橋梁混凝土裂縫成因和預(yù)防措施分析

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1 前言

　　隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，各地興建了大量的混凝土橋梁。在橋梁建造和使用過程中，由于混凝土裂縫而影響工程質(zhì)量甚至造成橋梁坍塌的事例屢見不鮮?；炷?plusmn;開裂可以說是“常發(fā)病”和“多發(fā)病”，嚴(yán)重影響了橋梁的使用性能，也經(jīng)常困擾著橋梁工程技術(shù)人員。要想控制橋梁混凝土裂縫的產(chǎn)生，就必須了解其成因。本文就橋梁裂縫的產(chǎn)生原因作一分析，供參考。

　　2 橋梁混凝土裂縫種類及其成因

　　2.1 荷載引起的裂縫混凝土橋梁在常規(guī)靜、動(dòng)荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱為荷載裂縫，分為直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。

　　直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：1）設(shè)計(jì)計(jì)算階段的結(jié)構(gòu)計(jì)算不合理，受力假設(shè)與實(shí)際受力不符，安全系數(shù)不夠，不考慮施工的可能性，構(gòu)造處理不當(dāng)?shù)取?）施工階段中不加限制的堆放施工機(jī)具、材料；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)施工順序等。3）使用階段時(shí)超出設(shè)計(jì)荷載的重型車輛過橋；受車輛、船舶的接觸、撞擊；發(fā)生地震、爆炸等。

　　次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。如橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽、開洞、設(shè)置牛腿等，這些難以用準(zhǔn)確的圖式進(jìn)行計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置受力鋼筋。研究表明，受力構(gòu)件挖孔后力流將產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，并在孔洞附近聚集產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中。實(shí)際工程中次應(yīng)力是產(chǎn)生荷載裂縫的最常見原因。次應(yīng)力裂縫多屬于張拉、劈裂、剪切性質(zhì)。在設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)突變（或截面突變），當(dāng)不能同時(shí)避免時(shí)，應(yīng)做局部處理，如轉(zhuǎn)角做成圓角或倒角，同時(shí)加強(qiáng)構(gòu)造配筋，轉(zhuǎn)角處配置斜向鋼筋，對(duì)于較大孔洞有條件時(shí)可在周邊設(shè)置護(hù)邊角鋼。

　　2.2 溫度變化引起的裂縫當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化時(shí)，混凝土將發(fā)生變形，結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。引起溫度變化的主要因素有：1）年溫差。一年中四季溫度不斷變化，當(dāng)結(jié)構(gòu)的位移受到限制時(shí)就會(huì)引起溫度裂縫。年溫差一般以一月和七月的月平均溫度作為變化幅度。2）日照。

　　橋面板、主梁或橋墩側(cè)面受太陽(yáng)曝曬后，溫度明顯高于其他部位，溫度分布呈非線形分布。由于受到自身約束作用，導(dǎo)致局部拉應(yīng)力較大，出現(xiàn)裂縫。日照和驟然降溫是導(dǎo)致溫度裂縫的最常見原因。3)驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但由于內(nèi)部溫度下降較慢而產(chǎn)生溫度梯度。日照和驟然降溫內(nèi)力計(jì)算時(shí)可采用設(shè)計(jì)規(guī)范或參考實(shí)際資枓進(jìn)行，混凝土彈性模量不考慮折減。4)水化熱。出現(xiàn)在施工過程中，大體積混凝土(厚度超過2m)澆筑后由于水泥水化放熱，使混凝土內(nèi)部溫度升高，內(nèi)外溫差太大，致使表面出現(xiàn)裂縫。5)蒸汽養(yǎng)一護(hù)或冬季施工時(shí)施工措施不當(dāng)，混凝土驟冷驟熱，內(nèi)外溫度不均，易出現(xiàn)裂縫。

　　2.3 收縮引起的裂縫塑性收縮：混凝土澆筑后4h～5h左右，水泥水化反應(yīng)劇烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時(shí)骨科因自重下沉，而此時(shí)混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。在骨科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(gòu)件豎向變截面處如丁梁、箱梁腹板與頂?shù)装褰唤犹帲蛴不俺翆?shí)不均勻?qū)l(fā)生表面的順腹板方向裂縫。

　　干縮：混凝土結(jié)硬以后，隨著表面水分逐漸蒸發(fā)，溫度逐漸降低，混凝土體積減小，稱為干縮。因混凝土表面水分損失快，內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮快，內(nèi)部收縮慢的不均勻收縮，致使混凝土表面承受拉力，產(chǎn)生收縮裂縫。

　　自生收縮：混凝土在硬化過程中，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，這種收縮與外界溫度無(wú)關(guān)，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(fù)的（即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土）。

　　碳化收縮：大氣中的二氧化碳與水泥中的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮變形。

　　2.4 地基基礎(chǔ)變形引起的裂縫由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，基礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因有：1）地質(zhì)勘探精度不夠、試驗(yàn)資枓不準(zhǔn)。勘察報(bào)告不能充分反映實(shí)際地質(zhì)情況是造成地基不均勻沉降的主要原因。2）結(jié)構(gòu)荷載差異太大。在地質(zhì)情況比較一致的情況下，各部分基礎(chǔ)荷載差異太大時(shí)，有可能引起不均勻沉降。3）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別大。同一聯(lián)橋梁中混合使用不同基礎(chǔ)，如擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，或雖采用同一基礎(chǔ)，但基底標(biāo)高差異太大，也可能引起地基不均勻沉降。4）分期建造的基礎(chǔ)。在原有橋梁基礎(chǔ)附近新建橋梁時(shí)，如分期修建的高速公路左右半副橋梁，新建橋梁荷載或基礎(chǔ)處理時(shí)引起地基土重新固結(jié)，均可能對(duì)原有橋梁基礎(chǔ)造成較大沉降。此外，還有地基凍脹和橋梁建成以后原有地基變化也可能引起構(gòu)件裂縫產(chǎn)生。

　　2.5 混凝土原材料質(zhì)量引起的裂縫混凝土主要由水泥、砂、骨科、拌合用水及外加劑等組成，配置混凝土?xí)r所采用的材枓不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。水泥質(zhì)量不合格、受潮或過期會(huì)造成混凝土強(qiáng)度不夠，并導(dǎo)致開裂。砂石骨科粒徑太小、級(jí)配不良、空隙率大，會(huì)造成水泥和用水量加大，從而影響混凝土的強(qiáng)度，使之收縮加大，如果使用超出規(guī)定的特細(xì)砂，后果更嚴(yán)重。砂石中有機(jī)質(zhì)和輕物質(zhì)過多，將延緩水泥的硬化過程，降低混凝土強(qiáng)度，特別是早期強(qiáng)度。拌合水或外加劑中氯化物等雜質(zhì)含量較高時(shí)對(duì)鋼筋銹蝕有較大影響。

　　3 預(yù)防裂縫的措施

　　3.1 要做好模板、支架及各支撐處基礎(chǔ)和地基處理。確保其不發(fā)生沉降，移位。

　　3.2 u型橋臺(tái)要控制其填料的抗壓強(qiáng)度，并作好臺(tái)背的防水排水設(shè)施，防止填土過濕或排水不良，由于壓實(shí)不足或凍脹產(chǎn)生裂縫。

　　3.3 在盡可能的情況下，橋梁墩臺(tái)（尤其高墩）混凝土應(yīng)一氣澆灌，不設(shè)施工縫。對(duì)墩身不可避免的施工縫要按技術(shù)規(guī)范要求，鑿毛該混凝土表面，用水沖洗，在混凝土澆注前，對(duì)水平縫鋪一層2cm～3cm的1:2水泥砂漿，然后再繼續(xù)澆筑混凝土。

　　3.4 在混凝土初凝前，進(jìn)行二次振搗?？捎行蛩苄猿两狄鸬膬?nèi)分層，改善骨科的界面結(jié)構(gòu)，提高混凝土的強(qiáng)度。

　　3.5 橋墩身的豎向裂縫預(yù)防，可從控制溫度、改進(jìn)設(shè)計(jì)和施工操作工藝、改善混凝土性能等方面人手，可減少水泥用量降低混凝上的入模溫度，如避開高溫時(shí)段施工，對(duì)原材料降溫處理；降低水泥水化熱的溫升，如選用低水化熱的水泥減少水泥用量等，摻入優(yōu)質(zhì)粉煤灰加快澆筑混凝土的散熱，如使用鋼模，分層澆筑混凝土，每層不大于30cm，并使溫度分布均勻，在大體積混凝土中甚至還可預(yù)埋或利用一些管孔道通過冷水或冷風(fēng)降溫。

　　3.6 加強(qiáng)澆筑混凝土的表面保護(hù)。如表面需應(yīng)及時(shí)用草席、草袋覆蓋，并灑水或蓄水養(yǎng)護(hù)。夏天延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，寒冷季節(jié)爭(zhēng)取保溫措施，保護(hù)混凝土表面，特別是薄壁結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)拆模時(shí)間，可延緩降溫，使混凝土中心與表面溫度差減小，以防急劇降溫。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的成因多種多樣，處理的方法也各有不同，上述諸方法是在日常工作中經(jīng)過長(zhǎng)期探索得到的，經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)證明行之有效。當(dāng)然，有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的成因及防治對(duì)策是很復(fù)雜的，有待進(jìn)一步研究。只有搞清楚了裂縫的機(jī)理，才能對(duì)癥下藥，只有合理的處治措施，才能使國(guó)家有限的建設(shè)資金發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益。