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混凝土橋梁裂縫成因綜述

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混凝土橋梁裂縫成因綜述
 
 

l 引言
混凝土因其取材廣泛、價格低廉、抗壓強度高、可澆筑成各種形狀,并且耐火性好、不易風化、養護費用低,成為當今世界建筑結構中使用最廣泛的建筑材料。混凝土最主要的缺點是抗拉能力差,容易開裂。大量的工程實踐和理論分析表明,幾乎所有的混凝土構件均是帶裂縫工作的,只是有些裂縫很細,甚至肉眼看不見(<0.05mm),一般對結構的使用無大的危害,可允許其存在;有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學因素的作用下,不斷產生和擴展,引起混凝土碳化、保護層剝落、鋼筋腐蝕,使混凝土的強度和剛度受到削弱,耐久性降低,嚴重時甚至發生垮塌事故,危害結構的正常使用,必須加以控制。我國現行公路、鐵路、建筑、水利等部門設計規范均采用限制構件裂縫寬度的辦法來保障混凝土結構的正常使用。本文所討論的僅指后一類裂縫。
近年來,我國交通基礎建設得到迅猛發展,各地興建了大量的混凝土橋梁。在橋梁建造和使用過程中,有關因出現裂縫而影響工程質量甚至導橋梁垮塌的報道屢見不鮮。混凝土開裂可以說是“常發病”和“多發病”,經常困擾著橋梁工程技術人員。其實,如果采取一定的設計和施工措施,很多裂縫是可以克服和控制的。為了進一步加強對混凝土橋梁裂縫的認識,盡量避免工程中出現危害較大的裂縫,本文盡可能對混凝土橋梁裂縫的種類和產生的原因作較全面的分析、總結,以方便設計、施工找出控制裂縫的可行辦法,達到防范于未然的作用。
l 混凝土橋梁裂縫種類、成因
實際上,混凝土結構裂縫的成因復雜而繁多,甚至多種因素相互影響,但每一條裂縫均有其產生的一種或幾種主要原因。混凝土橋梁裂縫的種類,就其產生的原因,大致可劃分如下幾種:
一、荷載引起的裂縫
混凝土橋梁在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫,歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。
直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫。裂縫產生的原因有:
1、 設計計算階段,結構計算時不計算或部分漏算;計算模型不合理;結構受力假設與實際受力不符;荷載少算或漏算;內力與配筋計算錯誤;結構安全系數不夠。結構設計時不考慮施工的可能性;設計斷面不足;鋼筋設置偏少或布置錯誤;結構剛度不足;構造處理不當;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;不了解預制結構結構受力特點,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,改變結構受力模式;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、撞擊;發生大風、大雪、地震、爆炸等。
次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生裂縫。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同常規計算有出入或計算不考慮,從而在某些部位引起次應力導致結構開裂。例如兩鉸拱橋拱腳設計時常采用布置“X”形鋼筋、同時削減該處斷面尺寸的辦法設計鉸,理論計算該處不會存在彎矩,但實際該鉸仍然能夠抗彎,以至出現裂縫而導致鋼筋銹蝕。
2、 橋梁結構中經常需要鑿槽、開洞、設置牛腿等,在常規計算中難以用準確的圖式進行模擬計算,一般根據經驗設置受力鋼筋。研究表明,受力構件挖孔后,力流將產生繞射現象,在孔洞附近密集,產生巨大的應力集中。在長跨預應力連續梁中,經常在跨內根據截面內力需要截斷鋼束,設置錨頭,而在錨固斷面附近經常可以看到裂縫。因此,若處理不當,在這些結構的轉角處或構件形狀突變處、受力鋼筋截斷處容易出現裂縫。
實際工程中,次應力裂縫是產生荷載裂縫的最常見原因。次應力裂縫多屬張拉、劈裂、剪切性質。次應力裂縫也是由荷載引起,僅是按常規一般不計算,但隨著現代計算手段的不斷完善,次應力裂縫也是可以做到合理驗算的。例如現在對預應力、徐變等產生的二次應力,不少平面桿系有限元程序均可正確計算,但在40年前卻比較困難。在設計上,應注意避免結構突變(或斷面突變),當不能回避時,應做局部處理,如轉角處做圓角,突變處做成漸變過渡,同時加強構造配筋,轉角處增配斜向鋼筋,對于較大孔洞有條件時可在周邊設置護邊角鋼。
荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現不同的特點。這類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位。但必須指出,如果受壓區出現起皮或有沿受壓方向的短裂縫,往往是結構達到承載力極限的標志,是結構破壞的前兆,其原因往往是截面尺寸偏小。根據結構不同受力方式,產生的裂縫特征如下:
1、 中心受拉。裂縫貫穿構件橫截面,間距大體相等,且垂直于受力方向。采用螺紋鋼筋時,裂縫之間出現位于鋼筋附近的次裂縫。
2、 中心受壓。沿構件出現平行于受力方向的短而密的平行裂縫。
3、 受彎。彎矩最大截面附近從受拉區邊沿開始出現與受拉方向垂直的裂縫,并逐漸向中和軸方向發展。采用螺紋鋼筋時,裂縫間可見較短的次裂縫。當結構配筋較少時,裂縫少而寬,結構可能發生脆性破壞。
4、 大偏心受壓。大偏心受壓和受拉區配筋較少的小偏心受壓構件,類似于受彎構件。
5、 小偏心受壓。小偏心受壓和受拉區配筋較多的大偏心受壓構件,類似于中心受壓構件。
6、 受剪。當箍筋太密時發生斜壓破壞,沿梁端腹部出現大于45°方向的斜裂縫;當箍筋適當時發生剪壓破壞,沿梁端中下部出現約45°方向相互平行的斜裂縫。
7、 受扭。構件一側腹部先出現多條約45°方向斜裂縫,并向相鄰面以螺旋方向展開。
8、 受沖切。沿柱頭板內四側發生約45°方向斜面拉裂,形成沖切面。
9、局部受壓。在局部受壓區出現與壓力方向大致平行的多條短裂縫。
二、 溫度變化引起的裂縫
混凝土具有熱脹冷縮性質,當外部環境或結構內部溫度發生變化,混凝土將發生變形,若變形遭到約束,

則在結構內將產生應力,當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中,溫度應力可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合攏。引起溫度變化主要因素有:
1、年溫差。一年中四季溫度不斷變化,但變化相對緩慢,對橋梁結構的影響主要是導致橋梁的縱向位移,一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設置柔性墩等構造措施相協調,只有結構的位移受到限制時才會引起溫度裂縫,例如拱橋、剛架橋等。我國年溫差一般以一月和七月月平均溫度的作為變化幅度。考慮到混凝土的蠕變特性,年溫差內力計算時混凝土彈性模量應考慮折減。
2、日照。橋面板、主梁或橋墩側面受太陽曝曬后,溫度明顯高于其它部位,溫度梯度呈非線形分布。由于受到自身約束作用,導致局部拉應力較大,出現裂縫。日照和下述驟然降溫是導致結構溫度裂縫的最常見原因。
3、驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結構外表面溫度突然下降,但因內部溫度變化相對較慢而產生溫度梯度。日照和驟然降溫內力計算時可采用設計規范或參考實橋資料進行,混凝土彈性模量不考慮折減。
4、水化熱。出現在施工過程中,大體積混凝土(厚度超過2.0米)澆筑之后由于水泥水化放熱,致使內部溫度很高,內外溫差太大,致使表面出現裂縫。施工中應根據實際情況,盡量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,降低內外溫差,并緩慢降溫,必要時可采用循環冷卻系統進行內部散熱,或采用薄層連續澆筑以加快散熱。
5、蒸汽養護或冬季施工時施工措施不當,混凝土驟冷驟熱,內外溫度不均,易出現裂縫。
6、預制T梁之間橫隔板安裝時,支座預埋鋼板與調平鋼板焊接時,若焊接措施不當,鐵件附近混凝土容易燒傷開裂。采用電熱張拉法張拉預應力構件時,預應力鋼材溫度可升高至350℃,混凝土構件也容易開裂。試驗研究表明,由火災等原因引起高溫燒傷的混凝土強度隨溫度的升高而明顯降低,鋼筋與混凝土的粘結力隨之下降,混凝土溫度達到300℃后抗拉強度下降50%,抗壓強度下降60%,光圓鋼筋與混凝土的粘結力下降80%;由于受熱,混凝土體內游離水大量蒸發也可產生急劇收縮。
三、 收縮引起的裂縫
在實際工程中,混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。在混凝土收縮種類中,塑性收縮和縮水收縮(干縮)是發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。
塑性收縮。發生在施工過程中、混凝土澆筑后4~5小時左右,此時水泥水化反應激烈,分子鏈逐漸形成,出現泌水和水分急劇蒸發,混凝土失水收縮,同時骨料因自重下沉,因此時混凝土尚未硬化,稱為塑性收縮。塑性收縮所產生量級很大,可達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。在構件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂底板交接處,因硬化前沉實不均勻將發生表面的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮,施工時應控制水灰比,避免過長時間的攪拌,下料不宜太快,振搗要密實,豎向變截面處宜分層澆筑。

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