桥梁裂缝成因及控制对策

2022-09-11

在桥梁建造和使用过程中, 有关因出现裂缝而影响工程质量甚至导桥梁垮塌的报道屡见不鲜。混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”, 经常困扰着桥梁工程技术人员。其实, 如果采取—定的设计和施工措施, 很多裂缝是可以克服和控制的。为了进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识, 尽量避免工程中出现危害较大的裂缝, 针对混凝土桥梁裂缝产生的原因作较全面的分析、总结, 找出控制裂缝的可行办法, 达到防范于未然的作用。

1 混凝土桥梁设计原理

我国现行的公路桥涵规范规定:桥梁应根据所在公路的使用任务、性质和将来的发展需要, 按照适用、经济、安全和美观的原则进行设计, 这些要求基本上包含了人们关心的所有重要问题。混凝土桥梁具体的设计过程是按承载能力和正常使用两种极限状态来进行的。按承载能力极限状态是控制结构在丧失服务能力临界状态时的承载能力, 其设计的基本原则是要求荷载效应不利组合的设计值要小于结构抗力的设计值。同时利用荷载安全系数、材料安全系数及工作条件系数来考虑不确定因素作用下的结构总体的安全储备, 是一种极限状态设计法。按正常使用极限状态是控制结构在正常使用状态时应力, 裂缝和变形小于一个限定值, 即使用容许裂缝宽度来控制混凝土构件的结构设计。有关规范规定:在一般正常大气条件下, 钢筋混凝土受弯构件在荷载组合I的作用下, 计算得到的最大裂缝宽度不应超过0.2mm;在荷载组合Ⅱ和Ⅲ作用下, 不应超过0.25mm;处于严重暴露情况《有侵蚀性气体或海洋大气》下的钢筋混凝土构件, 容许裂缝宽度不应超过0.1mm。混凝土构件容许裂缝的存在, 是由混凝土抗拉能力差、容易开裂的缺点决定的。通过对大量的工程实例的研究发现, 几乎所有的混凝土构件都是带裂缝工作的只是有些裂缝很细, 一般对结构和使用无大的影响, 可允许其存在;有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下, 不断产生和扩展, 引起混凝土明显的病害, 如保护层剥落、钢筋腐蚀, 从而导致混凝土的强度和刚度受到削弱, 耐久性降低, 严重时甚至发生垮塌事故, 危害结构的正常使用。

2 裂缝原因

混凝土结构裂缝的成因复杂、繁多, 有时多种因素互相影响, 但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要因素。混凝土桥梁裂缝的种类, 就其产生的原因, 大致可划分如下几种:

第一是荷载引起的裂缝。混凝土桥梁在静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝, 主要有直接裂缝、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;次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。

第二是温度变化引起的裂缝。混凝土具有热胀冷缩性质, 当外部环境或内部温度发生变化, 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。在某些大跨径桥梁中, 温度应力可以达到甚至超出活载应力。温度裂缝区别其他裂缝最主要的一点是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有:年温差、日照、骤然降温、水化热、蒸汽养护或冬季施工措施不当等。

第三是收缩引起的裂缝。在实际工程中, 混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。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。研究表明, 影响混凝土收缩裂缝的主要因素有:水泥品种、标号及用量、骨料品种、水灰比、外掺剂、养护方法、外界环境、振捣方式及时间。

第四是地基变形引起的裂缝。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:地质勘察精度不够、试验资料不准;地基地质差异太大;结构荷载差异太大;结构基础类型差别太大;地在冻胀;桥梁基础基于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时, 可能造成不均匀沉降。

第五是钢筋锈蚀引起的裂缝。要防止钢筋锈蚀, 设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用足够的保护层厚度 (当然保护层亦不能太厚, 否则构件有效高度减小, 受力时将加大裂缝宽度) ;施工时应控制混凝土的水灰比, 加强振捣, 保证混凝土的密实性, 防止氧气侵入, 同时严格控制含氯盐的外加剂用量, 沿海地区或其它存在腐蚀性强的空气、地下水地区尤其应慎重。

第六是冻胀引起的裂缝。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;同时混凝土凝胶孑L中的过冷水 (结冰温度在7、8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, 昆凝土强度降低, 并导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重, 成龄工时对预应力孔道灌浆后若不采取保温措施也可能发生沿管道方向的冻胀裂缝。

第七是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。如:水泥、砂、石骨料以及拌和水及外加剂等。

第八是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、横向等各种裂缝, 特别是细长薄壁结构更容易出现。

3 控制措施

表面处理法:包括表面涂抹和表面贴补法。表面涂抹适用范围是浆材难以灌入的细而浅的裂缝, 深度未达到钢筋表面的发丝裂缝, 不漏水的缝, 不伸缩的裂缝以及不再活动的裂缝。表面贴补 (土工膜或其他防水片) 法适用于大面积漏水 (蜂窝麻面等或不易确定具体漏水位置、变形缝) 的防渗堵漏。

填充法。用修补材料直接填充裂缝, 一般用来修补较宽的裂缝 (0.3ram) , 作业简单, 费用低。宽度小于0.3ram, 深度较浅的裂缝、或是裂缝中有充填物, 用灌浆法很难达到效果的裂缝、以及小规模裂缝的简易处理可采取开V型槽, 然后作填充处理。

灌浆法。此法应用范围广, 从细微裂缝到大裂缝均可适用, 处理效果好。

结构补强法。因超荷载产生的裂缝, 裂缝长时间不处理导致的混凝土耐久性降低、火灾造成的裂缝等影响结构强度可采取结构补强法。包括断面补强法、锚固补强法、预应力法等。

混凝土裂缝处理效果的检查包括修补材料试验;钻心取样试验;压水试验;压气试验等。

4 结语

总之, 一座桥梁从建成到使用, 牵涉到设计、施工、监理、养护管理等各个方面, 在前期造成设计疏漏、施工低劣、监理不力, 均可能使混凝土桥梁出现裂缝。因此, 严格按照国家有关规范、技术标准进行设计、施工和监理, 是保证结构安全耐用的前提和基础。在养护管理过程中, 进一步加强巡查和管理, 及时发现和处理问题, 也是相当重要的一个环节。

摘要：混凝土桥梁结构裂缝的成因复杂而繁多, 甚至多种因素相互影响, 但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。本文在论述混凝土桥梁设计原理的基础上介绍了其成因, 并提出一系列控制对策。

关键词：混凝土桥梁,裂缝,成因,控制对策