桥梁混凝土结构的任何损伤与破坏,首先表现是混凝土出现裂缝。桥梁病害的诊断,首先应从对混凝土结构裂缝调查、检测与分析入手。裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。裂缝分析是桥梁病害诊断的最基本方法,是桥梁养护、管理和维修加固工程师应具备的基本功。
一、混凝土结构裂缝类型和成因
混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。混凝土结构产生裂缝的原因很多,大致可归纳为两大类:
(1)由外荷载引起的裂缝,称为结构性裂缝,又称为荷载裂缝。其裂缝的分布特征及宽度与外荷载大小有关。
(2)由变形引起的裂缝,称为非结构性裂缝,又称非荷载裂缝。如温度变化混凝土收缩等因素引起结构变形受到限制时,在结构内部产生自应力;当自应力达到混凝土抗拉强度极限值时,混凝土结构就会产生裂缝。裂缝一旦出现,其变形就得到了释放,自应力也就消失。
上述两类裂缝中,变形引起的裂缝占主导的约为80%,荷载引起的裂缝占主导的约为20%,有时两类裂缝融在一起。两类裂缝性质不同,危害效果也不同。裂缝原因分析是对其危害性评定和采取修补与加固的依据;若不经过对其分析研究,就盲目进行处理,不仅达不到预期的效果,还可能潜藏着突发性事故的危险。
1、结构性裂缝——荷载裂缝
结构性裂缝是由于结构在荷载作用下,混凝土内部产生的拉应力达到混凝土极限抗拉强度时产生的裂缝。桥梁工程中大量采用的受弯构件,结构性裂缝主要表现为弯曲裂缝和剪切裂缝两种形式。
(1)弯曲裂缝
弯曲裂缝是指在弯矩作用下,混凝土拉应力过大而产生的裂缝。一般出现在承受弯矩较大梁段的受拉区,如简支梁跨中梁段下缘受拉区,连续梁跨中梁段下缘和支座处上缘的受拉区。对纵向受力钢筋配置较少的个别部分,也有可能因拉应力过大产生弯曲裂缝。
对板梁桥(实心板梁、空心板梁)而言,由拉应力过大而产生的弯曲裂缝,一般表现为在板的跨中梁段底面出现若干条大致平行分布的横桥向裂缝。对T梁桥(或箱梁桥)而言,由拉应力过大而产生的弯曲裂缝,一般表现为在梁的跨中梁段的腹板(梁肋)上出现若干条大致平行布置,且与底面贯通的竖直裂缝。竖直裂缝在腹板(梁肋)上的延伸长度一般不超过梁高的一半。
图1-9所示为钢筋混凝土简支梁的典型结构性裂缝分布示意图。图中所示的跨中截面附近下缘受拉区由拉应力引起的竖向裂缝,是最常见的结构性弯曲裂缝。在正常设计和使用情况下,裂缝宽度不大,间距较密,分布均。
(2)剪切裂缝
剪切裂缝是指在剪力或剪力与弯矩共同作用下,因主拉应力过大在腹板(梁肋)两侧产生的斜裂缝,一般出现在承受剪力较大的支点附近截面及同时承受剪力和弯矩均较大的梁段。另外,梁的抗剪配筋薄弱处也可能出现剪切斜裂缝。图1-9中②为简支T梁桥腹板出现的剪切斜裂缝。剪切斜裂缝的特征是在腹板(梁肋)两侧基本上对称布置,倾斜角度为30°~50°,倾斜方向与主压应力迹线方向一致(即与斜筋布置方向相垂直),大致在梁高一半处裂缝宽度最大。靠近支点附近截面的斜裂缝向下延伸长度不大,一般不与底面贯通。跨径内梁段受弯矩的影响较大,斜裂缝向下延伸长度较大,有可能与底面贯通,形成弯剪斜裂缝。
另外,钢筋混凝土墩柱受压构件,由于纵向压力过大引起的纵向裂缝,在预应力锚固区,由于局部应力过大引起的劈裂裂缝等,也属于结构性裂缝。有些结构性裂缝是由设计不周和施工方法不当所造成的,例如:钢筋锚固长度不足、计算图式与实际受力不符、构件刚度不足、次内力考虑不全面和施工安装构件支承吊点错误等都可以使构件产生裂缝。超静定结构中基础不均匀沉降,也会引起结构的内力变化,可能导致结构出现裂缝。基础不均匀沉降引起的上部结构的裂缝,实质上是属于结构性裂缝范畴,裂缝的分布和宽度与结构形式、基础不均匀沉降情况及大小等多种因素有关。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后,才能进行上部结构的裂缝处理。