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經驗交流:淺析橋梁裂縫產生原因

發布時間:2010-01-14 共2頁

  摘要:近年來,我省交通基礎建設得到迅猛發展,各地興建了量的混凝土橋梁。在橋梁建造和使用過程中,有關因出現裂縫而影響工程質量甚至導橋梁垮塌的報道屢見不鮮。混凝土開裂可以說是“常發病”和“多發病”,經常困擾著橋梁工程技術人員。其實,如果采取一定的設計和施工措施,很多裂縫是可以克服和控制的。
  為了進一步加強對混凝土橋梁裂縫的認識,盡量避免工程中出現危害較的裂縫,本文盡可能對混凝土橋梁裂縫的種類和產生的原因作較全面的分析、總結,以方便設計、施工找出控制裂縫的可行辦法,達到防范于未然的作用。  
  關鍵詞:道路橋梁 裂縫    
  近年來,我省交通基礎建設得到迅猛發展,各地興建了量的混凝土橋梁。在橋梁建造和使用過程中,有關因出現裂縫而影響工程質量甚至導橋梁垮塌的報道屢見不鮮。混凝土開裂可以說是“常發病”和“多發病”,經常困擾著橋梁工程技術人員。其實,如果采取一定的設計和施工措施,很多裂縫是可以克服和控制的。為了進一步加強對混凝土橋梁裂縫的認識,盡量避免工程中出現危害較的裂縫,本文盡可能對混凝土橋梁裂縫的種類和產生的原因作較全面的分析、總結,以方便設計、施工找出控制裂縫的可行辦法,達到防范于未然的作用。
  混凝土橋梁裂縫種類、成因
  實際上,混凝土結構裂縫的成因復雜而繁多,甚至多種因素相互影響,但每一條裂縫均有其產生的一種或幾種主要原因。混凝土橋梁裂縫的種類,就其產生的原因,致可劃分如下幾種:
  一、荷載引起的裂縫
  混凝土橋梁在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫,歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。
直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫。裂縫產生的原因有:
  1、 設計計算階段,結構計算時不計算或部分漏算;計算模型不合理;結構受力假設與實際受力不符;荷載少算或漏算;內力與配筋計算錯誤;結構安全系數不夠。結構設計時不考慮施工的可能性;設計斷面不足;鋼筋設置偏少或布置錯誤;結構剛度不足;構造處理不當;設計圖紙交代不清等。
  2、 施工階段,不加限制地堆放施工機具、材料;不了解預制結構結構受力特點,隨意翻身、起吊、運輸、安裝;不按設計圖紙施工,擅自更改結構施工順序,改變結構受力模式;不對結構做機器振動下的疲勞強度驗算等。
  3、 使用階段,超出設計載荷的重型車輛過橋;受車輛、船舶的接觸、撞擊;發生風、雪、地震、爆炸等。
  次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生裂縫。裂縫產生的原因有:
  1、 在設計外荷載作用下,由于結構物的實際工作狀態同常規計算有出入或計算不考慮,從而在某些部位引起次應力導致結構開裂。例如兩鉸拱橋拱腳設計時常采用布置“X”形鋼筋、同時削減該處斷面尺寸的辦法設計鉸,理論計算該處不會存在彎矩,但實際該鉸仍然能夠抗彎,以至出現裂縫而導致鋼筋銹蝕。
  2、 橋梁結構中經常需要鑿槽、開洞、設置牛腿等,在常規計算中難以用準確的圖式進行模擬計算,一般根據經驗設置受力鋼筋。研究表明,受力構件挖孔后,力流將產生繞射現象,在孔洞附近密集,產生巨的應力集中。在長跨預應力連續梁中,經常在跨內根據截面內力需要截斷鋼束,設置錨頭,而在錨固斷面附近經常可以看到裂縫。因此,若處理不當,在這些結構的轉角處或構件形狀突變處、受力鋼筋截斷處容易出現裂縫。
  實際工程中,次應力裂縫是產生荷載裂縫的最常見原因。次應力裂縫多屬張拉、劈裂、剪切性質。次應力裂縫也是由荷載引起,僅是按常規一般不計算,但隨著現代計算手段的不斷完善,次應力裂縫也是可以做到合理驗算的。例如現在對預應力、徐變等產生的二次應力,不少平面桿系有限元程序均可正確計算,但在40年前卻比較困難。在設計上,應注意避免結構突變(或斷面突變),當不能回避時,應做局部處理,如轉角處做圓角,突變處做成漸變過渡,同時加強構造配筋,轉角處增配斜向鋼筋,對于較孔洞有條件時可在周邊設置護邊角鋼。
  荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現不同的特點。這類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位。但必須指出,如果受壓區出現起皮或有沿受壓方向的短裂縫,往往是結構達到承載力極限的標志,是結構破壞的前兆,其原因往往是截面尺寸偏小。根據結構不同受力方式,產生的裂縫特征如下:
  1、 中心受拉。裂縫貫穿構件橫截面,間距體相等,且垂直于受力方向。采用螺紋鋼筋時,裂縫之間出現位于鋼筋附近的次裂縫。
  2、 中心受壓。沿構件出現平行于受力方向的短而密的平行裂縫。
  3、 受彎。彎矩最截面附近從受拉區邊沿開始出現與受拉方向垂直的裂縫,并逐漸向中和軸方向發展。采用螺紋鋼筋時,裂縫間可見較短的次裂縫。當結構配筋較少時,裂縫少而寬,結構可能發生脆性破壞。
  4、 偏心受壓。偏心受壓和受拉區配筋較少的小偏心受壓構件,類似于受彎構件。
  5、 小偏心受壓。小偏心受壓和受拉區配筋較多的偏心受壓構件,類似于中心受壓構件。
  6、 受剪。當箍筋太密時發生斜壓破壞,沿梁端腹部出現于45°方向的斜裂縫;當箍筋適當時發生剪壓破壞,沿梁端中下部出現約45°方向相互平行的斜裂縫。
  7、 受扭。構件一側腹部先出現多條約45°方向斜裂縫,并向相鄰面以螺旋方向展開。
  8、 受沖切。沿柱頭板內四側發生約45°方向斜面拉裂,形成沖切面。
  9、局部受壓。在局部受壓區出現與壓力方向致平行的多條短裂縫。
  二、 溫度變化引起的裂縫
  混凝土具有熱脹冷縮性質,當外部環境或結構內部溫度發生變化,混凝土將發生變形,若變形遭到約束,則在結構內將產生應力,當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。在某些跨徑橋梁中,溫度應力可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合攏。引起溫度變化主要因素有:
  1、年溫差。一年中四季溫度不斷變化,但變化相對緩慢,對橋梁結構的影響主要是導致橋梁的縱向位移,一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設置柔性墩等構造措施相協調,只有結構的位移受到限制時才會引起溫度裂縫,例如拱橋、剛架橋等。我國年溫差一般以一月和七月月平均溫度的作為變化幅度。考慮到混凝土的蠕變特性,年溫差內力計算時混凝土彈性模量應考慮折減。
  2、日照。橋面板、主梁或橋墩側面受太陽曝曬后,溫度明顯高于其它部位,溫度梯度呈非線形分布。由于受到自身約束作用,導致局部拉應力較,出現裂縫。日照和下述驟然降溫是導致結構溫度裂縫的最常見原因
  3、驟然降溫。突降雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結構外表面溫度突然下降,但因內部溫度變化相對較慢而產生溫度梯度。日照和驟然降溫內力計算時可采用設計規范或參考實橋資料進行,混凝土彈性模量不考慮折減。
  4、水化熱。出現在施工過程中,體積混凝土(厚度超過2.0米)澆筑之后由于水泥水化放熱,致使內部溫度很高,內外溫差太,致使表面出現裂縫。施工中應根據實際情況,盡量選擇水化熱低的水泥品種,限制水泥單位用量,減少骨料入模溫度,降低內外溫差,并緩慢降溫,必要時可采用循環冷卻系統進行內部散熱,或采用薄層連續澆筑以加快散熱。
  5、蒸汽養護或冬季施工時施工措施不當,混凝土驟冷驟熱,內外溫度不均,易出現裂縫。
  6、預制T梁之間橫隔板安裝時,支座預埋鋼板與調平鋼板焊接時,若焊接措施不當,鐵件附近混凝土容易燒傷開裂。采用電熱張拉法張拉預應力構件時,預應力鋼材溫度可升高至350℃,混凝土構件也容易開裂。試驗研究表明,由火災等原因引起高溫燒傷的混凝土強度隨溫度的升高而明顯降低,鋼筋與混凝土的粘結力隨之下降,混凝土溫度達到300℃后抗拉強度下降50%,抗壓強度下降60%,光圓鋼筋與混凝土的粘結力下降80%;由于受熱,混凝土體內游離水量蒸發也可產生急劇收縮。
  三、 收縮引起的裂縫
  在實際工程中,混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。在混凝土收縮種類中,塑性收縮和縮水收縮(干縮)是發生混凝土體積變形的主要原因,另外還有自生收縮和炭化收縮。
  塑性收縮。發生在施工過程中、混凝土澆筑后4~5小時左右,此時水泥水化反應激烈,分子鏈逐漸形成,出現泌水和水分急劇蒸發,混凝土失水收縮,同時骨料因自重下沉,因此時混凝土尚未硬化,稱為塑性收縮。塑性收縮所產生量級很,可達1%左右。在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋,便形成沿鋼筋方向的裂縫。在構件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂底板交接處,因硬化前沉實不均勻將發生表面的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮,施工時應控制水灰比,避免過長時間的攪拌,下料不宜太快,振搗要密實,豎向變截面處宜分層澆筑。
  縮水收縮(干縮)。混凝土結硬以后,隨著表層水分逐步蒸發,濕度逐步降低,混凝土體積減小,稱為縮水收縮(干縮)。因混凝土表層水分損失快,內部損失慢,因此產生表面收縮、內部收縮小的不均勻收縮,表面收縮變形受到內部混凝土的約束,致使表面混凝土承受拉力,當表面混凝土承受拉力超過其抗拉強度時,便產生收縮裂縫。混凝土硬化后收縮主要就是縮水收縮。如配筋率較的構件(超過3%),鋼筋對混凝土收縮的約束比較明顯,混凝土表面容易出現龜裂裂紋。
  自生收縮。自生收縮是混凝土在硬化過程中,水泥與水發生水化反應,這種收縮與外界濕度無關,且可以是正的(即收縮,如普通硅酸鹽水泥混凝土),也可以是負的(即膨脹,如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土)。
  炭化收縮。氣中的二氧化碳與水泥的水化物發生化學反應引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發生,且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計算。
  混凝土收縮裂縫的特點是部分屬表面裂縫,裂縫寬度較細,且縱橫交錯,成龜裂狀,形狀沒有任何規律。
  研究表明,影響混凝土收縮裂縫的主要因素有:
  1、水泥品種、標號及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高,普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。另外水泥標號越低、單位體積用量越、磨細度越,則混凝土收縮越,且發生收縮時間越長。例如,為了提高混凝土的強度,施工時經常采用強行增加水泥用量的做法,結果收縮應力明顯加。
  2、骨料品種。骨料中石英、石灰巖、白云巖、花崗巖、長石等吸水率較小、收縮性較低;而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較、收縮性較高。另外骨料粒徑收縮小,含水量收縮越。
  3、水灰比。用水量越,水灰比越高,混凝土收縮越。
  4、外摻劑。外摻劑保水性越好,則混凝土收縮越小。
  5、養護方法。良好的養護可加速混凝土的水化反應,獲得較高的混凝土強度。養護時保持濕度越高、氣溫越低、養護時間越長,則混凝土收縮越小。蒸汽養護方式比自然養護方式混凝土收縮要小。
  6、外界環境。氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風速,則混凝土水分蒸發快,混凝土收縮越快。
  7、振搗方式及時間。機械振搗方式比手工搗固方式混凝土收縮性要小。振搗時間應根據機械性能決定,一般以5~15s/次為宜。時間太短,振搗不密實,形成混凝土強度不足或不均勻;時間太長,造成分層,粗骨料沉入底層,細骨料留在上層,強度不均勻,上層易發生收縮裂縫。
  對于溫度和收縮引起的裂縫,增配構造鋼筋可明顯提高混凝土的抗裂性,尤其是薄壁結構(壁厚20~60cm)。構造上配筋宜優先采用小直徑鋼筋(φ8~φ14)、小間距布置(@10~@15cm),全截面構造配筋率不宜低于0.3%,一般可采用0.3%~0.5%。

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