淺談混凝土橋梁裂縫的成因
2016-12-12
混凝土因其取材廣泛、價(jià)格低廉、抗壓強(qiáng)度高、耐火性好、不易風(fēng)化、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等原因，已成為建筑結(jié)構(gòu)中使用最廣泛的材料?；炷磷钪饕娜秉c(diǎn)是容易開裂，抗拉能力差。大量的工程實(shí)踐和理論分析表明，幾乎所有的混凝土構(gòu)件均是帶裂縫工作的，只是有些裂縫很細(xì)，甚至肉眼看不見，一般對結(jié)構(gòu)的使用無大的危害，可允許其存在；有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學(xué)因素的作用下，不斷產(chǎn)生和擴(kuò)展引起混凝土碳化，保護(hù)層剝落，鋼筋腐蝕，使混凝土的強(qiáng)度和剛度受到消弱，耐久性降低，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生垮塌事故，危害結(jié)構(gòu)的正常使用，必須加以控制。我國規(guī)定公路、鐵路等部門設(shè)計(jì)規(guī)范均采用限制構(gòu)件寬度的辦法保障混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用。
現(xiàn)將混凝土橋梁裂縫的種類及其產(chǎn)生的原因簡要介紹如下：
一、荷載引起的裂縫
混凝土橋梁在常規(guī)靜、動荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱荷載裂縫。主要有直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。直接應(yīng)力裂縫是指荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。產(chǎn)生原因一是設(shè)計(jì)計(jì)算階段，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不計(jì)算或部分漏算；計(jì)算模型不合理；結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符；荷載少算或漏算；內(nèi)力與配筋計(jì)算錯(cuò)誤；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠；結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不考慮施工的可能性；設(shè)計(jì)片面不足；鋼筋設(shè)置偏少或布置錯(cuò)誤；結(jié)構(gòu)剛度不足、構(gòu)造處理不高；設(shè)計(jì)圖紙交代不清等。二是施工階段，不加限制地堆放施工機(jī)具、材料；不了解預(yù)制結(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)受力模式；不對結(jié)構(gòu)做機(jī)器震動下的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算等。三是使用階段，超設(shè)計(jì)荷載的重型車輛過橋，受車輛、船舶的接觸、撞擊；發(fā)生大風(fēng)地震等。次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引進(jìn)的次生應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。原因是：第一在設(shè)計(jì)荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)同常規(guī)計(jì)算有出入或計(jì)算不考慮，從而在某些部位引起次應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。第二，橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽，開洞、設(shè)置牛腿等。在常規(guī)計(jì)算中難以用準(zhǔn)確的圖式進(jìn)行模擬計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置受力鋼筋。
二、溫度變化引起的裂縫
1.引起溫度變化的主要因素
1.1年溫差。一年中四季溫度不斷變化相當(dāng)緩慢，對橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向移位，一般可通過橋面伸縮縫，支架移位或設(shè)置柔性樁等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào)，只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時(shí)才會引起溫度的裂縫。
1.2日照。橋面板、主梁或橋墩側(cè)面受太陽暴曬后，溫度明顯高于其他部位，溫度濕度呈非線形分布。由于受到自身的約束作用，導(dǎo)致局部壓力較大，出現(xiàn)裂縫。
1.3驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫度差應(yīng)力。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)橋資料經(jīng)行，混凝土彈性模量不考慮折減。
1.4水化熱。出現(xiàn)在施工中大面積混凝土澆筑之后，由于水泥放熱，導(dǎo)致內(nèi)部溫度較高。內(nèi)外溫差太大，出現(xiàn)裂縫。施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇水化熱低的水泥品種，限制水泥單位用量，減少骨料入模溫度，降低內(nèi)外溫差，并緩慢降溫，必要時(shí)可采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)外散熱，或采用薄層連續(xù)澆筑以加快散熱。
2.收縮引起的裂縫
在實(shí)際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是常見的。在混凝土收縮過程種類中，塑性收縮和縮水收縮是發(fā)生混凝土體積變形的主要原因，另外還有自生收縮和碳化收縮、塑性收縮
發(fā)生在施工過程中，混凝土澆筑后4h~5h左右，此時(shí)水泥水化反應(yīng)激烈，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)骨料因自重下沉，因此時(shí)混凝土尚未硬化成為塑性收縮。塑性收縮所產(chǎn)生的量級很大，可達(dá)1%左右。在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋便形成沿鋼筋方向的裂縫。
3.凍脹引起的裂縫
大氣氣溫低于零度時(shí)，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水變成冰，體積膨脹9%,因而混凝土凝膠孔中有過冷水在微觀結(jié)構(gòu)中遷移或重新分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強(qiáng)度降低，并導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時(shí)受凍最嚴(yán)重，成凌后，混凝土強(qiáng)度損失可達(dá)31%~50%。冬季施工時(shí)對預(yù)應(yīng)力孔道灌漿后，若不采取保溫措施，也可能發(fā)生沿管道方向的凍脹裂縫。溫度降低到零度和混凝土吸水飽和是發(fā)生凍脹破壞的必要條件。當(dāng)混凝土中骨料空隙多，吸水性強(qiáng)，骨料中含有泥土等雜物過多，混凝土水灰比偏大、搗震不密實(shí)，養(yǎng)護(hù)不利都會使混凝土早期受凍，導(dǎo)致混凝土凍脹裂縫。
三、地基基礎(chǔ)變形引起的裂縫
由于地基基礎(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)力超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。原因有：①地質(zhì)勘查密度不夠、試驗(yàn)資料不準(zhǔn)；沒有充分掌握地質(zhì)情況就設(shè)計(jì)、施工。②地基地質(zhì)差異太大，造成在山區(qū)、河谷的橋梁，河溝中甚至存在軟弱的地基，地基土不同壓縮性引起不均勻下沉。③結(jié)構(gòu)荷載差異太大時(shí)，有可能引起不均勻下沉。④結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差異大。⑤分期建造的基礎(chǔ)。⑥地基膨脹。⑦橋梁基礎(chǔ)置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質(zhì)時(shí)可能造成不均勻下沉。
四、施工材料質(zhì)量引起的裂縫
混凝土主要由水泥、砂骨料拌合水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。
五、施工工藝質(zhì)量引起的裂縫
在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、構(gòu)件制作、起模、運(yùn)輸、堆放、拼裝及吊安過程中，若施工工藝不合理，施工質(zhì)量低劣，容易產(chǎn)生縱向的、橫向的、斜向的各種裂縫，特別是細(xì)長薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)。
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