第二节 混凝土结构裂缝分析

第二节混凝土结构裂缝分析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，自应力也就会消失。调查资料表明，在上述两类裂缝中，以变形引起的裂缝占主导的约为80％，以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。对裂缝原因的分析，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。l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（实心板粱、空心板粱）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梁轿（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粱段的腹板（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粱的典型结构性裂缝分布示意图。图中①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（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，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，在预应力力锚同区。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安装构件所造成的，例如：钢筋锚同长度不足、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。在超静定结构中，基础不均匀沉降，也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闳素有关。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田地基方法消除后，才能进行卜部结构的裂缝处理。2非结构性裂缝混凝土的非结构性裂缝．根据其形成的时间可分为：混凝土硬化前裂缝、硬化过程裂缝和完全硬化后裂缝。非结构性裂缝的产生，多是受混凝土材料组成、浇筑方法、养护条件和使用环境等多种因素影响所致。（1）收缩裂缝。在混凝土凝固过程中，混凝土巾多余水分蒸发，引起的体积缩小称为干燥收缩或干缩．而在水泥和水发牛水化作用逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密、体积缩小，称为塑性收缩（凝缩）。混凝土的收缩以干缩为主，约占总收缩量的80％〜90％。塑性收缩裂缝。塑性收缩裂缝是指混凝上浇筑后，在硬化前由于塑性收缩导致的裂缝（图1-10）。由于混凝上表面干燥速度远大于内部，面层混凝土迅速失水结硬，收缩变形受到内部混凝土约束产生拉应力，从而导致混凝士开裂。因此，塑性收缩裂缝均在表面出现，裂缝形状不规则，多为横向，长度在50〜1000mm，间距50〜90mm，宽度约在0.5〜2mm，细而多且互不贯通。蒸发导致拌和水榻失蕉发导致拌利水恢理锻失引起混讎土体积咸少.那墨构件受到约朿.聘若应为彳;断即尢就会已现开裂蒸发导致拌和水榻失蕉发导致拌利水恢理锻失引起混讎土体积咸少.那墨构件受到约朿.聘若应为彳;断即尢就会已现开裂图1-10塾性收貓裂缝示意图"在体表比小的板式结构中，混凝土塑性收缩裂缝最为普遍。天气炎热、蒸发量大、大风或混凝土本身水化热过高，都是产生塑性裂缝的直接原因。实测结果表明，当混凝土拌和物表面失水速度大于0.5kg/（m3•h）时，极易产生塑性收缩裂缝。实际施工中，加强覆盖、及时洒水养护，都可有效减少塑性收缩裂缝的产生采取二次搓毛、压平措施，可对已形成的塑性收缩裂缝起到有效愈合作用。干燥收缩裂缝。干燥收缩裂缝是指混凝土干燥收缩变形导致的裂缝（图1-11）。干燥收缩变形是混凝士凝结硬化后由于含水孔隙失水导致的体积收缩。混凝土成形后，表面水分蒸发，截面上形成湿度梯度，内外干缩量不一样，当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，当拉应力达到混凝士的极限抗拉强度时，即出现干燥收缩裂缝。3.6rnHI构件环團因朿l-li f：燥收缩裂缝呼意图新浇號的混飆土 U3.&mm爰東嫡的硬化混礙七.无衆籀3.6rnHI构件环團因朿l-li f：燥收缩裂缝呼意图新浇號的混飆土 U3.&mm爰東嫡的硬化混礙七.无衆籀.均匀分祐的裂涟 r—1(i1,有捌筋杓堡枣紂丽皱化混整匕普通混凝土干燥收缩．随时间发展存在一定规律，通常半个月可完成收缩终值的10%〜25%；3个月完成50%〜60%；1年完成75%—80%。因此，混凝土结构的干燥收缩裂缝，通常约在1年后开始出现，而且总是在拉应力集中部位或结构最薄弱部位首先出现，并与拉应力聚集的方向垂直。视结构约束条件及配筋形式的不同，裂缝一般有两种形状：一种为不规则龟纹状或放射状裂缝；另一种为每隔一段距离出现l条的裂缝．其中以后者居多，多为枣核形，最初表现为不贯穿的表面裂缝，随后大部分裂缝都将逐渐演化为贯穿型裂缝，其宽度通常在0.1-0.5mm，严重时可达0.5-1.5mm。在实际工程中，这种干燥收缩裂缝多出现在纵向长度较大，或体积表面积比较大的结构。工程实例：深圳泥岗立交匝道桥，系现场整体浇筑的钢筋混凝土连续箱梁桥。2004年发现箱梁腹板出现大量的竖向裂缝，裂缝间距约为0.5-1.5mm,跨中部位分布较密，支点范围较稀；裂缝在顶板根部和底板上方逐渐消失，个别裂缝宽度已超过0.2mm。从裂缝特征分析，这是典型的干燥收缩裂缝。就本例而言，发现如此严重的收缩裂缝，应从设计、施工等多方面查找原因。由于箱粱顶板和底板嵌固约束，腹板混凝土收缩变形将受到限制，若腹板内设置的水平防收缩钢筋间距过大，或拌和混凝土中水泥用量过大．初期养护不当，都可能造成腹板出现收缩裂缝（图1-12）。

钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形，这种温度变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，当其达到混凝土的抗拉强度极限值时，混凝土会出现裂缝，这种裂缝称为温度裂缝。按结构的温度场、温度变形、温度应力不同可分为以下3种类型：①截面均匀温差裂缝。桥梁结构为细长的杆件体系，遇到温度变化时．构件截面受到均匀温差的作用，可忽略横截面两个方向的变形，只考虑沿长度方向温度变形。一旦这种变形受到约束，在混凝土内部就产生拉应力，在达到抗拉强度极限值时，就会出现裂缝（图1—13）。A+22nun的梁£弓戯A+22nun的梁£弓戯Ifil由N隘左製缝不意圉另外，在实际工程中，由于连续梁预留伸缩缝的伸缩量过小，或有施工散落的混凝土碎块等杂物嵌入其内，或堆集于支座处的杂物没有及时清理，使伸缩缝和支座失灵等，当遇到温度急剧变化时，结构伸长受到约束，在两侧墩台就会出现这种截面均匀温差裂缝，严重者造成墩台破坏的实例是屡见不鲜的。②截面上、下温差裂缝。以桥梁结构中大量采用的箱形梁为例，由于外界温度骤然变化，就会造成箱内外的温度差。考虑到桥体为长细结构，可以认为在沿梁长方向箱内外的温差是一致的，沿横向也没有温差，这样可以将二维热传问题简化为沿粱竖向温度梯度来处理，一般假设沿粱截面高度方温差呈线性变化。在这种温差作用下，梁不但有轴向变形，还伴随产生弯曲变形。在超静定结构中，梁的弯曲变形，不但引起结构位移，而且因多余约束存在，还会产生结构内部温度应力。当上、下温差变形产生的应力达到强度极限值时，混凝土就出现裂缝，这种裂缝称为截面上、下温差裂缝（图l-14）。l>+17T：：®1-14截面上.下隘羞裂唯小倉氏」t上T沽祐扮贡一l>+17T：：®1-14截面上.下隘羞裂唯小倉氏」t上T沽祐扮贡一3QX续板底血曲咗样U的宣氓 2fl「篩f'爱底面-I-25雹25T空％朿应截面内外温差裂缝。众所周知，水泥在水化过程中产生一定的水化热，其大部分热量是在混凝土浇筑后3天以内放出的。然而，对于大体积混凝土产生的大量水化热不容易散发，内部温度不断上升，而混凝土表层散热较快，使截面内部产生非线性温度差。另外，预制构件采用蒸汽养生时，由于混凝土升温或降温过快，致使混凝土表面剧烈升温或降温，也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，便产生温度应力。混凝土早期强度比较低，很容易出现这种截面内外温差裂缝。预防温度裂缝的主要措施是合理设置温度伸缩缝，在混凝土组成材料中掺人适量的磨细粉煤灰，减少水化热，加强混凝土养护．严格控制升温和降温速度。二、裂缝对混凝土耐久性的影响(1)裂缝与钢筋腐蚀相互作用，将导致混凝土结构耐久性进一步退化的恶性循环。应该指出，不论何种原因产生的裂缝，都会对混凝土结构的耐久性造成影响。钢筋腐蚀与混凝土的碳化、氯离子侵蚀及水分、氧气的存在条件是分不开的，而提供这种条件的通道一个是毛细孔道：另一个是裂缝，其中裂缝对钢筋腐蚀的影响更大。混凝土开裂后，钢筋的腐蚀速度将大大加快，钢筋腐蚀后，生成的腐蚀物体积膨胀，产生顺筋裂缝，南于裂缝的进一步扩展，提供了使侵蚀破坏作用逐步升级、混凝土耐久性不断下降的渠道。裂缝与钢筋腐蚀相互作用，最终导致混凝土结构耐久性进一步退化，如此恶性循环下去，必然导致结构破坏。(2)混凝土裂缝存在，降低表层混凝土的保护作用。混凝土结构的表面，即水泥基复合材料与外界环境的接触区域，是混凝土结构耐久性的第一道防线。