桥梁混凝土裂缝诱因及对策探讨

谢 添 程勇刚

摘 要: 对混凝土桥梁裂缝的种类和产生的原因进行分析、总结,以方便设计、施工找出控制裂缝的可行办法,达到防患于未然的作用。混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝,归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝二种。并探讨了收缩裂缝的控制,收缩裂缝的种类。

关键词: 混凝土裂缝; 原因; 对策

中图分类号: F407.9

1 直接应力裂缝

直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有:

(1)设计计算阶段:结构计算时不计算或部分漏算;计算模型不合理;结构受力假设与实际受力不符;荷载少算或漏算;内力与配筋计算错误;结构安全系数不够;结构设计时不考虑施工的可能性;设计断面不足;钢筋设置偏少或布置错误;结构刚度不足;构造处理不当;设计图纸交代不清等。

(2)施工阶段:不加限制地堆放施工机具、材料;不了解预制结构受力特点,随意翻身、起吊、运输、安装;不按设计图纸施工,擅自更改结构施工顺序,改变结构受力模式;不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。

(3)使用阶段:超出设计载荷的重型车辆过桥;受车辆、船舶的接触、撞击;发生大风、大雪、地震、爆炸等。

2 次应力裂缝

次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有:

(1)在设计外荷载作用下,由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑,从而在某些部位引起次生应力,导致结构开裂。

(2)桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等,在常规计算中难以用准确的因式进行模拟计算,一般根据经验设置受力钢筋。研究表明,受力构件挖孔后,力流将产生绕射现象,在孔洞附近密集,产生巨大的应力集中。

3 温度裂缝

混凝土具有热胀冷缩性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内将产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。温度裂缝区别其他裂缝最主要特征是随温度变化而扩张或合拢。造成温度裂缝的主要原因有:

(1)年温差。

一年中四季温度不断变化,但变化相对缓慢,对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移,一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调,只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝。考虑到混凝土的蠕变特性,年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。

(2)日照。

桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳暴晒后,温度明显高于其他部位,温度梯度呈非线性分布,由于受到自身约束作用,导致局部拉应力较大,出现裂缝。

(3) 骤然降温。

突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降,但因内部温度变化相对较馒而产生温度梯度从而导致产生结构温度裂缝。

(4) 水化热。

出现在施工过程中,大体积混凝土(厚度超过2m)浇筑之后由于水泥水化故热,致使内部温度很高,内外温差太大,致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况,尽量选择水化热低的水泥品种,限制水泥单位用量,减少骨料人模温度,降低内外温差,并缓慢降温,必要时可采用循环冷却系统进行内部散热,或采用薄层连续浇筑以加快散热。

(5) 施工不当。

蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当,混凝土骤冷骡热。内外温度不均,易出现裂缝。

(6) 焊接不当。

预制T梁之间横隔板安装时,支座预埋钢板与调平钢板焊接时,若焊接措施不当,铁件附近混凝土容易烧伤开裂。

4 收缩裂缝

在实际工程中,混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中,塑性收缩和缩水收缩(干缩)是发生混凝土体积变形的主要原因。

(1)收缩种类。

①塑性收缩:发生在施工过程中、混凝土浇筑后4—5h,此时水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,出现泌水和水分急剧蒸发,混凝土失水收缩,同时骨料因白重下沉,因此时混凝土尚未硬化,称为塑性收缩。为减小混凝土塑性收缩,施工时应控制水灰比,避免过长时间的搅拌,下料不宜太快,振捣要密实,竖向变截面处宜分层浇筑

②缩水收缩:混凝土结硬以后,随着表层水分逐步蒸发,湿度逐步降低,混凝土体积减小,称为缩水收缩(干缩)。因混凝土表层水分损失快,内部损失慢,因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩,表面收缩变形受到内部混凝土的约束,致使表面混凝土承受拉力,当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。

混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝,裂缝宽度较细,且纵横交错,成龟裂状,形状没有任何规律,影响混凝土收缩裂缝的主要因素有:①水泥品种、标号及用量。矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土收缩性较高,普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。另外水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越大,则混凝土收缩越大,且发生收缩时间越长。例如,为了提高混凝土的强度,施工时经常采用强行增加水泥用量的做法,结果收缩应力明显加大。②骨料品种。骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低;而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大、收缩性较高。另外骨料粒径大收缩小,含水量大收缩越大。③水灰比。用水量越大,水灰比越高,混凝土收缩越大。④外掺剂。外掺剂保水性越好,则混凝土收缩越小。⑤养护方法。良好的养护可加速混凝土的水化反应,获得较高的混凝土强度。蒸气养护方式比自然养护方式混凝土收缩要小。养护时保持湿度越高、气温越低、养护时间越长则混凝土收缩越小。⑥外界环境。大气中湿度小、空气干燥、温度高、风速大,则混凝土水分蒸发快,混凝土收缩越快。

(2)收缩裂缝的控制。

由于混凝土质量较差或保护层厚度不足,混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氮化物介入,钢筋周围氮离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2—4倍,从而对周围混凝土产生膨胀应力,导致保护层混凝土开裂、剥离,沿钢筋纵向产生裂缝,并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀,使得钢筋有效断面面积减小,钢筋与混凝土握裹力削弱,结构承载力下降,并将诱发其他形式的裂缝,加剧钢筋锈蚀,导致结构破坏。

要防止钢筋锈蚀,设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用足够的保护层厚度(当然保护层亦不能太厚,否则构件有效高度减小,受力时将加大裂缝宽度);施工时应控制泥凝土的水灰比,加强振捣,保证混凝土的密实性,防止氧气侵入,同时严格控制含氮盐的外加剂用量,沿海地区或其他存在腐蚀性强的空气、地下水地区尤其应慎重。

参考文献

[1]@ 倪小华.加强桥梁工程质量管理的若干思考[J].大众科技,2005,(5).

[2]@许立英.桥梁工程发展浅述[J].甘肃科技,2005,(4).

[3]@肖耀明.钢筋混凝土剪力墙结构裂缝分析与预防[J].广东科技,2006,(8).

[4]@姚雷生.浅谈桥梁裂缝产生的原因[J].科技信息(学术版),2006,(10).