混凝土橋梁施工裂縫產(chǎn)生原因分析
2016-11-28
隨著我國(guó)交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，各類橋梁建筑層出不窮。而在各種形式的施工過程中，混凝土的應(yīng)用越來越廣泛，混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代橋梁工程建設(shè)中已經(jīng)占據(jù)了非常重要的地位。因?yàn)樵摲N結(jié)構(gòu)形式的橋梁具有價(jià)廉物美，施工方便，承載力大，可裝飾性強(qiáng)的特點(diǎn)。然而在混凝土施工使用的同時(shí)，由于對(duì)混凝土性能的了解不深，往往會(huì)在工程完工后的幾周或者更長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或者其他的不良反應(yīng)，給人們的心中造成了擔(dān)憂和害怕，盡管我們?cè)谑┕み^程中會(huì)采取各種措施，但裂縫仍然時(shí)有出現(xiàn)，有些還造成了很大的損失。為了減少和控制裂縫的出現(xiàn)，許多專業(yè)的混凝土技術(shù)研究人員對(duì)橋梁混凝土的裂縫形成進(jìn)行了大量的研究和探討，提出了一系列解決裂縫的辦法和意見，也取得了一些較好的成果，使混凝土橋梁的裂縫控制降低到一定范圍之內(nèi)。
一、混凝土橋梁裂縫產(chǎn)生的原因
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(cuò)誤；鋼筋設(shè)置偏少或布置錯(cuò)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(duì)結(jié)構(gòu)做機(jī)器振動(dòng)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，而大量研究表明，受力構(gòu)件挖孔之后，在孔洞附近密集，產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中。
2、溫度變化引起的裂縫
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(huì)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(huì)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(huì)隨著溫度的變化而變化。引起溫度變化的主要因素有：
?。?)年溫差。一年四季溫度不斷變化，由于變化相對(duì)緩慢，對(duì)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(huì)引起溫度裂縫。我國(guó)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)算為混凝上的彈性模量應(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(huì)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。
?。?)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(duì)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。
3、收縮引起的裂縫
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:
?。?)塑性收縮?；炷翝仓┕ず蟮?h～5h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(jí)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(huì)產(chǎn)生表面的順腹板方向的裂縫。
?。?)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(huì)產(chǎn)生收縮裂縫。
4、鋼筋銹蝕引起的裂縫
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2～4倍，從而對(duì)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(huì)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(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。
5、施工工藝質(zhì)量引起的裂縫
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(zhǎng)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)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(dòng)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(zhǎng)，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(duì)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(zhǎng)，或運(yùn)輸過程中劇烈顛簸和碰撞，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。
二、控制裂縫的措施
1、混凝土施工的質(zhì)量保證措施
?。?)選擇合適的水泥和嚴(yán)格控制好水泥用量；（2)嚴(yán)格控制骨料級(jí)配和含泥量；（3)選擇適當(dāng)?shù)耐饧觿┖秃线m的配合比；（4)增加適當(dāng)?shù)念A(yù)埋件；（5)改進(jìn)施工技術(shù)，加強(qiáng)技術(shù)管理。
2、混凝土施工的溫度控制措施
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(gè)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)格控制混凝土的人模溫度。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。
3、加強(qiáng)混凝土的早期養(yǎng)護(hù)
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(duì)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。
三、結(jié)束語
只要我們?cè)诰唧w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(duì)措施，混凝土的裂縫是完全可以控制在允許的范圍之內(nèi)，盡量避免造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。
