浅析桥梁裂缝产生的原因

随着我国交通基础建设的发展,各地兴建了大量的混凝土桥梁。在桥梁建造和使用过程中,由于混凝土裂缝而影响工程质量甚至造成桥梁坍塌的事例屡见不鲜。混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”,严重影响了桥梁的使用性能,也经常困扰着桥梁工程技术人员。要想控制桥梁混凝土裂缝的产生,就必须了解其成因。本文就桥梁裂缝的产生原因作了一些分析。

1.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为荷载裂缝,主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。直接应力裂缝产生的原因主要有:

(1)在设计计算阶段,结构计算时未计算或部分漏算;计算模型不

合理;结构受力假设与实际受力情况不符;荷载少算或漏算;内力与配筋计算错误;结构安全系数不够;结构设计时不考虑施工的可行性;设计断面不足;钢筋设置偏少或布置错误;结构刚度不足;构造处理不当;设计图纸交代不清等。

(2)在施工阶段,未加限制地堆放施工机具、材料;不了解预制结构的结构受力特点,随意翻身、起吊、运输、安装;不按设计图纸要求进行施工,擅自更改结构施工顺序,改变结构受力模式;未对结构进行机器振动下的疲劳强度验算等。

(3)在使用阶段,未限制超出设计荷载的重型车辆过桥;受车辆、船舶的接触、撞击;出现大风、大雪、地震等自然灾害。

次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。次应力裂缝产生的原因主要有:

(1)在设计外荷载作用下,由于结构物的实际工作状态与常规计算

有出人或计算时未考虑,会在某些部位引起次应力而导致结构开裂。

(2)桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等,当受力构件挖孔后,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而出现次生裂缝。在长跨预应力连续梁中,经常在跨内根据截面内力的需要截断钢束并设置锚头,使用时在锚固断面附近经常可以看到裂缝。若处理不当,在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处也容易出现裂缝。

2.温度变化引起的裂缝

混凝土具有热胀冷缩的性质,当外部环境或结构内部温度发生变化时,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内产生应力,当这种应力超过混凝土的抗拉强度时就会产生温度裂缝。引起温度变化的主要因素有:

(1)年温差。一年之中,四季温度不断地发生变化,但变化相对缓慢,年温差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予以协调,只有当结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝,如拱桥、刚架桥等。我国年温差一般以1月与7月的月平均温度之差作为变化幅度。考虑到混凝土的蠕变特性,在计算年温差内力时混凝土的弹性模量应考虑折减。

(2)日照。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳暴晒后,温度明显高于其他部位,温度梯度呈非线性分布。由于受自身的约束作用,导致局部拉应力较大而出现裂缝。

(3)骤然降温。突降大雨、冷空气侵袭、日落等,会使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,出现温度裂缝。

(4)水化热。在施工过程中,大体积混凝土(厚度>2.0m)浇注后,由于水泥水化放热,内部温度很高,内外温差太大,致使表面出现裂缝。

3.收缩引起的裂缝

在实际工程中,混凝土因收缩引起的裂缝是最常见的。大部分属于表面裂缝,其特点是裂缝宽度较细,且纵横交错,呈龟裂状,形状没有明显规律。影响混凝土收缩裂缝的主要因素有:

(1)水泥品种、强度等级及用量。采用矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥的混凝土收缩性较高,采用普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥的混凝土收缩性较低。水泥强度等级越低、单位体积用量越大、水泥细度越高,则混凝土的收缩越大,且发生收缩的时间越长。

(2)骨料品种。骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等的吸水率较小、收缩性较低;而砂岩、板岩、角闪岩等的吸水率较大、收缩性较高。骨料粒径大则收缩小,含水量大则收缩越大。

(3)水灰比。用水量越大,水灰比越高,混凝土的收缩就越大。

(4)外掺剂。外掺剂的保水性越好,则混凝土的收缩越小。

(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、气温相对较低、养护时间越长,则混凝土的收缩越小。蒸汽养护方式比自然养护方式混凝土的收缩要小。

对于温差和收缩引起的裂缝,通过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)。构造配筋宜采用小直径钢筋(Ф8mm—Ф14mm)、小间距布置(10—15cm),全截面构造配筋率应不少于0.3%,一般可采用0.3%—0.5%。

4.施工质量引起的裂缝

在混凝土结构浇注、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,也容易产生各种裂缝。比较典型的主要有:

(1)混凝土保护层过厚,或乱踩已绑扎的上层钢筋,使承受负弯矩

的受力筋保护层加厚,导致构件的有效高度减小,形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。

(2)混凝土振捣不密实、不均匀,会导致钢筋锈蚀或产生其他荷载裂缝。混凝土浇注过快,混凝土流动性较低,容易在浇注数小时后发生裂缝。混凝土搅拌、运输时间过长,使水分蒸发过多,引起混凝土坍落度过低,会导致混凝土出现不规则的收缩裂缝。混凝土初期养护时急剧干燥,会导致混凝土与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝。

(3)泵送混凝土施工时,为了保证混凝土的流动性,若增加水和水泥用量,会导致混凝土凝结硬化时收缩量增加,使混凝土出现不规则裂缝。混凝土分层或分段浇注时,若接头部位处理不好,易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。混凝土早期受冻,会使构件表面出现裂纹或局部剥落,或脱模后出现空鼓现象;施工时若模板的刚度不足,在浇注混凝土时由于侧向压力的作用会使模板变形,产生与模板变形一致的裂缝。若施工时拆模过早,混凝土强度不足,会使构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。

(4)施工前支架压实不足或支架刚度不足,浇注混凝土后支架不均匀下沉,会使混凝土出现裂缝。对于装配式结构,在构件运输、堆放时,若支承垫木不在一条垂直线上,或悬臂过长,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。

(5)安装顺序不正确,对产生的后果认识不足,也会导致裂缝的产生。施工质量控制差,任意套用混凝土配合比,水、砂石、水泥材料计量不准,造成混凝土强度不足和其他性能下降,也会导致结构开裂。

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