橋梁裂縫原因分析及控制技術(shù)

雖然學(xué)術(shù)界對于混凝土裂縫的成因和計(jì)算方法有不同的理論,但總的來說對于具體的預(yù)防和改進(jìn)措施意見還是比較統(tǒng)一的。因此我們只要在具體的施工實(shí)施過程中多觀察,、多比較,出現(xiàn)問題后多分析,、多總結(jié),結(jié)合多種預(yù)防及處理應(yīng)對措施,混凝土的裂縫是完全可以控制在允許的范圍之內(nèi),也不致于對施工造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的原因復(fù)雜多變,有多種因素的相互影響,但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要原因,就其產(chǎn)生的原因,大致可劃分為以下六大類:

混凝土橋梁在常規(guī)靜,、動荷載及次應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂縫稱為荷載裂縫,可分為直接應(yīng)力和次應(yīng)力裂縫兩種,。

(1)直接應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的直接應(yīng)力而產(chǎn)生的裂縫。產(chǎn)生的原因有:①設(shè)計(jì)階段,。計(jì)算模型不合理;結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際情況不吻合;結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠;結(jié)構(gòu)剛度不足;構(gòu)造處理不當(dāng):荷載少算或漏算;設(shè)計(jì)斷面不足;內(nèi)力與配筋計(jì)算錯誤;鋼筋設(shè)置偏少或布置錯誤;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有考慮施工的可能性;設(shè)計(jì)圖紙交代不清等;②施工階段,。不加限制地堆放施工機(jī)具,、材料;不了解預(yù)制構(gòu)件的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),隨意翻身,、起吊、運(yùn)輸,、安裝;不按設(shè)計(jì)圖紙施工;擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序,改變結(jié)構(gòu)受力模型;不對結(jié)構(gòu)做機(jī)器振動下的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算等;③使用階段,。超出設(shè)計(jì)載荷的重型車輛過橋;受車輛,、船舶的接觸和撞擊;發(fā)生大風(fēng)、大雪,、地震,、爆炸等。

(2)次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次應(yīng)力而產(chǎn)生的裂縫,。產(chǎn)生的原因有:①在設(shè)計(jì)外荷載作用下,由于結(jié)構(gòu)物的實(shí)際工作狀態(tài)同常規(guī)計(jì)算有出入或計(jì)算考慮不周,從而在某些部位引起次應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂;②橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要開槽,、鑿洞、設(shè)置牛腿等,在常規(guī)計(jì)算中難以用準(zhǔn)確的圖形進(jìn)行模擬受力計(jì)算,通常都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)布置受力鋼筋,而大研究表明,受力構(gòu)件挖孔之后,力流將會產(chǎn)生繞射現(xiàn)象,在孔洞附近密集,產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中,。例如在大跨徑的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁中,經(jīng)常會發(fā)生由于跨內(nèi)截面內(nèi)力的需要而截?cái)噤撌?設(shè)置錨頭的現(xiàn)象,以致在錨固斷面附近產(chǎn)生裂縫誘因,若處理不當(dāng),在這些結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處或者構(gòu)件形狀突變處,、受力鋼筋的截?cái)嗵幦菀壮霈F(xiàn)裂縫。在實(shí)際工程中,次應(yīng)力裂縫是產(chǎn)生荷載裂縫的常見原因,。

混凝土具有熱脹冷縮的特性,。當(dāng)環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化時(shí),混凝土?xí)l(fā)生變形,如變形受到約束,則在結(jié)構(gòu)內(nèi)會有應(yīng)力產(chǎn)生,一旦應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度就會產(chǎn)生溫度裂縫,在一些大跨徑的鋼筋混凝士橋梁中,溫度應(yīng)力甚至可以超出活荷載的應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別于其它裂縫的最主要特征是它會隨著溫度的變化而變化,。引起溫度變化的主要因素有:

(1)年溫差,。一年四季溫度不斷變化,由于變化相對緩慢,對橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向位移產(chǎn)生,該情況一般可通過橋面伸選自.投標(biāo)書代寫網(wǎng) yipai178.com 縮縫、支座或者設(shè)置柔性墩等構(gòu)造措施來緩沖,只有當(dāng)結(jié)構(gòu)的位移受到限制時(shí)才會引起溫度裂縫,。我國的年溫差一般以一月和七月的月平均溫度作為變化幅度,考慮到混凝土的蠕變特性,年溫差內(nèi)力計(jì)算為混凝土的彈性模量應(yīng)當(dāng)考慮一定的折減系數(shù),。

(2)目照。橋面板,、主梁或橋墩側(cè)面受太陽曝曬后,溫度會大大高于其它部位,導(dǎo)致溫度梯度呈明顯的非線形分布,由于受到自身約束力的作用,導(dǎo)致局部的拉應(yīng)力較大,出現(xiàn)裂縫,。

(3)突然降溫。突降大雨,、冷空氣侵襲,、日落等可以導(dǎo)致橋梁混凝土結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降,而內(nèi)部的溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫度梯度,由此造成應(yīng)力變化而出現(xiàn)裂縫。

在大量的橋梁工程施工過程中,混凝土因收縮而引起的裂縫是最普遍的,。在混凝土收縮的種類中,塑性收縮和縮水收縮(干縮)是發(fā)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兩種情形,。

(1)塑性收縮?；炷翝仓┕ず蟮? h~5 h左右,此時(shí)水泥的水化反應(yīng)開始劇烈,分子鏈逐漸形成,出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)現(xiàn)象,混凝土發(fā)生失水收縮,同時(shí)骨料因自重下沉,此時(shí)由于混凝土尚未硬化,故稱為塑性收縮,。塑性收縮產(chǎn)生的量級一般很大,可達(dá)1%左右,若骨料在下沉過程中受到鋼筋的阻擋,便可形成沿鋼筋方向的裂縫。在構(gòu)件的豎向變截面處如T梁,、箱梁的腹板與頂板,、底板的交接處,因硬化前沉實(shí)的不均勻多會產(chǎn)生表面的順腹板方向的裂縫。

(2)縮水收縮(干縮),?；炷两Y(jié)硬以后,隨著表層水分的不斷蒸發(fā),濕度逐步降低,導(dǎo)致混凝土的體積減小,稱為縮水收縮(干縮)。由于混凝土表層的水分損失快,而內(nèi)部損失慢,因此產(chǎn)生表面收縮大,、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮,表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束,致使表面混凝土承受拉力,當(dāng)表面混凝土承受的拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí),即會產(chǎn)生收縮裂縫,?；炷劣不院蟮氖湛s主要就是縮水收縮。例如配筋率較大的構(gòu)件(超過3%時(shí)),鋼筋對混凝土收縮的約束就比較明顯,混凝土表面更容易出現(xiàn)龜裂裂紋,?；炷渴湛s裂縫的特點(diǎn)是大部分屬于表面裂縫,裂縫寬度較細(xì),且縱橫交錯,成龜裂狀,沒有任何規(guī)律。

由于混凝土的質(zhì)量較差或保護(hù)層的厚度不夠,導(dǎo)致空氣中的二氧化碳侵蝕到混凝土構(gòu)件內(nèi)的鋼筋表面,使鋼筋周圍的混凝土堿度降低,或者由于氯化物的介入,使鋼筋周圍的氯離子含量增大,引起鋼筋表面的氧化膜發(fā)生破壞,使鋼筋中的鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應(yīng),其銹蝕物氫氧化鐵的體積比原狀體積增加2倍~4倍,從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂,、剝離,同時(shí)會沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫,并有銹跡滲透到混凝土表面,。由于銹蝕的原因,使得鋼筋的有效截面面積縮小,鋼筋與混凝土的包裹力削弱,造成結(jié)構(gòu)承載力下降,誘發(fā)其它形式的裂縫產(chǎn)生,嚴(yán)重的還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

混凝土主要由水泥,、砂,、石骨料、拌和水和外加劑組成,。配置混凝土用的材料如果質(zhì)量不合格,亦會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫,。 　　

在橋梁混凝土的結(jié)構(gòu)澆筑、預(yù)制構(gòu)件制作,、起模,、運(yùn)輸、堆放,、拼裝及吊裝的過程中,如果施工工藝不合理,、施工質(zhì)量低劣,易產(chǎn)生縱向、橫向,、斜向,、豎向、水平,、淺表,、深進(jìn)和貫穿等各種形式的裂縫,特別是細(xì)長的薄壁結(jié)構(gòu)更易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位和走向,、裂縫的寬度因產(chǎn)生的原因而不同,比較典型的有:

(1)混凝土保護(hù)施工超標(biāo)或澆筑過程中踩踏已綁扎好的上層鋼筋,致使承受負(fù)彎矩的受力筋保護(hù)層加厚,導(dǎo)致構(gòu)件的有效高度減小,形成受力鋼筋垂直方向的裂縫;

(2)混凝土的振搗不密實(shí),、不均勻,出現(xiàn)蜂窩、麻面,、空洞,導(dǎo)致鋼筋銹蝕或產(chǎn)生其它荷載裂縫的起源點(diǎn);

(3)混凝土澆筑施工過快,混凝士的流動性較低,在硬化前因混凝土沉實(shí)不足,而硬化后又沉實(shí)過大,容易發(fā)生澆筑數(shù)小時(shí)后產(chǎn)生裂縫(即塑性收縮裂縫)的現(xiàn)象;

(4)混凝土攪拌,、運(yùn)輸時(shí)間過長,使水分蒸發(fā)過多,引起混凝土坍落度過低,使得混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則的裂縫;

(5)混凝土分層或分段澆筑時(shí),接頭位置處理不好,易造成新舊混凝土和施工縫之間出現(xiàn)裂縫;

(6)施工前對支架的壓實(shí)不夠或支架剛度不足,澆筑混凝土后支架發(fā)生不均勻下沉,導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫;

(7)施工時(shí)模板的剛度不足,在澆筑混凝士時(shí),由于側(cè)向壓力的作用使得模板發(fā)生變形,從而產(chǎn)生與模板變形一致的裂縫;

(8)裝配式結(jié)構(gòu)的施工,在構(gòu)件運(yùn)輸、堆放時(shí),支承墊木不在一條垂直線上,或懸臂過長,或運(yùn)輸過程中劇烈顛跛和碰撞,吊裝時(shí)吊點(diǎn)位置不當(dāng), T梁等側(cè)向剛度較小的構(gòu)件,側(cè)向無可靠的加固措施等,均可能產(chǎn)生裂縫,。

綜上所述,橋梁混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因可以歸納為以下三個大的方向:溫度,、收縮及抗拉,在施工過程中可以通過以下措施控制混凝土裂縫的產(chǎn)生。

(1)選擇合適的水泥和嚴(yán)格控制好水泥用量,。優(yōu)先采用525R, 425R普通水泥等高標(biāo)號水泥,減少水泥用量;選用低熱水泥,減少水化熱,并盡量選用后期強(qiáng)度大的水泥,并延緩峰值,。在滿足設(shè)計(jì)和混凝十可泵性的前提下,將425R水泥用量控制在450 kg/m3, 525R水泥用量控制在360 kg/m3以內(nèi),降低混凝士自身產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

(2)嚴(yán)格控制骨料級配和含泥量。選用10mm~40mm的連續(xù)級配碎石(其中10 mm~30 mm的級配含量控制在65%左右),細(xì)度模數(shù)為2·80~3·00的中砂(通過0·315凹篩孔的砂不少于15%,砂率控制在40% ~45% ),砂,、石的含泥量控制在1%以內(nèi),不得混和有機(jī)質(zhì)等雜物,杜絕使用海砂,。

(3)選擇適當(dāng)?shù)耐饧觿┖秃线m的配合比,。為保證混凝土工程質(zhì)量,防止開裂,提高混凝土的耐久性,可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求,在混凝土中摻加一定用量的外加劑,如防水劑,、膨脹劑、減水劑,、緩凝劑等,。許多外加劑都有緩凝、增加和易性,、改善塑性的功能,我們在工程實(shí)踐中應(yīng)多進(jìn)行試驗(yàn)對比和研究,選擇好合適的外加劑比單純依靠改善外部條件,可能會更加簡捷,、經(jīng)濟(jì)。

(4)增加適當(dāng)?shù)念A(yù)埋件,。在混凝土易開裂部位埋設(shè)應(yīng)力應(yīng)變傳感片,直接測試?yán)瓚?yīng)力,以便更直接的控制混凝土,保證混凝土不產(chǎn)生裂縫;在基礎(chǔ)面筋上可加設(shè)鐵絲網(wǎng)或小直徑的鋼筋網(wǎng),用于提高混凝土的表面抗裂性,。

(5)改進(jìn)施工技術(shù),加強(qiáng)技術(shù)管理。例如在施工時(shí)加強(qiáng)插筋位置的振搗,、抹壓,、養(yǎng)護(hù),同時(shí)加強(qiáng)初凝前的抹壓,可以消除初期裂縫,并可提高混凝土的抗拉強(qiáng)度;在施工前應(yīng)加強(qiáng)原材料的檢驗(yàn)、試驗(yàn)工作,施工中嚴(yán)格按照方案及交底的要求指導(dǎo)施工,明確分工,責(zé)任到人,加強(qiáng)計(jì)量監(jiān)測工作,定時(shí)檢查并做好詳細(xì)記錄,認(rèn)真對待澆筑過程中可能出現(xiàn)的冷縫,并采取措施加以杜絕,在實(shí)施的過程中,必須嚴(yán)格根據(jù)施工方案落實(shí)到位,。

為了防止裂縫,減輕溫度應(yīng)力可以從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手,。控制溫度應(yīng)力的措施有以下幾種:

(1)拌合混凝土?xí)r用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度;

(2)夏天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱;

(3)在混凝士中埋設(shè)水管,通入冷水進(jìn)行內(nèi)部降溫;

(4)嚴(yán)格控制混凝土的入模溫度,。橋梁的大體積混凝土澆筑最宜選在春秋節(jié)施工,如果必須在夏季施工應(yīng)采取有效措施降低入模溫度,同時(shí)澆筑混凝土?xí)r最好不要讓混凝土在太陽下直接爆曬;

(5)控制好拆模時(shí)間,氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫,避免混凝土表面產(chǎn)生急劇的溫度梯度,。當(dāng)混凝土溫度高于氣溫時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮拆模時(shí)間,以免引起混凝土表面的早期裂縫。新澆筑的混凝土如早期拆模,在表面會引起很大的拉應(yīng)力,出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象,與水化熱應(yīng)力迭加后再加上混凝土的干縮,表面的拉應(yīng)力會達(dá)到很大的數(shù)值,有導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的危險(xiǎn),。如果需要早期拆模,則在拆除模板后應(yīng)及時(shí)在表面覆蓋一層輕型保溫材料,這些對于防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力有著顯著的效果,。

大量實(shí)踐證明,混凝土常見的裂縫,大多數(shù)是不同深度的表面裂縫,其主要原因是溫度梯度造成的,寒冷地區(qū)的溫度驟降也容易形成裂縫,因此混凝士的保溫對防止表面早期裂縫尤為重要。從溫度應(yīng)力觀點(diǎn)出發(fā),保溫應(yīng)達(dá)到下述要求:

(1)防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面產(chǎn)生梯度;

(2)防止混凝土超冷,應(yīng)盡量設(shè)法使混凝土施工期間的最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度;

(3)防止老混凝土面的過冷,以減少新老混凝土間的約束,。

從保溫的角度,就牽涉到混凝土的早期養(yǎng)護(hù)問題,。混凝土的早期養(yǎng)護(hù),主要目的在于保持適宜的溫濕條件,以達(dá)到兩個方面的效果,一方面使混凝土免受不利溫度,、濕度變形的侵襲,防止有害的冷縮和干縮,另一方面使水泥水化作用順利進(jìn)行,以期達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和抗裂能力,。適宜的溫濕度條件是相互關(guān)聯(lián)的,混凝土的保溫措施常常也有保濕的效果。從理論上分析,新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求并且有余,但由于蒸發(fā)等原因常常會引起水分損失,從而推遲或妨礙水泥的水化,其中表面混凝土是最容易而且最直接的遭受到這種不利影響,因此混凝土澆筑后的最初幾天是養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期,對于混凝土的早期養(yǎng)護(hù)在施工中應(yīng)切實(shí)引起重視,。

在工程實(shí)體質(zhì)量形成中,特殊過程有可能只是眾多環(huán)節(jié)中的一個或者容易疏漏的一個,但它對工程實(shí)體質(zhì)量的影響是重要的,。可見,重視特殊過程的質(zhì)量控制是積極的質(zhì)量控制,。在實(shí)踐中,過程的系統(tǒng)控制方法是特殊過程質(zhì)量控制有效的,、經(jīng)濟(jì)的、可操作的方法;將復(fù)雜技術(shù)層面上的或難以或無法實(shí)施的、或不經(jīng)濟(jì)的過程結(jié)果的符合性驗(yàn)證,調(diào)整為過程影響環(huán)節(jié)和影響因素的質(zhì)量控制,有利于監(jiān)理工程師主動實(shí)施特殊過程質(zhì)量控制,。一般情況下,主動實(shí)施質(zhì)量控制的成本低于被動實(shí)施質(zhì)量控制的成本,。由此,過程的系統(tǒng)控制方法比較經(jīng)濟(jì),是參建各方都能接受的方法,有利于參建各方共同促進(jìn)特殊過程的質(zhì)量控制。

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