防患于未然的且 武汉理工大学硕士学位论文 的。 从理论方面来看，混凝土裂缝的理论尚不完善，还有很多方面有待于研究， 因此有必要对混凝土裂缝做新的尝试性研究，以完善裂缝理论，为今后桥梁设 计、施工、养护和避免裂缝的产生而提供理论依据。 1 2 国内外桥梁混凝土裂缝的研究动态 国际上很多著名机构，如美国a c l 2 2 4 委员会、英国c & c a ，德国d i n ， 欧洲c e b 、c e b f i p 等，都有专门从事混凝土裂缝研究的机构，并取得了相当 丰富的研究成果。 国内外对桥梁混凝土裂缝的产生机理、裂缝行为特性的描述及对混凝土结 构中裂缝的准确模拟等的研究已有较长的历史。但由于混凝土裂缝的理论尚不 完善，混凝土裂缝的研究仍然是极为活跃的探讨领域。 长期以来，混凝土的力学性能一直是科学技术界极为关心的课题。人们为 了避免陷入微观、细观结构的麻烦，而将混凝土视为宏观的均质各向同性材料【i j 。 对混凝土变形、失效机理研究开展得比较早的工作，是将金属材料、泥土等弹 塑性、牯弹塑性材料等概念运用于混凝土力学性能研究之中，认为混凝土将会 以剪切模式失效。因为一般晶态固体的塑性变形，表现为结晶面之间的相对滑 移。而混凝土水泥砂浆体的主要成分c s h 凝胶是一种结晶不完整的蜂窝形态或 错综复杂的网状结构，其次是c a ( o h ) 2 成分，结晶虽好僵形状复杂，这些微观组 成不利于在材料里形成晶体面之间的相对滑移。此外，在结构组织方面，混凝 土在材料成型之时，常存在内部微孔隙、微裂纹，在外荷载及环境因素作用下， 材料原有缺陷发展的同时又出现新的裂缝。新旧微裂缝扩展，使材料内出现宏 观裂纹，宏观裂纹失稳扩展导致材料破坏，也可能在宏观裂纹形成之前即出现 材料失稳崩溃。因此，混凝土屡见于错位、滑移而出现的脆性破坏。 对于桥梁混凝土裂缝的计算，自2 0 世纪3 0 年代以来，各国学者就作了大 量的研究工作，提出了多种计算理论1 2 。从目前的裂缝计算模式上来看，主要 有三类，即：粘结滑移理论( s a l i g a r ) 、无滑移理论( b a s e ) 、基于试验的统计 公式。但至今对于裂缝的计算理论并未取得一致的看法。不同的观点反映在各 国关于裂缝宽度计算公式有较大的差别，有的计算出来的结果甚至相差好几倍。 除上述理论之外，断裂力学理论也受到了研究者的重视。 2 武汉理： 大学硕士学位论文 有滑移理论是由英国的s a l i g a r 在1 9 3 6 年提出的“3 ，他认为钢筋的应力是 通过钢筋与混凝土之间的粘结力传递给混凝土的。由于钢筋和混凝土之间产生 相对滑移，变形不再一致而导致裂缝开裂。 无滑移理论是瑞典的b r o m s 和b a s e 于2 0 世纪6 0 年代提出的1 5 】，他们假定 沿钢筋的水平面上钢筋与混凝土之间不存在相对滑移，裂缝处的宽度应该为零， 裂缝主要是由于钢筋周围的混凝土的变形引起的。这样，裂缝开展的外形呈楔 形，在混凝土边沿上裂缝最宽，裂缝的最大宽度与混凝土保护层厚度、构件表 面裂缝间的平均应变成正比。 由于有滑移理论和无滑移理论均不能全面反映裂缝机理的全部本质，所以 很多人根据试验修正提出了半经验半理论的公式，其中以g r e r g e l y 和l u t z 的统 计方法最具有代表性，他们对6 组不同的研究者所进行的6 1 2 个底面裂缝宽度 和3 5 5 个侧面裂缝宽度的实测数据进行了统计分析，给出了梁底宽度的半经验 半理论公式【6 1 。 k a p l a n 于1 9 6 3 年著文将金属断裂力学理论用于混凝土断裂分析之中1 ，之 后大量的研究揭示出混凝土a n 金属断裂之间的许多不同情况。如混凝土裂纹尖 端有较大范围的破碎区，需要大尺寸的混凝土试件进行断裂试验；混凝士的断 裂韧性k i c 有很大的尺寸效应等。1 9 8 6 年，y j e n g ，s p s h a h 指出，混凝土在荷 载逐渐增大的同时，原裂纹将出现缓慢非线性扩展，到荷载达到临界值时，才 出现失稳扩展【8 】，故应将原裂纹长度加上非线性扩展的长度，连同临界荷载，应 用线弹性断裂力学的公式计算k i c ，这样得到的才是混凝土材料的断裂韧性共称 之为k 暑；缓慢扩展的裂纹段长度要通过裂纹嘴或裂纹尖端的张开量c m o d 、 c t o d 配合定出，而判断实际裂纹是否会失稳破坏，要依靠两个参数即k , s 和 c t o d 的临界值c t o d c 。此外，对于混凝土裂纹扩展或断裂分析的研究，还有 a h i l l e r b o r g 等在1 9 7 6 年根据混凝土试件拉伸荷载下出现的应变软化现象而提 出的粘合裂纹模型，认为裂纹沿一个面拉开时，随拉开量不同而有不同大小的 抗拉开力作用于拉开面上，拉开面与抗拉开力大小之间的关系取决于混凝土软 化曲线【9 1 。另有所谓裂纹带模型，认为混凝土软化出自材料内部损伤，假设损伤 范围出现在材料一定宽度的带内，其中认为裂带内将出现一系列单向定向裂纹 的，称为单向定向裂纹带模型( r o t s ，1 9 8 8 ) d o i ；认为裂带内有几个定向裂纹的， 称为多向定向裂纹模型( d e b o r s r ，r n a u t a ，1 9 8 5 ；d e b o r s t ，r n a u t a ，1 9 8 7 ) ；认为裂带内出现若干微裂纹面的，称为微裂纹面模型( b a z a n t ，r r a t ，1 9 8 8 ； 武汉理上大学硕士学位论文 o z b o l t ，b a z a n t ，1 9 9 2 ；m p e t r a n g l i ，j o z b o l t ，1 9 9 6 ) 1 2 1 。因经典断裂力学只适 应于构件具有一个宏观裂纹或者虽有多个宏观裂纹，但其中只有一个起主导作 用的情况，如果构件没有这样一个宏观裂纹，断裂力学就无法判断材料的破坏。 而前述的粘合裂纹模型、裂纹带模型，则可用于原先没有宏观裂纹的情况。只 要材料内一点的拉应力强度超过极限值石，就认为这里出现开裂，而后荷载增加 时，裂纹逐渐扩展而至断裂。此外，这些方法都不涉及裂纹尖端的奇异性，从 而给有限元计算带来方便。 近年来，结构混凝土的非线性分析变得日益重要。就基于有限元法的计算 机程序发展现状而言，对钢筋混凝土材料的不恰当模拟常常是限制结构分析潜 能的主要因素之一。这是因为钢筋混凝土具有非常复杂的性质，包括诸如非弹 性、开裂、时间效应以及混凝土与钢筋之间的相互作用效应。在加载各阶段， 未开裂和已开裂混凝土材料模型的发展在钢筋混凝土结构非线性分析中是一个 特别具有挑战性的领域。 自从1 9 6 7 年n g o 与s c o r d e l i s 率先涉足有限元分析的开裂模型这一领域以 来，有限元方法被广泛应用于混凝土结构的分析 ”1 。在混凝土裂缝的研究过程 中发展了两种不同的模型，即离散开裂模型和模糊开裂模型。离散开裂模型通 过相邻单元节点位移的不连续来模拟裂缝，这是一种直接方法，该方法的明显 困难在于裂缝的位置与方向无法事先确定，从而不可避免地要对预先选定的有 限元网格加以集合限制。重新定义单元节点能在一定程度上修正此方法，然而 这种技巧复杂且费时。此外，在有艰元分析中节点的应力准确性相对较差，这 与离散开裂方法的基本概念不很相符。以上问题使得离散开裂模型在混凝土结 构有限元分析中的应用受到很大的限制。模糊开裂模型把裂缝视为连续水平上 的分布裂缝。为此，在有限元内部的一些分区布满了裂缝。尽管弹性稹量减小， 但开裂的混凝土仍保持其连续性。这种方法无需事先知道裂缝的方向，也不需 要改变单元网格的布置，因而处理此类模型较为容易。另外，高斯积分点处用 于计算刚度矩阵的应力状态更为精确，对等参元单元尤其如此，这表明使用该 模型能更可靠地查明裂缝。所以，这一方法在工程实践上得到了广泛的应用。 在对混凝土裂缝扩展的研究中，与模糊开裂模型紧密结合的非线性断裂力 学发挥了关键作用【14 1 。模糊开裂模型最简单的方法之是在探测裂缝时使最大 主应力方向的强度突然降为零。由抗拉强度控制的破坏准则经常采用这一方法。 然而，在此方法中，随着有限单元的变小，裂缝前端单元的拉应力增大，因此 4 武汉理工人学硕士学位论文 裂缝在较小的外加荷载下继续发展，结果会导致表面裂缝的扩展和对有限单元 尺寸的伪依赖型，从而在结构分析时会产生不合实际的结果。线弹性断裂力学 原理的运用能消除这种对有限单元尺寸选择的表面相关性。学者b a z a n t 和 c e d o l i n 还将能量准则取代强度准则广泛应用于断裂力学领域【1 5 】。但是，线弹性 断裂理论对混凝土的适用性却是个有争议的问题。近年来，一般认为线弹性断 裂力学仅适用于大型混凝土结构，而非线性断裂力学在工程实践中更适用。 模糊开裂模型发展中尚未解决的主要问题是确定由原状区和开裂区两相组 成的有限单元分区的平均材料性质。为此，裂缝带理论把裂缝宽度与单元宽度 取相同值。另外，复合材料损伤模型采用了等效匀质单元，这样，垂直于裂缝 方向的位移与二相复合单元的位移相等。这些模型主要用于正方形及矩形区域 的分析，此类区域中裂缝表现出线性软化性能。 时至今日，虽然随着计算机和结构力学的不断发展，对于桥梁混凝土裂缝 理论的研究已经取得了很大的成绩，裂缝的计算模式得到了相应的改进，但裂 缝理论仍不够完善，还有很多内容有待于进一步的研究，该领域中依然有很多 值得研究者们努力的课题。 1 3 论文的主要研究内容 影响混凝土开裂的因素很多，而混凝土裂缝的成因也很复杂。为提高工程质 量，防止裂缝的产生，本论文主要开展裂缝成因分析( 包括理论方面的和实践方 面的) 和裂缝防止措施的研究。这项工作包括如下5 个方面： ( 1 ) 系统阐述在施工中可能会出现的各种裂缝，介绍混凝土的各种分类方 法，并对各种裂缝的形成原因进行分析。 ( 2 ) 从力学的角度对混凝土的开裂原因进行分析，并研究构件在各种受力 状态下开裂的原因和方式。 ( 3 ) 在理论分析的基础上，以云阳长江大桥为例，按照设计所提供的参数， 对可能出现裂缝的斜拉桥索塔塔柱锚固区段进行空间有限元分析，判别是否满 足抗裂性要求。 ( 4 ) 论文总结理论和实践两方面的因素，为桥梁混凝土裂缝提出了相应的 防护措腌，以防止裂缝的产生，保证工程质量。 ( 5 ) 最后，对本论文工作一个基本总结，也对后续工作做展望与建议。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混凝土裂缝类型与产生原因 混凝土是一种非均质的复杂多相混相材料，在其微观结构相组成之间主要 的结合力是范德华力，因此其抗拉强度远远低于抗压强度【i 。当混凝土内部产 生的拉应力超过其抗拉强度时，就会产生裂缝。混凝土结构裂缝的成因复杂而 繁多。如混凝土由外荷载作用( 包括动载和静载) 会引起裂缝；由变形( 包括温度、 不均匀沉降) 会引起裂缝。由施工操作不当( 制作、脱模、养护、堆放、运输、 吊装) 会引起裂缝；设计不当也会引起裂缝。据初步研究，裂缝的类型主要有结 构性裂缝( 受力裂缝) 和非结构性裂缝两大类。 由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝( 又称为受力裂缝) 。混凝土自身应 力形成的裂缝是非结构性裂缝。结构性裂缝和非结构性裂缝有明显的区别，危 害效果也不相同，有时两类裂缝融在一起。调查资料表明，在两类裂缝中以变 形引起的裂缝占主导的约占8 0 ；以荷载引起的裂缝占主导的约占2 0 。对裂缝 类型和产生原因进行综合分析，可为裂缝的危害性评定及裂缝修复提供依据， 确定裂缝修补和加固的方案，可有效避免潜藏、突发性事故的发生。 2 1 结构性裂缝( 受力裂缝) 由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝，也称为受力裂缝，其裂缝的分布 及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示着结构承载力可能不足或存在其 他严重问题。有些结构性裂缝是由设计缺陷和施工方法不当造成的。 混凝土桥梁在常规静荷载、动荷载以及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝。 实际工程中，结构性裂缝多为荷载裂缝。从产生根源上来看，荷载可分为：荷 载和交位、成桥内力、温度变化、材料时效( 例如收缩和徐变) 、先天和后天 的截面削弱( 如混凝土截面和配筋不足，或外界因素造成的破损) 、化学( 物 理) 作用( 钢筋锈蚀，预应力筋和锚头锈蚀，混凝土老化，酸碱腐蚀等等) 。 荷载裂缝主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种f j 7 】【l 。 直接应力裂缝是指由外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因 有： 6 武汉理工人学硕士学位论文 1 、设计计算阶段，计算模型不合理；结构受力假设与实际受力不符；荷载 少算或漏算；内力与配筋计算错误；结构安全系数不够。结构设计时不考虑施 工的可能性：设计断面不足；钢筋设置偏少或布置错误：结构刚度不足；构造 处理不当；设计图纸交代不清等。 2 、施工阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构受力特点， 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。 3 、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。 次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有： 1 、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 计算时没有考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。 2 、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，在受力构件 中挖孔后，力流将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。例 如，在斜拉桥的锚固区段附近经常可以看到裂缝。若处理不当，在结构的转角 处或构件形状突变处、受力钢筋截断处也容易出现裂缝。 实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝最常见原因。在超静定结构中基础 竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构物中产生附加应力，若超过钢筋混凝 土结构物的抗拉能力，则导致结构开裂。基础不均匀沉降引起的上部结构的裂 缝，实质上属于结构性裂缝范畴，裂缝的分布、宽度、结构形式与基础不均沉 降情况等多种因素有关。这种裂缝对结构安全性影响很大，应在基础不均匀沉 降停止或采用加固地基方法消除沉降后，才能进行上部结构的裂缝处理。 荷载裂缝的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，其原因往往 是截面尺寸偏小。 根据结构不同受力方式，产生裂缝的特征也不同。具体来说，结构性裂缝 有如下几类：弯曲裂缝、剪切裂缝、局部承压引起的裂缝、拼接缝、差动瞄”。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 弯曲裂缝 在混凝土梁上施加弯矩时，将产生弯曲裂缝。弯曲裂缝也称垂直裂缝。对受 弯构件和压弯构件来说，弯曲裂缝首先出现在弯矩最大的截面的混凝土受拉区。 梁板结构的正弯矩裂缝一般位于跨中，从底边开始向上发展，负弯矩裂缝位于 连续梁扳或悬臂梁板的支座附近，自上向下发展。随着荷载的增大，裂缝宽度 增大，长度延伸，裂缝数增多，裂缝区域逐渐向两侧发展【2 2 】。 弯曲裂缝的特征【2 1j ： ( 1 ) 弯曲裂缝一般发生在正、负弯矩的峰值附近，裂缝都是从最大拉力边 缘沿着拉应力的法向直线延伸。 ( 2 ) 箱梁正弯矩引起的底板裂缝，一般贯穿底板全宽( 不一定是通缝) ， 甚至延伸至腹板；箱梁负弯矩引起顶板裂缝，由于弯矩重分布而有减小的趋势。 ( 3 ) 节段施工的桥梁，弯曲裂缝一般沿着接缝或靠近接缝。裂缝宽度可达 0 1 o 2 m m ；严重者，在外荷载作用下，裂缝可扩大到3 l o m m 。 ( 4 ) 靠近支座的弯曲裂缝尾部逐渐倾斜，表明裂缝是由弯拉和剪切两种因 素造成的。 弯曲裂缝产生的原园有如下几种： ( 1 ) 由设计导致的先天裂缝：比如：配筋不足，混凝土截面不足；对温度 的药载估计不足如时间温度差、 ( 梁体) 部位温度差；对预应力损失估计不足 如摩阻、压缩、松弛；预应力布置不当，如截面预应力空隙；对二期恒载估计 不足。 ( 2 ) 旌工导致的原生裂缝： 施工荷载超过设计允许值，例如，悬臂施工的挂篮超重：施工中有超重施工 车辆在桥上行驶。 混凝土模板或支架变形，例如，胀模引起超重，桥面板不平整导致铺装层超 厚，缩模导致截面尺寸不足。 预应力不当，例如，管道变形或漏浆导致摩阻力增加，管道偏位导致预应力 矩变化，随意增加连接器使其过分集中而削弱混凝土截面，连接器移动不畅， 张拉设备故障或计量不准，锚具未检验。 施工程序不当诱发裂缝，例如差动裂缝削弱截面导致弯拉强度不足。 8 武汉理+ 大学硕七学位论文 ( 3 ) 运营期间的后天裂缝：超重车辆过重、过多；墩台不均匀沉陷；老化。 2 1 2 剪切裂缝 剪切裂缝也称斜裂缝，首先发生在剪应力最大的部位。对于受弯构件和压 弯构件，往往发生在支座附近，由下部开始，沿着与轴线呈2 5 。一5 0 0 左右的角 度裂开。随着荷载的增大，裂缝长度将不断增长并向受压区发展，裂缝数不断 增多并分岔，裂缝区也逐渐向跨中方向扩大。 剪切裂缝一旦出现，就应加强观察。如果裂缝发展缓慢并限制在受拉区， 还是允许的，但如果裂缝不断发展或者裂缝已接近受压区，则不论其宽度和挠 度如何都应及时给予必要的加固处理。 斜裂缝产生原因主要有三个方面： ( 1 ) 由于弯曲裂缝的存在，改变了截面的剪应力分布，是剪切裂缝产生的 一个重要原因。 ( 2 ) 设计原因 设计中只注意正应力的计算，忽视了剪应力的计算，仅仅按经验配置受剪 的箍筋和斜荔。 设计中过分依赖腹板竖向预应力钢筋( 蹬筋) 。 ( 3 ) 施工原因 弯起预应力筋错位，竖向预应力筋失效，张拉顺序错误，均有可能产生剪 切裂缝。 2 1 3 局部承压及伴随的劈裂和崩裂 在一些局韶地方例如锚头部位，由于后张预应力锚固端承压力，先张预 应力端部摩擦力传递，这些部位的应力分布很复杂，常常伴随着劈拉应力，造 成锚固端部裂缝。 另外，弯起锚通常锚固在外凸楔形齿板上，这些部位抗裂钢筋设计或施工 撷置不当，会引起顶板、底板开裂，甚至以4 5 。角延伸到腹扳上。在设计和施工 诊断中必须予以足够的重视。 9 武汉理t 大学硕士学位论文 2 1 4 拼接缝的分离和扩展 大型混凝土桥梁很少采用整体浇筑法施工，绝大多数是纵向分段浇筑或分段 拼装而成，中小型桥梁也有采用纵向分段工艺施工的，这些纵向分段的接缝与 主受力方向垂直，如果产生裂缝将会直接影响横向荷载传递，也会间接降低桥 梁承载能力。 分段工艺有三种：干拼于接( 在两个预制节段之间用单键、复合键、粘合剂 传递剪力) 、干拼湿接( 在两个预制节段之间加设短湿接段，用自然啮合或单 键、复合键传递剪力) 、逐段湿接( 也称逐段浇筑，用自然啮合传递剪力) 。 干拼干接法由于短线预制养护不当，存在拼合缝，腌工时找平不到位，又未 及时发现，虽然有纵向预应力，拼合缝也很难密合，即使预应力使拼合缝减小 到肉眼不可见，缝两侧混凝土也有部分区域处于零应力状态或超应力状态。随 着混凝土的收缩和徐变，裂缝也将发展。 干拼湿接法在湿接缝收缩时，如果预制节段不能随动，必然开裂。所以只要 能保证钢筋连接操作和混凝土振捣成型，湿接缝不宜过宽。视箱体的大小，项、 底、腹扳的厚薄，连接钢筋的直径及预应力管道的密集程度而定。 逐段湿接法是长线工艺。由于先前浇筑段较长，变形约束较强，比短线工艺 拼合缝间隙小得多，很少发现拼合缝分离扩展。但是由于节段之间浇筑的时间 差，会导致差动裂缝。 2 1 5 差动 差动是一种常见而又常常被忽略的裂缝成因，往往是由于外部约束或内部 变形反应滞后造成的一种混凝土裂缝，例如： l 、在老基础( 或承台) 上浇筑长条混凝土，由于老基础的约束作用，新浇 混凝土产生收缩裂缝，有时分层浇筑的混凝土构件也会发现这种裂缝。 2 、连续台座上长期不拆模，由于模板约束了混凝土的收缩和温差变化，会 导致普通钢筋混凝土梁和未及时张拉的预应力梁开裂。 3 、先张预应力混凝士梁放张次序或速度不当，先放松短束，或过快地放松 全部预应力钢柬，由于台座的约束和梁体混凝土变形反应滞后都可能造成粱体 l o 武汉理工大学硕士学位论文 混凝土开裂。 4 、悬臂浇筑时，挂篮合拢段的浇筑，随着混凝土的浇筑，悬臂挠度不断变 化，下部先浇的混凝土产生裂缝，如果没有充分考虑挂篮拆除的反作用力，会 使正弯矩预应力过大，导致上部混凝土开裂。 5 、连续浇筑节段之间温差导致的裂缝。 2 2 非结构性裂缝 由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝。如温度变化、混凝土收缩等因素 引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生自应力，当此应力达到混凝 土抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝。裂缝一旦出现，变形得到释放， 自应力也就消失了。混凝土的非结构性裂缝的产生受到混凝土的材料组成、浇 筑方法、养护条件和使用环境等多种因素的影响。非结构性裂缝主要有收缩裂 缝、温度裂缝、钢筋锈蚀裂缝( 顺筋裂缝) 等几类，下面分别进行介绍。 2 2 1 收缩裂缝 混凝土凝固过程中，水泥和水起水化作用逐渐硬化而形成的水泥骨架不断 紧密，体积缩小，称为凝缩；另外，混凝土中多余水分蒸发，使体积缩小，称 为干缩。凝缩与干缩合称为收缩。收缩中以干缩为主，占总收缩量的8 0 9 0 。 混凝土成形时，其干燥过程是由表面逐步扩展到内部的，由于截面上温度存在 梯度差，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，当混凝土的表面收 缩变形受n t 内部约束或其他约束时，混凝土中会产生拉应力，当表面混凝土 所受的拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。若混凝土早期养护不当，极 易出现收缩裂缝。 收缩裂缝一般发生于混凝土的表面，缝浅且细，一般宽度在0 0 5 o 2 0 m m 之间。其走向纵横交错，呈龟裂状，没有规律性。收缩裂缝一般在混凝土露天 养护完毕一段时问后，在表层和侧面出现，并随温度和湿度变化而逐渐发展。 一般初期收缩较快，而后f 1 趋缓慢，且其收缩量随时间增长而不断加大。收缩 裂缝对构件承载力影响不大，主要影响结构外观和耐久性。 武汉理工大学硕士学位论文 研究表明，影响混凝土收缩裂缝的主要因素有： 1 、水泥品种、标号及用量。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，则混凝土收缩越大，发生收缩的时间越长。 2 、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，含水量大则收缩越大。 3 、水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收缩越大。 4 、外掺剂。外掺剂的保水性越好，则混凝土收缩越小。 5 、养护方法。良好的养护可加速混凝土的水化反应，获得较高的混凝士强 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。 6 、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。 7 、振捣方式及时间。机械振捣方式比手工捣囿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5 1 5 s 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。 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 还有自生收缩和炭化收缩。 2 2 1 1 塑性收缩 塑性收缩发生在施工过程中和混凝土浇筑后4 5 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【2 “。 塑性收缩所产生的量级很大，可达1 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t 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。 武汉理：_ 亡大学硕士学位论文 2 2 1 2 干缩 混凝士凝固过程中，水泥和水起水化作用逐渐硬化而形成水泥骨架，混凝 士中多余水分蒸发，使体积缩小，称为干缩。因混凝土表层水分损失快，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。混凝土硬化后的收缩主要是干缩。由于骨料的 收缩很小，因此混凝土的干缩主要是水泥石干燥收缩造成的。 干缩裂缝一般缘于早期养护不当。在风吹日晒下，混凝土表面水分散失过 快，体积迅速收缩，而内部温度变化小，收缩小，表面的收缩变形受到内部混 凝土的约束，产生拉应力，引起混凝土表面裂缝，或者构件因水分蒸发而产生 体积收缩，受到地基或垫层的约束而出现干缩裂缝。 混凝土的水分蒸发、干燥过程是由外向内、由表及里逐渐发展的。由于混 凝土蒸发、干燥非常缓慢，产生干燥收缩裂缝多数在一个月以上，有时甚至一 年半载，而且裂缝发生在表层很浅的位置，裂缝细微。有时呈平行线状或网状， 常常不被人们重视。但是要特别注意，由于碳化和钢筋锈蚀的作用，干燥裂缝 不仅损害薄壁结构的抗渗性和耐久性，也会使大体积混凝土的表面裂缝发展成 为更严重的裂缝，影响结构的耐久性和承载能力。 另外，采用含泥量大的粉砂及施工中振捣过度使混凝土表面形成水泥含量 较多的砂浆层，也容易产生干缩裂缝。 2 2 1 3 自生收缩 混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，那种与外界湿度无关，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士) 的收缩，就是自生收缩。 2 2 1 4 炭化收缩 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称为炭化 收缩。炭化收缩只有在湿度5 0 左右才能发生，且随二氧化碳的浓度的增加而加 武汉理工大学硕士学位论文 快。炭化收缩一般较少出现。 2 2 2 温度裂缝 混凝土具有热胀冷缩的性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝 土将发生收缩或膨胀变形，若变形受到约束，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。在某些大跨径桥梁中，温度应力可以 达到甚至超出活载应力。温度裂缝区别于其它裂缝的最主要特征是随着温度的 变化而扩张或合拢。 按结构的温度场、温度变形及温度应力不同，温度裂缝可分为三种类型”： l 、截面均匀温差裂缝：一般桥梁结构为杆件体系细长结构，当温度变化时， 构件截面受到均匀温差的作用，可忽略横截面方向的变形，只考虑沿梁长度方 向的温度变形。当这种变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，出现 裂缝。 2 、截面上、下温差裂缝：以桥梁结构中大量采用的箱梁为例，当外界温度 骤然变化时，会造成箱体内外的温度差，考虑到桥梁为细长结构，可以认为在 沿梁长度方向箱体内外的温差是一致的，沿水平横向没有温差。在这种温差作 用下，梁有轴向变形和弯曲变形。梁的弯曲变形在超静定结构中不但引起结构 的位移，而且因多余约束存在，还要产生结构内部温度应力。当上、下温差变 形产生的应力达到混凝土抗拉强度极限值时，混凝土就要出现裂缝，这种裂缝 称为截面上、下温差裂缝。 3 、截面内外温差裂缝：水泥在水化过程中产生一定的水化热，其大部分热 量是在水泥浇筑后3 天以内放出的。浇筑大体积混凝土及预制构件采用蒸汽养护 时，会使截面内部产生非线性温度差。在这种截面温差作用下，结构将产生弯 曲变形，截面纵向纤维因温差的伸长将受到约束，产生湿度自应力。对超静定 结构还会产生阻止挠曲变形的约束应力。有时此温度应力是相当大的，尤其是 混凝土早期强度比较低时，很容易造成混凝土裂缝。 温度裂缝的走向一般没有一定的规律。梁、板类长度尺寸较大的构件，裂 缝多平行于短边；大面积的构件，裂缝常纵横交错；深入的和贯穿性的温度裂 缝一般与短边方向平行或接近平行，裂缝沿着长边分段出现，中间较密，裂缝 宽度般在0 5 l o m m 之间。热胀引起的温度缝是中间粗，两端细。冷缩裂缝 武汉理工大学硕士学位论文 的粗细变化不太明显，其宽度在0 5 m m 以下，且从上至下没有太大变化。温度 裂缝大多发生在施工的中后期，缝宽受温度变化影响较明显。 影响温度裂缝的因素主要有如下几个方面： 1 、水泥水化热的影响 水泥在水化过程中会放出大量的热，且主要集中在浇筑后的前7 天内，一般 每克水泥可以放出5 0 2 j 的热量，如果以水泥用量3 5 0 k g 5 5 0 k g m 3 来计算，每 m 3 混凝土将放出1 7 5 0 0 k j 2 7 5 0 0 k j 的热量，从而使混凝土内部温度升高( 可达7 0 。c 左右，甚至更高) 。尤其对大体积混凝土( 厚度超过2 0 米) 来说，这种现象 更严重。大体积混凝土结构断面较厚，热量聚集在结构内部不易散发，由于混 凝土的传热性能差，浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低，对水化热引起 的急剧温升约束不大，相应的温度应力也较小。随着混凝土的龄期增长，弹性 模量增加，对混凝土内部的约束越来越大，以致产生很大的拉应力，当混凝土 的极限抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便开始出现温度裂缝。这种裂缝初 期出现时很细，随着时间的发展而继续扩大，甚至达到贯穿的情况。 施工中应根据实际情况，尽量选择低水化热的水泥品种，如：粉煤灰硅酸 盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等，限制单位水泥用量，降低 骨料入模温度，减少内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行 内部散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热。 2 、外界气候的影响 在旖工过程中，当外界气温升高，混凝土的浇筑温度也升高。外界气温降 低，会增加表层混凝士与内部混凝土的温度梯度，在混凝土表面引