橋梁裂縫原因分析及控制技術

雖然學術界對于混凝土裂縫的成因和計算方法有不同的理論,但總的來說對于具體的預防和改進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施過程中多觀察,、多比較,出現(xiàn)問題后多分析、多總結,結合多種預防及處理應對措施,混凝土的裂縫是完全可以控制在允許的范圍之內,也不致于對施工造成重大的經濟損失,。

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

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

(1)直接應力裂縫是指由外荷載引起的直接應力而產生的裂縫,。產生的原因有:①設計階段,。計算模型不合理;結構受力假設與實際情況不吻合;結構安全系數(shù)不夠;結構剛度不足;構造處理不當:荷載少算或漏算;設計斷面不足;內力與配筋計算錯誤;鋼筋設置偏少或布置錯誤;結構設計沒有考慮施工的可能性;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;不了解預制構件的結構受力特點,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,改變結構受力模型;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、船舶的接觸和撞擊;發(fā)生大風,、大雪,、地震、爆炸等,。

(2)次應力裂縫是指由外荷載引起的次應力而產生的裂縫,。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(tài)同常規(guī)計算有出入或計算考慮不周,從而在某些部位引起次應力導致結構開裂;②橋梁結構中經常需要開槽、鑿洞,、設置牛腿等,在常規(guī)計算中難以用準確的圖形進行模擬受力計算,通常都根據(jù)經驗布置受力鋼筋,而大研究表明,受力構件挖孔之后,力流將會產生繞射現(xiàn)象,在孔洞附近密集,產生巨大的應力集中,。例如在大跨徑的預應力連續(xù)梁中,經常會發(fā)生由于跨內截面內力的需要而截斷鋼束,設置錨頭的現(xiàn)象,以致在錨固斷面附近產生裂縫誘因,若處理不當,在這些結構的轉角處或者構件形狀突變處、受力鋼筋的截斷處容易出現(xiàn)裂縫,。在實際工程中,次應力裂縫是產生荷載裂縫的常見原因,。

混凝土具有熱脹冷縮的特性,。當環(huán)境或結構內部溫度發(fā)生變化時,混凝土會發(fā)生變形,如變形受到約束,則在結構內會有應力產生,一旦應力超過混凝土的抗拉強度就會產生溫度裂縫,在一些大跨徑的鋼筋混凝士橋梁中,溫度應力甚至可以超出活荷載的應力。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,對橋梁結構的影響主要是導致橋梁的縱向位移產生,該情況一般可通過橋面伸選自.投標書代寫網 yipai178.com 縮縫、支座或者設置柔性墩等構造措施來緩沖,只有當結構的位移受到限制時才會引起溫度裂縫,。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,年溫差內力計算為混凝土的彈性模量應當考慮一定的折減系數(shù),。

(2)目照。橋面板,、主梁或橋墩側面受太陽曝曬后,溫度會大大高于其它部位,導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,導致局部的拉應力較大,出現(xiàn)裂縫,。

(3)突然降溫。突降大雨,、冷空氣侵襲,、日落等可以導致橋梁混凝土結構外表面溫度突然下降,而內部的溫度變化相對較慢而產生溫度梯度,由此造成應力變化而出現(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,此時水泥的水化反應開始劇烈,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,同時骨料因自重下沉,此時由于混凝土尚未硬化,故稱為塑性收縮,。塑性收縮產生的量級一般很大,可達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,因硬化前沉實的不均勻多會產生表面的順腹板方向的裂縫。

(2)縮水收縮(干縮),?；炷两Y硬以后,隨著表層水分的不斷蒸發(fā),濕度逐步降低,導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,而內部損失慢,因此產生表面收縮大,、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,當表面混凝土承受的拉力超過其抗拉強度時,即會產生收縮裂縫,。混凝土硬化以后的收縮主要就是縮水收縮,。例如配筋率較大的構件(超過3%時),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,。混凝士收縮裂縫的特點是大部分屬于表面裂縫,裂縫寬度較細,且縱橫交錯,成龜裂狀,沒有任何規(guī)律,。

由于混凝土的質量較差或保護層的厚度不夠,導致空氣中的二氧化碳侵蝕到混凝土構件內的鋼筋表面,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,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生膨脹應力,導致保護層混凝土開裂,、剝離,同時會沿鋼筋縱向產生裂縫,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,造成結構承載力下降,誘發(fā)其它形式的裂縫產生,嚴重的還會導致結構破壞,。

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量不合格,亦會導致結構產生裂縫。 　　

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

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

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

(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不足,而硬化后又沉實過大,容易發(fā)生澆筑數(shù)小時后產生裂縫(即塑性收縮裂縫)的現(xiàn)象;

(4)混凝土攪拌、運輸時間過長,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,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,導致混凝土出現(xiàn)裂縫;

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

(8)裝配式結構的施工,在構件運輸,、堆放時,支承墊木不在一條垂直線上,或懸臂過長,或運輸過程中劇烈顛跛和碰撞,吊裝時吊點位置不當, T梁等側向剛度較小的構件,側向無可靠的加固措施等,均可能產生裂縫,。

綜上所述,橋梁混凝土產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生,。

(1)選擇合適的水泥和嚴格控制好水泥用量,。優(yōu)先采用525R, 425R普通水泥等高標號水泥,減少水泥用量;選用低熱水泥,減少水化熱,并盡量選用后期強度大的水泥,并延緩峰值。在滿足設計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,降低混凝士自身產生的拉應力,。

(2)嚴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,不得混和有機質等雜物,杜絕使用海砂,。

(3)選擇適當?shù)耐饧觿┖秃线m的配合比,。為保證混凝土工程質量,防止開裂,提高混凝土的耐久性,可以根據(jù)設計要求,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,我們在工程實踐中應多進行試驗對比和研究,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、經濟,。

(4)增加適當?shù)念A埋件,。在混凝土易開裂部位埋設應力應變傳感片,直接測試拉應力,以便更直接的控制混凝土,保證混凝土不產生裂縫;在基礎面筋上可加設鐵絲網或小直徑的鋼筋網,用于提高混凝土的表面抗裂性,。

(5)改進施工技術,加強技術管理。例如在施工時加強插筋位置的振搗,、抹壓,、養(yǎng)護,同時加強初凝前的抹壓,可以消除初期裂縫,并可提高混凝土的抗拉強度;在施工前應加強原材料的檢驗、試驗工作,施工中嚴格按照方案及交底的要求指導施工,明確分工,責任到人,加強計量監(jiān)測工作,定時檢查并做好詳細記錄,認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,在實施的過程中,必須嚴格根據(jù)施工方案落實到位,。

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

(1)拌合混凝土時用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度;

(2)夏天澆筑混凝土時減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱;

(3)在混凝士中埋設水管,通入冷水進行內部降溫;

(4)嚴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采取有效措施降低入模溫度,同時澆筑混凝土時最好不要讓混凝土在太陽下直接爆曬;

(5)控制好拆模時間,氣溫驟降時進行表面保溫,避免混凝土表面產生急劇的溫度梯度,。當混凝土溫度高于氣溫時應適當考慮拆模時間,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力,出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象,與水化熱應力迭加后再加上混凝土的干縮,表面的拉應力會達到很大的數(shù)值,有導致裂縫產生的危險,。如果需要早期拆模,則在拆除模板后應及時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生過大的拉應力有著顯著的效果,。

大量實踐證明,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。從溫度應力觀點出發(fā),保溫應達到下述要求:

(1)防止混凝土內外溫度差及混凝土表面產生梯度;

(2)防止混凝土超冷,應盡量設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)護問題,。混凝土的早期養(yǎng)護,主要目的在于保持適宜的溫濕條件,以達到兩個方面的效果,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行,以期達到設計的強度和抗裂能力,。適宜的溫濕度條件是相互關聯(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)護的關鍵時期,對于混凝土的早期養(yǎng)護在施工中應切實引起重視,。

在工程實體質量形成中,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,但它對工程實體質量的影響是重要的,。可見,重視特殊過程的質量控制是積極的質量控制,。在實踐中,過程的系統(tǒng)控制方法是特殊過程質量控制有效的,、經濟的、可操作的方法;將復雜技術層面上的或難以或無法實施的,、或不經濟的過程結果的符合性驗證,調整為過程影響環(huán)節(jié)和影響因素的質量控制,有利于監(jiān)理工程師主動實施特殊過程質量控制,。一般情況下,主動實施質量控制的成本低于被動實施質量控制的成本。由此,過程的系統(tǒng)控制方法比較經濟,是參建各方都能接受的方法,有利于參建各方共同促進特殊過程的質量控制,。

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