張樹仁（哈爾濱工業大學 150090）
在役橋梁結構隨著使用時間的延續，受結構使用條件變化及環境侵蝕等因素的影響，加之設計和施工的不當，都會使結構受到不同程度的損傷，造成橋梁病害，使結構效能退化，使用功能逐步降低乃至完全喪失。結構受到損傷後，需要對結構損傷原因和程度進行分析，確定結構損傷後的承載能力和剩餘壽命。在此基礎上進行結構改造決策分析，根據經濟技術條件提出結構處理措施，如維修、加固或拆除重建等。
實踐表明，混凝土結構的任何損傷與破壞，一般都是首先在混凝土**現裂縫，裂縫是反映混凝土結構病害的晴雨表，所以，對混凝土結構的損傷檢測，首先應從對結構的裂縫調查、檢測與分析入手。
混凝土結構的裂縫是由材料內部的初始缺陷、微裂縫的擴充套件而引起的。引起裂縫的原因很多，但可歸納為兩大類：
第一類：由外荷載引起的裂縫，稱為結構性裂縫（又稱為受力裂縫），其裂縫的分布及寬度與外荷載有關。這種裂縫的出現，預示結構承載力可能不足或存在其他嚴重問題。
第二類：由變形引起的裂縫，稱為非結構性裂縫，如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的結構變形受到限制時，在結構內部就會產生自應力，當此應力達到混凝土抗拉強度極限值時，即會引起混凝土裂縫，裂縫一旦出現，變形得到釋放，自應力也就消失了。
兩類裂縫有明顯的區別，危害效果也不相同，有時兩類裂縫融在一起。調查資料表明，在兩類裂縫中以變形引起的裂縫佔主導的約佔80%；以荷載引起的裂縫佔主導的約佔20%。對裂縫原因的分析是裂縫危害性評定，裂縫修補和加固的依據，若對裂縫不經分析研究就盲目進行處理，不僅達不到預期的效果，還可能潛藏著突發性事故的危險。
1．結構性裂縫（受力裂縫）
眾所周知，混凝土的抗拉強度很低，抗拉極限應變大約為。換句話說，混凝土即將開裂的瞬間，鋼筋的應力只有。事實上，在正常使用階段鋼筋的應力遠大於此值，所以說在正常使用階段鋼筋混凝土結構出現裂縫是避不可免的。
因而，習慣上又將這種裂縫稱為正常裂縫。實踐證明，在正常條件下，裂縫寬度小於0.3mm時，鋼筋不致生鏽。
為確保安全，允許裂縫寬度還應小一些。新修訂的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規範》jtg d62-2003（以下簡稱《橋規jtg d62>）規定：鋼筋混凝土構件計算的特徵裂縫寬度不應超過下列規定的限值：
ⅰ類及ⅱ類環境 0.2mm
ⅲ類及ⅳ類環境 0.15mm
結構性裂縫可根據構件的受力特徵判斷。圖1-1所示為鋼筋混凝土簡支梁的典型結構性裂縫分布示意圖。
圖1-1 鋼筋混凝土梁結構裂縫
圖1-1中①所示的跨中截面附近下緣受拉區的豎向裂縫，是最常見的結構性裂縫。在正常設計和使用情況下，裂縫寬度不大，間距較密，分布均勻。若豎直裂縫寬度過大，超過規範規定的限值，預示結構正截面承載力不足；圖1-1中②所示為支點（或腹板寬度變化處）附近截面由主拉應力引起的斜裂縫。
在正常設計和使用情況下很少出現斜裂縫，即使出現裂縫寬度也很小。若斜裂縫寬度過大，預示結構的斜截面承載力不足，存在發生斜截面脆性破壞的潛在危險，應引起足夠的重視。
有些結構性裂縫（受力裂縫）是由設計錯誤和施工方法不當所造成的。例如：鋼筋錨固長度不足、計算圖式與實際受力不符、構件剛度不足、次內力考慮不全面和施工安裝構件支承吊點錯誤等都可以使構件產生裂縫。
圖1-2所示為美國紐約一座高架橋橋墩蓋梁懸臂裂縫分布及加固方案示意圖[2]。橋梁通車後發現橋墩蓋梁懸臂出現嚴重裂縫，裂縫從上層受拉鋼筋端頭處開始，向下沿伸至懸臂根部。顯然，這種裂縫是由於鋼筋錨固長度不夠所引起的結構性裂縫，這種結構性裂縫對結構安全構成潛在危險，應及時加以處理。
該橋採用了預加應力的方法進行了補強處理。
在超靜結構中基礎不均勻沉降，將引起結構的內力變化，可能導致結構出現裂縫。基礎不均沉降引起的上部結構的裂縫，實質上是屬於結構性裂縫（受力裂縫）範疇，裂縫的分布和寬度與結構形式、基礎不均沉降情況及大小等多種因素有關。這種裂縫對結構安全性影響很大，應在基礎不均勻沉降停止或採用加固地基方法消除後，才能進行上部結構的裂縫處理。
圖1-2：美國紐約高架橋橋墩蓋梁懸臂裂縫分布及加固方案
圖1-3 南方某城市立交匝道橋的平面布置和橫斷面圖
圖1-3所示為我國南方某城市立交匝道橋的平面布置和橫斷面圖，其中第三聯（10~18號墩）為8×25m鋼筋混凝土連續箱梁結構，軟土地基，鑽孔樁基礎，採用滿堂支架就地澆築混凝土施工。
該橋施工**現嚴重裂縫，第三聯（18~16號墩）+1/4（16~15號墩）跨拆模後，發現邊跨（17~18號墩）出現25條豎直裂縫，最大裂縫寬度為0.15mm，三個月後發現其餘各跨都出現了裂縫，跨中部分的裂縫已由腹板向底板沿伸200mm，個別裂縫已貫穿底板，在墩頂負彎矩區段也出現了由腹板向翼緣端部延伸的橫向裂縫。
在該橋的事故分析中，通過對施工、檢測、監理原始資料的分析，排除了由施工方法不當和材料強度不足造成如此嚴重裂縫的可能。通過對設計資料審核發現，原設計在計算基礎不均勻沉降時，只考慮第三聯中間支點（14號墩）下沉20mm一種工況。顯然這樣處理是不全面的。
若按9個支座分別下沉20mm共9種工況計算結果，進行最不利內力組合，17號墩頂截面負彎矩最大。按此內力計算，該截面原設計配筋嚴重不足，比計算需要值少32.2%，正截面抗彎承載力不足，致使箱梁頂板出現嚴重的橫向貫通裂縫。
橫向裂縫進一步向腹板發展，使墩頂截面的連續嵌固作用降低，全橋處於類似於簡支梁的工作狀態，使各跨中正彎矩增加，因正截面抗彎承載力不足出現豎直裂縫。
2．非結構性裂縫
混凝土的非結構性裂縫根據其形成的時間可分為：混凝土硬化前裂縫、硬化過程裂縫和完全硬化後裂縫。非結構性裂縫的產生受混凝土材料組成、澆築方法，養護條件和使用環境等等多因素影響。
（1）收縮裂縫
混凝土凝固過程，混凝土中多餘水分蒸發，體積縮小稱為乾縮。同時，水泥和水起水化作用逐漸硬化而形成的水泥骨架不斷緊密，體積縮小，稱為凝縮。收縮中以乾縮為主，佔總收縮量的8/10~9/10。
收縮量隨時間增長而不斷加大，初期收縮較快，爾後日趨緩慢。普通混凝土在標準狀態下的極限收縮變形約為3.24×10－4。
當混凝土成形後，表面水份蒸發，這種水份蒸發總是由表及裡逐步發展，截面上溫度形成梯度，內外幹縮量不一樣，因而混凝土表面收縮變形受到混凝土內部約束或其他約束限制時，即在混凝土中產生拉應力，引起混凝土開裂。尤其是混凝土早期養護不當，混凝土表面直接受到風吹日曬的影響，表面水份蒸發過快，產生較大的拉應力，混凝土早期強底低，很容易出現收縮裂縫。
收縮裂縫發生在混凝土面層，裂縫淺而細，寬度多在0.05~0.2mm之間。
對板類構件多沿短邊方向，均勻分布於相鄰兩根鋼筋之間，方向與鋼筋平行。對高度較大的鋼筋混凝土梁，由於腰部水平鋼筋間距過大，在腰部（或腹板）產生豎向收縮裂縫，但多集中在構件中部，中間寬兩頭細，至梁的上、下緣附近逐漸消失，梁底一般沒有裂縫。大體積混凝土在平面部位收縮裂縫較多，側面也有所見。
收縮裂縫對構件承載力影響不大，主要影響影響結構外觀和耐久性。
（2）溫度裂縫
鋼筋混凝土結構隨著溫度變化將產生熱脹冷縮變形，這種溫度變形受到約束時，在混凝土內部就會產生拉應力，當此應力達到混凝土的抗拉強度極限值時，即會引起混凝土裂縫。這種裂縫稱為溫度裂縫。按結構的溫度場不同、溫度變形、溫度應力不同，溫度裂縫可分為三種型別：
①截面均勻溫差裂縫：
一般橋梁結構為桿件體系長細結構，當溫度變化時，構件截面受到均勻溫差的作用，可忽略橫截面兩個方向的變形，只考慮沿梁長度方向的溫度變形，當這種變形受到約束時，在混凝土內部就會產生拉應力，出現裂縫。例如：連續梁預留伸縮縫的伸縮量過小，或有施工散落的混凝土碎塊等雜物嵌入伸縮縫，或堆集於支座處沒有及時清理，使伸縮縫和支座失靈等，當溫度急劇變化時，結構伸長受到約束，上部橋跨結構就會出現這種截面均勻溫差裂縫，嚴重者還可能造成墩台的破壞。
②截面上、下溫差裂縫
以橋梁結構中大量採用的箱形梁為例，當外界溫度驟然變化時，會造成箱內外的溫度差，考慮到橋梁為長細結構，可以認為在沿梁長方向箱內外的溫差是一致的，沿水平橫向沒有溫差。可將三維熱傳等問題簡化為沿梁的豎向溫度梯度來確定，一般假設梁的截面高度方向、溫差呈線性變化。
在這種溫差作用下，梁不但有軸向變形，還伴隨產生彎曲變形。梁的彎曲變形在超靜定結構中不但引起結構的位移，而且因多餘約束存在，還要產生結構內部溫度應力。當上、下溫差變形產生的應力達到混凝土抗拉強度極限值時，混凝土就要出現裂縫，這種裂縫稱為截面上、下溫差裂縫。
③截面內外溫差裂縫
水泥在水化過程產生一定的水化熱，其大部分熱量是在水泥澆築後3天以內放出的。大體積混凝土產生的大量水化熱不容易散發，內部溫度不斷上公升，而混凝土表層散熱較快，使截面內部產生非線性溫度差。另外，預製構件採用蒸氣養護時，由於混凝土公升溫或降溫過快，致使混凝土表面劇烈公升溫或降溫，也會使截面內部產生非線性溫度差。
在這種截面溫差作用下，結構將產生彎曲變形，且符合平截面假設，截面縱向纖維因溫差的伸長將受到約束，產生溫度自應力。對超靜定結構還會產生阻止撓曲變形的約束應力。有時此溫度應力是相當大的，尤其是混凝土早期強度比較較低，很容易造成混凝土裂縫。
混凝土溫度裂縫有以下特點：
①裂縫發生在板上時，多為貫穿裂縫；發生在梁上多為表面裂縫。
②梁板式結構或長度較大的結構，裂縫多是平行於短邊。
③大面積結構（例如橋面鋪裝）裂縫多是縱橫交錯。
④裂縫寬度大小不一，一般在0.5mm以下，且沿結構全長沒有多大變化。
預防溫度裂縫的主要措施是合理設定溫度伸縮縫，在混凝土組成材料中摻入適量的磨細粉煤灰，減少水化熱，加強混凝土養護，嚴格控制公升溫和降溫速度。
（3）鋼筋鏽賬裂縫（順筋裂縫）
鋼筋混凝土結構的裂縫與鋼筋的腐蝕相互作用。裂縫會增加混凝土的滲透性，使鋼筋的腐蝕加重，另一方面鋼筋腐蝕後，腐蝕產物體積膨脹，使混凝土保護層沿縱筋方向出現裂縫，嚴重者混凝土保護層會完全脫落。
對預應力混凝土構件而言，由於預壓應力過大或管道灌漿受凍、膨脹等原因也可能出現順筋裂縫。這種裂縫是不可恢復的，會加劇預應力筋的腐蝕（又稱應力腐蝕），預應力筋腐蝕又會進一步加劇順筋裂縫的擴充套件。如此惡性迴圈，帶有極大的危險性，應引起足夠的重視，及時處理。
眾所周知，在鋼筋混凝土結構中鋼筋承擔拉力，混凝土承擔壓力，兩者組成乙個整體共同工作，混凝土保護鋼筋免於鏽蝕，保證了結構的耐久性。混凝土和鋼筋的強度是確定鋼筋混凝土結構構件抗力的基本引數，它隨時間的變化規律是建立在股結構抗力變化模型的基礎。
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