关于桥梁结构病害的分析

桥梁结构病害分析混凝土结构的病害表现形式多种多样，引起病害的原因错综复杂，从引起病害的原因来分析，可以将其划分为两大类：第一类为由环境作用引起的混凝土结构损伤与破坏。

由于混凝土的缺陷（例如裂隙、孔道、汽泡、孔穴等），环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混凝土内部，与混凝土中某些成份发生化学、物理反应，引起混凝土损伤，影响结构的受力性能和耐久性。

第二类为由荷载作用或设计、施工不当造成的混凝土结构损伤。

例如，由于超载作用引起的裂缝，动力冲击作用引起疲劳破坏。

构造措施和施工方法不当引起结构裂缝等。

环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏1 混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳或其它酸性气体发生化学反应的过程。

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。

3 碱—骨料反应碱—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—骨料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，后果更为严重。

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，所以有时也称碱骨料反应是混凝土结构的“癌症”。

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。

4 冻融循环破坏渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构。

经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低。

冻融循环破坏的混凝土剥落，开始时在混凝土表面出现粒径为2-3mm的小片剥落，随着使用年限的增加，剥落量及剥落块直径增大，剥落由表及里，发展速度很快。

一经发现冻融引起的混凝土剥落，必需密切注意剥落的发展情况，及时采取修补措施。

北方地区采用撒盐除冰，由于盐类与冻融循环的共同作用引起的盐冻破坏是冻融循环破坏的一种特殊形式。

盐冻破坏是静水压及盐溶液的渗透压和结晶压共同作用的结果，因此，盐冻破坏要比单纯的冻融破坏严酷得多。

盐冻破坏区别于其他破坏形式的主要特征是：①表面分层剥落，骨料暴露，但剥落层下面的混凝土完好；②破坏速度快，对未采用防盐冻措施而使除冰盐者，少则一冬，多则几冬，即可产生严重盐冻破坏；③在没有干扰的剥蚀表面或裂缝中可见到白色盐结晶体；5 钢筋锈蚀混凝土中钢筋腐蚀的首要条件是钝化膜坏，混凝土的碳化及氯离子侵蚀都会造成覆盖钢筋表面的碱性钝化膜的破坏，加之有水分和氧的侵入，就可能引起钢筋的腐蚀。

钢筋腐蚀伴有体积膨胀，使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋截面面积减少，使结构构件的承载力降低，变形和裂缝增大等一系列不良后果，并随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。

值得注意的是，上述所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质。

另一方面，几乎所有的侵蚀作用对混凝土结构的破坏都与侵蚀作用引起的混凝土膨胀，最终导致混凝土的开裂有关。

而且当混凝土结构开裂后，腐蚀速度将大大加快。

形成导致混凝土结构的耐久性进一步退化的恶化循环。

因此，对新建结构而言，提高混凝土结构耐久性的基本途径是增强混凝土的密实度，防止和控制混凝土开裂，阻止水分的侵入；加大混凝土保护层的厚度，防止由于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的破坏。

对于在役结构而言，提高混凝土结构耐久性的基本思路是在清除病害根源的基础上，封堵裂缝，修补破损混凝土；增设防水层，防止水分的侵入。

混凝土结构的裂缝分析实践表明，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。

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。

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。

两类裂缝有明显的区别，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80%；以荷载引起的裂缝占主导的约占20%。

对裂缝原因的分析是裂缝危害性评定，裂缝修补和加固的依据，若对裂缝不经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。

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受混凝土材料组成、浇筑方法，养护条件和使用环境等等多种因素影响。

（1）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称为干缩。

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称为凝缩。

收缩中以干缩为主，占总收缩量的8/10~9/10。

收缩量随时间增长而不断加大，初期收缩较快，尔后日趋缓慢。

普通混凝土在标准状态下的极限收缩变形约为(3~4)×10－4。

当混凝土成形后，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。

尤其是混凝土早期养护不当，混凝土表面直接受到风吹日晒的影响，表面水份蒸发过快，产生较大的拉应力，混凝土早期强底低，很容易出现收缩裂缝。

收缩裂缝发生在混凝土面层，裂缝浅而细，宽度多在0.05~0.2mm之间。

对板类构件多沿短边方向，均匀分布于相邻两根钢筋之间，方向与钢筋平行。

对高度较大的钢筋混凝土梁，由于腰部水平钢筋间距过大，在腰部（或腹板）产生竖向收缩裂缝，但多集中在构件中部，中间宽两头细，至梁的上、下缘附近逐渐消失，梁底一般没有裂缝。

大体积混凝土在平面部位收缩裂缝较多，侧面也有所见。

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。

（2）温度裂缝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截面均匀温差裂缝一般桥梁结构为杆件体系长细结构，当温度变化时，构件截面受到均匀温差的作用，可忽略横截面两个方向的变形，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。

例如：连续梁预留伸缩缝的伸缩量过小，或有施工时散落的混凝土碎块等杂物嵌入伸缩缝，或堆集于支座处没有及时清理，使伸缩缝和支座失灵等，当温度急剧变化时，结构伸长受到约束，上部桥跨结构就会出现这种截面均匀温差裂缝，严重者还可能造成墩台的破坏。

②截面上、下温差裂缝以桥梁结构中大量采用的箱形梁为例，当外界温度骤然变化时，会造成箱内外的温度差，考虑到桥梁为长细结构，可以认为在沿梁长方向箱内外的温差是一致的，沿水平横向没有温差。

将三维热传导问题简化为沿梁的竖向温度梯度来确定，一般假设梁的截面高度方向、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。

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。

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，预制构件采用蒸气养护时，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。

在这种截面内外温差作用下，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，产生温度自应力。

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较低，很容易造成混凝土裂缝。

混凝土温度裂缝有以下特点：①裂缝发生在板上时，多为贯穿裂缝；发生在梁上多为表面裂缝。

②梁板式结构或长度较大的结构，裂缝多是平行于短边。

③大面积结构（例如桥面铺装）裂缝多是纵横交错。

④裂缝宽度大小不一，且沿结构全长没有多大变化。

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入适量的磨细粉煤灰，减少水化热，加强混凝土养护，严格控制升温和降温速度。