桥梁裂缝分析

桥梁裂缝分析混凝土桥梁病害的主要表现形式：•1、裂缝•2、变形（变位）实践表明，混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。所以，对混凝土结构的损伤检测，首先应从对结构的裂缝调查、检测与分析入手。引起裂缝的原因很多，但可归纳为两大类：第一类：由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝（又称为受力裂缝），其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。第二类：由不均匀变形引起的裂缝，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拉应力，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，拉应力也就消失了。非荷载裂缝•一、混凝土收缩裂缝•在混凝土凝固过程中，由于多余水分蒸发，引起的混凝土体积缩小。•同时，水泥与水起水化作用逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密，引起的混凝土体积缩小。•混凝土成形后，表面水份蒸发，这种水份蒸发总是由表及里逐步发展，截面内外温度不等，内外收缩量不一样。混凝土表面收缩变形受到混凝土内部约束或其他约束限制时，即在混凝土中产生拉应力，引起混凝土开裂。•1）砼构件表面收缩龟裂•养护不当，表层失水、干缩所造成。这类裂缝一般不深，多数深度不超过钢筋保护层厚度。2）墩台混凝土的竖向收缩裂缝•①在岩石基础上浇筑的墩台混凝土，混凝土墩身要收缩，岩石基础不收缩，岩石基础阻止墩身砼收缩而在横向产生拉应力，产生竖向裂缝，这类墩身、台身的竖向裂缝为下宽上细，当台身较厚，由于表层收缩大、内部收缩小，因此显示表层裂缝宽些、内部裂缝细些，一般不贯通。•②在先浇筑好的砼承台上再浇筑薄壁砼墙身。由于砼龄期差异，收缩差导致裂缝。由于墙体薄，故裂缝贯通。•3)预制T梁由于钢模拆除不及时，造成腹板竖向裂缝。•4）老桥混凝土腹板的碳化收缩现象•如苏式T梁腹板经常发现枣核形裂缝，即二端细，中间粗。裂缝下端细是由于下缘配筋量大，裂缝上端由于逐渐上伸到受压区而消失。裂缝中间粗有二个原因：一是腹板水平钢筋少；二是在原有裂缝基础上，由于碳化收缩而使裂缝宽度增宽。苏式T梁裂缝•5）预制构件拼装湿接头收缩裂缝的危害•（1）拱片之间的横系梁、横隔板的湿接头产生收缩裂缝后，大大减弱桥梁横向整体性。图6刚架拱横隔板湿接头收缩裂缝•①造成拱片顶部桥面顺桥向裂缝。刚架拱桥面纵向裂缝•②荷载横向分布集中，降低承载能力。•③产生横向摇摆。•（2）空心板梁铰缝砼收缩产生缝隙后，当桥面铺装钢筋配筋率低时，易造成桥面沿梁长产生顺桥向裂缝，降低横桥向整体性。•6）空心板梁封头板砂浆收缩裂缝引起渗水，使空腔内聚积大量水。•7）拱桥吊杆封锚砼因收缩裂缝渗水，通过锚头孔隙流水，导致钢束锈蚀。吊杆顶端封锚砼周边收缩裂缝拱桥吊杆顶端封锚处有5cm厚积水吊杆钢管内部黄油由于钢丝锈蚀物混合成咖啡渣状并含水份二温度裂缝温度变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土的抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，这种裂缝称为温度裂缝。按结构的温度场不同、温度变形、温度应力不同，温度裂缝可分为三种类型：①截面均匀温差裂缝当温度急剧变化时，结构伸长受到约束，上部桥跨结构会出现截面均匀温差裂缝，严重者还可能造成墩台的破坏。②截面上、下温差裂缝③截面内外温差裂缝三、钢筋锈蚀引起的裂缝钢筋锈蚀后，其体积将增大，从而胀裂砼保护层。导致锈蚀的原因：1混凝土的碳化一般情况下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。碳化的实质是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降低，钝化膜破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。•2氯离子的侵蚀氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，北方寒冷地区冬季道路、桥面撒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝土中。氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，对结构的危害是多方面的，但最终表现为钢筋的锈蚀。•箱体腹板和顶板钢筋大面积锈蚀而崩裂混凝土保护层a腹板钢筋锈蚀崩裂混凝土表面b箱内顶板钢筋锈蚀成片顶裂混凝土保护层箱内腹板和顶板钢筋锈蚀裂缝钢筋锈蚀的危害1、粘结力减弱，降低承载能力2、钢筋截面减小，降低承载能力3、钢筋锈蚀后易产生应力集中，增加脆性4、预加应力钢筋锈蚀后，在高应力作用下会加快锈蚀，即所谓应力腐蚀现象。5）维修加固方法1、锈蚀钢筋彻底除锈，补焊钢筋，弥补钢筋锈损，然后用砼包裹保护。2、锈蚀钢筋，彻底除锈，砼补强，外粘贴钢板或碳纤维布，补充钢筋截面损失。3、保护层混凝土已全面碳化，不防锈，采取封闭砼毛细孔，隔离水及腐蚀性物质，防止钢筋继续锈蚀。4、渗入阻锈剂，防止钢筋锈蚀。四、骨料膨胀引起的裂缝碱—骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱—硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂。碱—骨料反应一旦发生，很难加以控制，一般不到两年就会使结构出现明显开裂。碱—骨料反应破坏的最重要特征之一是混凝土表面开裂，裂缝的形态与结构中钢筋形成的限制和约束状态有关：钢筋限制、约束力强的混凝土形成顺筋裂缝；钢筋限制约束作用弱的混凝土形成网状或地图状裂缝，在裂缝处有白色凝胶物渗出。碱—骨料反应裂缝与其他原因裂缝的主要区别是：①碱—骨料反应引起混凝土局部膨胀，裂缝的两个边缘出现不平状态（错台）；是碱骨料反应裂缝的特有现象；②碱—骨料反应与环境湿度有关，在同一工程中潮湿部位出现裂缝，而干燥部位却安然无恙，是碱—骨料反应裂缝区别与其他原因裂缝的外观特征差别之一。③从裂缝出现的时间来判断，碱—骨料反应裂缝出现的时间较晚，多在施工后5~10年内出现，而混凝土收缩裂缝出现的时间较早，一般在施工后若干天内出现。•1、骨料膨胀病害•立交桥端横隔板由于碱骨料膨胀引起的裂缝立交桥实景.第七孔和第八孔之间伸缩缝西侧第七孔端横梁底裂缝第七孔端横梁裂缝形态立交桥第八孔端横梁底裂缝形态立交桥第七孔端横梁凿入内部发现碱骨料反映特征－变质辉绿岩外圈产生白色反应环立交桥第七孔端横梁内部层离状裂缝形态•由该图显示该横梁北端底面龟裂，在底面和侧面用手指触摸，可明显感觉裂缝两侧有高差，表明一侧“凸出”必然有膨胀源膨胀所致，经凿除松散碎块后可发现横梁底粗钢筋被向外顶弯弯曲，在横梁顶部有一横向裂缝，仔细用手触摸，该缝可明显感觉到裂缝下侧相对于上侧凸出10mm，这些均表明混凝土内部有多个膨胀源顶出所致。•立交桥第七孔端横梁凿入内部发现变质岩碎石外圈产生白色反应环，这是明显的弥漫性碱活性骨料所起化学反应的结果，白色反应环为碱活性骨料在碱和水的作用下产生的反应物，为吸潮膨胀物，由于碱活性骨料多（弥漫型），故其内部裂缝呈层离状裂缝。•骨料膨胀先引起端横隔板与板底结合面裂缝后，由于伸缩缝处漏水不断，导致端横隔板箍筋在该裂缝处全锈断，这也是先裂后锈的主要表现。•2、上海内环线高架道路空心板梁骨料膨胀病害•上海内环线高架道路黄兴路1121～1123墩之间二孔跨径为22m的先张法预应力空心板梁于2000年发现梁底多处产生混凝土保护层崩裂和崩落，•幸好未伤人。•图20－a~d为空心板底崩裂裂缝和崩落后可见白色及姜黄色石子图20－a•图20－b图20－c•图20－d•图21－a为空心板梁梁底因骨料膨胀而产生冲剪裂缝形态，放射形裂缝交点内部有一膨胀源（膨胀骨料）图21－a•图21－b为空心板梁底因骨料膨胀的冲剪裂缝一侧凸，有高差，表明被胀出••图21－b•图21－c为空心板梁底因骨料膨胀的被冲剪部分的锥状体凿除后，可见潮湿姜黄色石子膨胀骨料－膨胀源（直径约11cm）•图21－c•图21－d上述膨胀骨料膨胀，不仅把混凝土胀裂，还把钢筋胀弯••图21－d•图21－e空心板梁底骨料膨胀崩落混凝土锥体图21－e黄兴路内环线高架空心板梁底骨料膨胀崩落混凝土锥体•图22-e图22-f图22-g•4、嘉定唐华路新泾桥桥墩骨料膨胀病害•该桥为一座三孔空心板简支梁桥（图23－a），二端桥台为桩基重力式，中间二桥墩为双排桩桩基，桥墩承台高为0.8m，宽为1.7m，其上为三根圆形立柱和盖梁组成墩身，该桥主要病害是桥墩有严重裂缝，具体如下：•1）该桥唐行方向桥墩承台有严重裂缝（图23－b），最大裂缝宽度达30mm以上，裂缝特征为：•（1）裂缝两侧有明显高差，最大高差可达几厘米，图23－c为承台园端环向裂缝，裂缝右侧顶面混凝土高出裂缝左侧混凝土30mm以上。图23－d为承台靠唐行方向一侧的边缘裂缝顶面部分混凝土高出侧面40mm以上。图23-b图23-c•图23-d•（2）承台顶面混凝土有放射状裂缝（图23－e）和龟纹状裂缝（图23－f）。•图23-e图23-f•(3)裂缝呈层离状，用锤敲击混凝土顶面及侧面，有明显起壳声，这种剥离层厚度达150mm以上（图23－g）。图23-g•（4）承台底部和四周在水下，无法观察，只能用手支摸，发现其裂缝形态与顶部相同，由此可知，该承台上、下和四周已全面层离起壳。•3、唐行方向桥墩立柱上端也有局部放射状及龟裂状裂缝，下端有多条竖向裂缝，长度约为40～50cm。•4、病害原因•(1)根据承台裂缝二侧有高差，多处呈放射形及龟纹裂缝的特征，可以判断为粗骨料膨胀所引起，通过局部打开层离裂缝部位，可见骨料表面附着一层白色粉汗水沫（图23－h）或白色浆状物质，这是一种反应物，正是这种反应特的膨胀，是造成承台严重裂缝的根本原因，图23-h•（二）骨料膨胀病害种类及产生条件•1、骨料膨胀病害有二类：•第一类：“碱骨料反应”引起骨料膨胀，破坏砼。•第二类：含有氧化镁骨料、硫酸盐骨料或生石灰缓慢水化膨胀而破坏混凝土。这类病害的进展是由表及里的，这是与外界潮气由表面通过毛细孔逐渐渗入有关。•2、其中发生所谓“碱骨料反应”产生的条件有三点：•1）混凝土骨料中含有一定量的碱活性二氧化硅，例白云石、蛋白石、玻璃质二氧化硅，结晶不完整的二氧化硅矿物等，当含量大于5％时，对混凝土构件可能会产生损害。•2）混凝土中碱含量超过一定量（一般控制在3kg/m3之内）。•3）水•前二点是发生“碱骨料反应”的必要条件，后一点水是充分条件。•对于第二类骨料膨胀的充分条件也是水，它们膨胀后体积可达原体积的2～4倍，相当可观。•一般产生这类病害是在结构竣工数年（一般在五年后）后发生，例杭州清泰门立交桥横梁病害是建成后7年左右被发现，内环线高架发现该类病害为竣工后6年被发现。•（三）危害性•这类材料自损现象危害很大，当在一处首先发现发现这类病害时，应把它当作一个信号，很可能在其它部位也会相继出现。•骨料膨胀病害的危害性：•1、骨料膨胀裂缝后使截面削弱。•2、裂缝处易渗水，锈蚀钢筋（杭州清泰门立交桥横梁顶部箍筋全部锈断）•3、受压区因骨料膨胀而损坏，达到一定程度后，可能会出现突然破坏。•4、梁端因骨料膨胀而损坏，有可能产生斜压破坏形态。•综上所述，对骨料膨胀病害必须予以重视，应该在施工前，对骨料进行检验，•对水泥及添加剂的碱含量加以控制，做好防水隔离。•对于已建结构，必须发现一处及时进行有效修补一处，同时作好砼毛细孔封闭工作，隔绝水分或潮气浸入，若发现已较严重，则应拆除重建。•（四）骨料膨胀裂缝的辨别方法：•膨胀骨料在构件浅层，一般呈网状及放射形裂缝，裂缝交点处为膨胀骨料所在位置（图24）。a立面图b平面图图24骨料膨胀剪锥体2、当膨胀骨料在钢筋背后，则骨料膨胀后，会把钢筋顶弯，此时有可能产生顺钢筋裂缝，但其长度不长，同时可能出现砼被冲剪破裂，其裂缝为周边一圈。3、砼冲剪锥体边缘裂缝的二侧有高差。若内部膨胀骨料为弥漫性分布，其内部有可能产生层理状千层饼似的裂缝（图25）。图25多颗膨胀源引起层离裂缝•5、与网状收缩裂缝的区别有二点：一是收缩裂缝一般发生时间较早，多在施工后即发生，而骨料膨胀裂缝均在几年之后发生；二是收缩裂缝二侧无高差，而骨料膨胀裂缝二侧有高差。•（五）骨料膨胀类型判别•由于骨料膨胀类型较多，这里从表面大致判别•1、石子周围有白色反应环者，多为碱活性骨料所产生。•2、裂缝中渗出乳白色，黄褐色，咖啡色