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混凝土桥梁裂缝产生的原因及控制措施

混凝土桥梁裂缝产生的原因及控制措施

随着我国公路建设的迅猛发展,混凝土结构桥梁被广泛采用,目前我国混凝土结构桥梁建设已达到国际先进水平。但在桥梁建设和使用过程中经常出现裂缝影响工程质量甚至出现工程事故的问题。在钢筋混凝土、部分预应力混凝土甚至全预应力混凝土桥梁中都有出现裂缝的可能,采取一定的设计和施工措施,许多裂缝是可以克服和控制的。本文混凝土桥梁裂缝的种类和产生的原因进行分析、总结,提出了克服和控制裂缝的措施,以便设计和施工过程中参考,达到防患于未然。

一、荷载引起的裂缝

混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝,归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。

直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有:
1、设计计算阶段,结构计算时应该计算的没有计算;计算模型建立的不合理;荷载计算不合理;内力与配筋计算错误;结构设计时对施工的影响考虑不足;构造处理不当;设计图纸交代不清等。
2、施工阶段,没有按设计文件要求施工,影响结构受力;没有按施工规范要求施工,影响构件的施工质量。
3、使用阶段,超载车辆通过;车辆、船舶等的撞击;不可预见的影响因素。

荷载裂缝特征依荷载不同而异呈现不同的特点。这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。根据结构不同受力方式,产生的裂缝特征如下:
1、轴心受拉构件:裂缝贯穿构件横截面,间距大体相等,且垂直于受力方向。采用螺纹钢筋时,裂缝之间出现位于钢筋附近的次裂缝。
2、轴心受压构件:沿构件出现平行于受力方向的短而密的平行裂缝。
3、受弯构件:弯矩最大截面附近从受拉区边沿开始出现与受拉方向垂直的裂缝,并逐渐向中和轴方向发展。采用螺纹钢筋时,裂缝间可见较短的次裂缝。当结构配筋较少时,裂缝少而宽,结构可能发生脆性破坏。
4、大偏心受压构件:大偏心受压和受拉区配筋较少的小偏心受压构件,类似于受弯构件。
5、小偏心受压构件:小偏心受压和受拉区配筋较多的大偏心受压构件,类似于中心受压构件。
6、受剪构件:当箍筋太密时发生斜压破坏,沿梁端腹部出现大于45°方向的斜裂缝;当箍筋适当时发生剪压破坏,沿梁端中下部出现约45°方向相互平行的斜裂缝。
7、受扭构件:构件一侧腹部先出现多条约45°方向斜裂缝,并向相邻面以螺旋方向展开。
控制荷载引起的直接裂缝的方法

1、多角度、全面、系统地分析结构类型和受力状态,建立符合结构受力状态的计算模型,采用多种方法进行结构计算,严格设计、复核、审核制度。

2、施工单位在施工前应对设计文件进行复核,弄清设计意图,严格按照设计和规范要求施工。

3、做好桥梁使用阶段的养护、管理与维修,限制超载车辆通过。

次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有:
1、结构尺寸选择不合理,如结构突变或断面突变引起应力集中产生裂缝;由于施加预应力引起产生的二次应力的裂缝。混凝土收缩、徐变引起的二次应力计算不准确产生的裂缝。

2、桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等,在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算,一般根据经验设置受力钢筋。研究表明,受力构件挖孔后,力流将产生绕射现象,在孔洞附近密集,产生巨大的应力集中,从而导致混凝土裂缝产生。在长跨预应力连续梁中,经常在跨内根据截面内力需要截断钢束,设置锚头,而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。

控制荷载引起的次内力的方法

1、拟定结构尺寸时,尽量减少结构形状的突变,必要的结构形状突变可以采用曲线变化或多次变化,以减小结构形状突变引起的次内力。

2、在结构开口、开洞、开槽或其它结构突变处设置足够数量的抗裂钢筋。

3、根据材料的具体性质,计算预应力钢束张拉引起的次内力,与其它荷载内力组合进行结构配筋计算。

4、根据材料的具体性质,计算混凝土收缩、徐变引起的次内力,与其它荷载内力组合进行结构配筋计算。
二、温度变化引起的裂缝
混凝土材料具有热胀冷缩性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内将产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。引起温度变化主要因素有:
1、年平均温差引起的均匀温度变化:一年中四季温度不断变化,但变化相对缓慢,对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移,一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调,对于拱桥、刚构桥等结构的位移受到限制的桥梁会引起温度裂缝。我国年温差一般以一月和七月月平均温度的作为变化幅度。考虑到混凝土的蠕变特性,年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。
2、日照引起的梯度温差作用:桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后,温度明显高于其它部位,温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用,导致局部拉应力较大,出现裂缝。日照和下述骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004给出了各种情况下梯度。
3、骤然降温:突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降,但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实桥资料进行,混凝土弹性模量不考虑折减。
4、水化热:大体积混凝土浇筑之后由于水泥水化放热,致使内部温度很高,内外温差太大,致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况,尽量选择水化热低的水泥品种,限制水泥单位用量,减少骨料入模温度,以降低内外温差,并缓慢降温,必要时可采用循环冷却系统进行内部散热,或采用薄层连续浇筑以加快散热。
5、蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当,混凝土骤冷骤热,内外温度不均,易出现裂缝。
6、由火灾等原因引起高温烧伤的混凝土强度随温度的升高而明显降低,钢筋与混凝土的粘结力随之下降,混凝土温度达到300℃后抗拉强度下降50%,抗压强度下降60%,光圆钢筋与混凝土的粘结力下降80%;由于受热,混凝土体内游离水大量蒸发也可产生急剧收缩。一般情况下的桥梁设计不考虑此种作用。
三、收缩引起的裂缝
混凝土收缩产生的应力或收缩应力与其它应力组合大于混凝土的拉应力可产生混凝土裂缝。在混凝土收缩种类中,塑性收缩和缩水收缩(干缩)是发生混凝土体积变形的主要原因,另外还有自生收缩和炭化收缩。
1、塑性收缩:发生在施工过程中、混凝土浇筑后4~5小时左右,此时水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,出现泌水和水分急剧蒸发,混凝土失水收缩,同时骨料因自重下沉,因此时混凝土尚未硬化,称为塑性收缩。塑性收缩所产生量级很大,可达1%左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡,便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处如T梁、箱梁腹板与顶底板交接处,因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝。为减小混凝土塑性收缩,施工时应控制水灰比,避免过长时间的搅拌,下料不宜太快,振捣要密实,竖向变截面处宜分层浇筑。
2、缩水收缩(干缩):混凝土结硬以后,随着表层水分逐步蒸发,湿度逐步降低,混凝土体积减小,称为缩水收缩(干缩)。因混凝土表层水分损失快,内部损失慢,因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩,表面收缩变形受到内部混凝土的约束,致使表面混凝土承受拉力,当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。如配筋率较大的构件(超过3%),钢筋对混凝土收缩的约束比较明显,混凝土表面容易出现龟裂裂纹。
3、自生收缩:自生收缩是混凝土在硬化过程中,水泥与水发生水化反应,这种收缩与外界湿度无关,且可以是正的(即收缩,如普通硅酸盐水泥混凝土),也可以是负的(即膨胀,如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土)。
4、炭化收缩。大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。炭化收缩只有在湿度50%左右才能发生,且随二氧化碳的浓度的增加而加快。炭化收缩一般不做计算。
混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝,裂缝宽度较细,且纵横交错,成龟裂状,形状没有任何规律。
影响混凝土收缩裂缝的主要有以下几个方面的因素:
1、水泥品种、标号及用量。矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土收缩性较高,普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。另外水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越大,则混凝土收缩越大,且发生收缩时间越长。
2、骨料品种及级配。骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低;而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大、收缩性较高。另外骨料粒径大收缩小,含水量大收缩越大。骨料级配越合理,收缩量约小。
3、水灰比。用水量越大,水灰比越高,混凝土收缩越大。
4、外掺剂。外掺剂保水性越好,则混凝土收缩越小。
5、养护方法。良好的养护可加速混凝土的水化反应,获得较高的混凝土强度。养护时保持湿度越高、气温越低、养护时间越长,则混凝土收缩越小。蒸汽养护方式比自然养护方式混凝土收缩要小。
6、外界环境。大气中湿度小、空气干燥、温度高、风速大,则混凝土水分蒸发快,混凝土收缩越快。
7、振捣方式及时间。机械振捣方式比手工捣固方式混凝土收缩性要小。时间太短,振捣不密实,混凝土强度不足或不均匀;时间太长,混凝土产生离析,强度不均匀,上层易发生收缩裂缝。
对于温度和收缩引起的裂缝,增配构造钢筋可明显提高混凝土的抗裂性,尤其是薄壁结构(壁厚20~60cm)。构造上配筋宜优先采用小直径钢筋(φ8~φ12)、小间距布置(@10~@15cm),全截面构造配筋率不宜低于0.3%,一般可采用0.3%~0.5%。
四、地基础变形引起的裂缝
由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移,使结构中产生附加应力,超出混凝土结构的抗拉能力,导致结构开裂。基础不均匀沉降的主要原因有:
1、地质勘察精度不够、试验资料不准。在没有充分掌握地质情况就设计、施工,这是造成地基不均匀沉降的主要原因。
2、地基地质差异太大。构件下面的地基承载力不均匀,或局部存在松土、软弱土、其它不良地质,地基土由于不同压缩性引起不均匀沉降。
3、结构荷载差异太大。在地质情况比较一致条件下,各部分基础荷载差异太大时,有可能引起不均匀沉降。
4、结构基础类型差别大。同一联桥梁中,混合使用不同基础或采用同类基础,基底落在不同性质的地质上,可能引起地基不均匀沉降。
5、分期建造的构造物。在原有桥梁附近新建构造物时,新建构造物处理时引起地基土重新固结,可能导致原有构造物产生不均匀沉降。
6、地基冻胀。在低于零度的条件下含水率较高的地基土因冰冻膨胀;一旦温度回升,冻土融化,地基下沉。因此地基的冰冻或融化均可造成不均匀沉降。
7、桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时,可能造成不均匀沉降。
8、桥梁建成以后,原有地基条件变化。大多数天然地基和人工地基浸水后,尤其是素填土、黄土、膨胀土等特殊地基土,土体强度遇水下降,压缩变形加大。在软土地基中,因人工抽水或干旱季节导致地下水位下降,地基土层重新固结下沉,同时对基础的上浮力减小,负摩阻力增加,基础受荷加大。有些桥梁基础埋置过浅,受洪水冲刷、淘挖,基础可能位移。地面荷载条件的变化,如桥梁附近因塌方、山体滑坡等原因堆置大量废方、砂石等,桥址范围土层可能受压缩再次变形。因此,使用期间原有地基条件变化均可能造成不均匀沉降。
五、冻胀引起的裂缝
大气气温低于零度时,吸水饱和的混凝土出现冰冻,游离的水转变成冰,体积膨胀9%,因而混凝土产生膨胀应力;同时混凝土凝胶孔中的过冷水(结冰温度在-78度以下)在微观结构中迁移和重分布引起渗透压,使混凝土中膨胀力加大,混凝土强度降低,并导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重,成龄后混凝土强度损失可达30%~50%。冰冻裂缝表现为构件表面沿主筋、箍筋方向出现宽窄不一的裂缝,深度一般到主筋。冻涨裂缝产生的原因主要有以下几个方面:

1、温度低于零度和混凝土吸水饱和是发生冻胀破坏的必要条件。当混凝土中骨料空隙多、吸水性强;骨料中含泥土等杂质过多;混凝土水灰比偏大、振捣不密实;养护、保温不力使混凝土早期受冻等,均可能导致混凝土冻胀裂缝。

2、冬季施工时对预应力孔道灌浆后没有采取保温措施,或保温不完,孔道内灰浆含游离水分较多,受冻后体积膨胀,可能发生沿管道方向的冻胀裂缝。

预防冻涨裂缝的措施如下

1、冬季施工时,采用普通水泥、配制低水灰比混凝土,采用电气加热法、暖棚法、地下蓄热法、蒸汽加热法养护,可防止冻涨裂缝的产生。

2、在混凝土拌和水中掺入防冻剂(但氯盐不宜使用),可保证混凝土在低温或负温条件下硬化防止冻涨裂缝的产生。
3、冬季进行预应力孔道灌浆时,在灰浆中掺加早强型防冻减水剂或参加气剂,防止水泥沉淀产生游离水,灌浆后进行加热养护,直至达到规定强度。

4、水在4度时具有最大的容重,一旦高于或低于此温度均会产生体积膨胀。混凝土施工时应该避开0~4度温度段,冬季施工时混凝土入模温度应在6度以上。
六、施工材料质量引起的裂缝
混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格,可能导致结构出现裂缝。
1、水泥
(1)、水泥安定性不合格,水泥中游离的氧化钙含量超标。氧化钙在凝结过程中水化很慢,在水泥混凝土凝结后仍然继续起水化作用,可破坏已硬化的水泥石,使混凝土抗拉强度下降。
(2)、水泥出厂时强度不足,水泥受潮或过期,可能使混凝土强度不能满足设计要求,从而导致混凝土开裂。
(3)、当水泥含碱量较高(例如超过0.6%),同时又使用含有碱活性的骨料,可能导致碱骨料反应。
2、砂、石骨料
砂石粒径太小、级配不良、空隙率大,将导致水泥和拌和水用量加大,影响混凝土的强度,使混凝土收缩加大,如果使用超出规定的特细砂,后果更严重。

3、拌和水及外加剂

拌和水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。采用海水或含碱泉水拌制混凝土,或采用含碱的外加剂,可能对碱骨料反应有影响。
八、施工工艺质量引起的裂缝
在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中,若施工工艺不合理、施工质量低劣,容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝,特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异,比较典型常见的有:
1、混凝土振捣不密实、不均匀,出现蜂窝、麻面、空洞,导致截面削弱、钢筋锈蚀或其它荷载裂缝的起源点。
2、混凝土浇筑过快,混凝土流动性较低,在硬化前因混凝土沉实不足,硬化后沉实过大,容易在浇筑数小时后发生裂缝,既塑性收缩裂缝。
3、混凝土搅拌、运输时间过长,使水分蒸发过多,引起混凝土塌落度过低,使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝。
4、混凝土初期养护时急剧干燥,使得混凝土与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝。
5、用泵送混凝土施工时,为保证混凝土的流动性,增加水和水泥用量,或因其它原因加大了水灰比,导致混凝土凝结硬化时收缩量增加,使得混凝土体积上出现不规则裂缝。
6、混凝土分层或分段浇筑时,接头部位处理不好,易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。
7、混凝土早期受冻,使构件表面出现裂纹,或局部剥落,或脱模后出现空鼓现象。
8、施工时模板刚度不足,在浇筑混凝土时,由于侧向压力的作用使得模板变形,产生与模板变形一致的裂缝。
9、施工时拆模过早,混凝土强度不足,使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。
10、施工前对支架压实不足或支架刚度不足,浇筑混凝土后支架不均匀下沉,导致混凝土出现裂缝。
11、装配式结构,在构件运输、堆放时,受力状态与设计不一致,或运输过程中剧烈颠撞;吊装时吊点位置不当,T梁等侧向刚度较小的构件,侧向无可靠的加固措施等,均可能产生裂缝。拆架后再浇筑护栏,则裂缝不易出现。


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