桥梁的裂缝分析及检测方法

桥梁的裂缝分析及检测方法
作者：杨丹
来源：《科学与财富》2016年第22期
摘要：混凝土桥梁的裂缝随处可见，从力学角度看，裂缝病害一般不会直接影响其承载能力，但是会给桥梁结构埋下安全隐患，任其发展最终将破坏结构的使用功能，缩短寿命。

因此，对混凝土桥梁结构裂缝产生的成因、裂缝检测方法进行分析就很有必要。

本文将通过断裂损伤力学来分析混凝土裂缝产生的原因，并对目前行业内混凝土桥梁裂缝检测的方法进行归纳，为实际工作中针对混凝土结构裂缝养护维修的方案制作提供参考。

关键词：桥梁裂缝；断裂与损伤力学；原因分析；检测方法
0引言
混凝土结构由于其价格低廉、取材方便、外观可塑性强、力学性能优越且易于养护的特点，早已成为业内使用最为广泛的建筑材料。

然而，大量调研结果显示，大部分混凝土桥梁都是带裂缝工作的，裂缝是桥梁建设中常见的病害，小裂缝一般对结构影响不大，能够允许其存在，而大裂缝将间接甚至直接影响结构的使用寿命和安全性能。

我国规范已经针对裂缝问题给出一定的限制，以保证混凝土结构正常使用。

近年来，我国的交通事业发展迅猛，全国各地兴建了许许多多的钢筋混凝土桥梁。

然而桥梁的修建和使用过程中，由于混凝土结构的裂缝问题导致桥梁出现安全隐患甚至垮塌的事故早已不是新闻。

桥梁结构开裂一直是混凝土结构的常见病害。

为了加强对桥梁裂缝的认识，本文具体归纳了混凝土结构开裂的原因以及裂缝检测的方法，以方便实际工作中针对裂缝问题的加固维修提供一些参考。

1混凝土中的断裂损伤过程
试件的破坏与局部产生的宏观裂纹有着密切的关系，结构杆件整体破坏的原因是局部化的破坏所引起的，所以混凝土结构的破坏与其自身局部损伤与裂缝的产生有着密切的关系，试件在单轴拉伸时，裂纹会在某一薄弱部位开始形成、发展并最终断裂破坏。

而且混凝土属于抗压材料，其抗压强度远远大于抗拉强度，混凝土拉压强度的不均匀是混凝土材料的重要特性之一，混凝土结构在受拉的部位容易形成损伤和裂缝，会极大地影响了结构的强度和刚度最终影响到结构的适用寿命和安全。

2裂缝的成因分析
2.1桥梁地基形变造成的裂缝
因为基础竖向不均匀沉降或者水平方向产生位移，使得结构中产生附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。

基础不均匀沉降造成桥梁出现不同程度的裂缝问题。

2.2荷载裂缝
桥梁是两跨度较大位置点直接连接的载体，其在运行过程中会受到常规静载荷、外部动载荷、以及各种次应力作用，通常由于荷载直接应力或相应次应力导致桥梁发生的裂缝类型称为荷载裂缝。

桥梁上运行的外部荷载引起的桥梁裂缝称为直接应用裂缝，设计、施工、以及日常养护过程中不合理方案和措施均可能导致桥梁发生直接应力裂缝。

混凝土桥梁上的外荷载引起的次生应力会随桥梁结构传输到一些薄弱部位，造成该部位发生裂缝。

从大量文献和实际工作经验可知，次应力裂缝是混凝土桥梁裂最常见的荷载裂缝。

2.3温差裂缝
混凝土具有明显的热胀冷缩的特性，即当桥梁运营的外部环境或内部约束条件发生变化时，桥梁相应构件内部力学结构作用就会发生变化，产生一定应力，如果应力超过设计允许的抗拉强度，则会产生裂缝。

2.4钢筋腐蚀裂缝
在混凝土浇筑时，浇筑的质量比较差或者是钢筋混凝土保护层厚度不够时，在外界空气中二氧化碳和二氧化硫等酸性气体的作用下，对钢筋混凝土周围的碱度起到中和作用，不仅会降低混凝土的碱性，而且会破坏钢筋表面已经形成的氧化膜，从而对钢筋进行侵蚀。

因为钢筋锈蚀物的体积要比原来钢筋的体积大好几倍，所以会产生一定的膨胀应力，最终导致混凝上保护层的开裂、脱离。

钢筋发生锈蚀后会减小原有的有效承载面积，进而使钢筋混凝土结构的承载力不断的下降，诱发其钢筋混凝土产生裂缝。

2.5混凝土自身应力形成裂缝
1.收缩裂缝：
水分子与水泥颗粒结合后体积变小为凝缩，水分蒸发体积变小为干缩。

收缩内小外大，有收缩梯损度，表面收缩拉力超抗拉强度则产生裂缝，其无规则裂缝小。

2.强度裂缝：
1）大体积混凝土在凝固过程中有水化热产生，内部温度可达80℃以上一般 24h产生，4d 达最高值，7d～10d恢复常温，热膨胀产生裂缝（必须防止）。

此外天气冷热变化混凝土由收缩和膨胀产生的温度应力大于抗拉强度也产生裂缝。

2）蒸汽养护冷热温差大，内外温度不均匀时也会产生裂缝。

3）新旧混凝土接头，沿接缝面的上方也易产生强度裂。

4）预埋铁件焊接措施不妥，受热不均匀。

3裂缝的无损检测
众所周知，裂缝问题是混凝土桥梁的常见病害之一，任由其发展后果不堪设想，所以早期检测出来并有针对性地进行加固防护，就能最大限度上避免灾害的发生。

桥梁损伤分“内伤”和“外伤”，即内部破损和外部断裂，外部断裂还是比较好检测的，然而内部损伤无法用肉眼去识别，必须借助一些专业检测仪器和科学的分析方法来推测其实际情况。

下面就介绍几种检测内部裂缝的具体方法。

3.1冲击弹性波法
把弹性体内传播的波总称为弹性波，人工发射弹性波到弹性体内探测弹性体内的状态，是广义的弹性波探测法。

虽然冲击弹性波法与超声波法的原理是一样的，但是相比于超声波测定的裂缝深度深得多，冲击弹性波法只能检测扩展方向与表面成直角，没有分支的单纯裂缝。

3.2声发射检测法。

声发射检测法是通过接收和分析材料的声发射信号来评定材料性能或结构完整性的无损检测方法。

材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生的应力波现象称为声发射。

和其他方法最大的不同是只能检测正在发生的裂缝，不能检测已发生的旧裂缝。

3.3摄影检测法。

摄影检测法主要用作混凝土表面的裂缝摄影法包括普通照相机、录象机、放射线、红外线摄影等进行检测。

3.4超声波检测。

超声波检测就是以超声波为媒介，获得物体内部信息的一种方法。

目前超声波不仅仅是应用于医疗诊断，在钢材探伤、鱼群信息探测等多个领域都能见到超声波的身影。

在这些不同的领域中，由于组成颗粒的密度分布均匀，所以超声波能很好的传播，对内部缺陷及位置都能准确地检测出来。

4结语
一座桥梁从建造到投入运营，从设计、施工到运营养护，每一个环节都可能会产生裂缝。

于是充分认识到裂缝产生的原因，严格遵循我国规范要求，有针对性的进行进行设计和施工，是控制桥梁混凝土结构开裂的前提和基础。

运营过程中，通过各种有针对性的检测方法来对桥梁健康状况进行评价，也是日常养护的一个重要环节。

参考文献
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