混凝土桥梁结构裂缝成因及防治措施浅析

2022-09-11

1 桥梁荷载引起的裂缝

混凝土桥梁在常规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。

(1) 直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有以下几方面。

设计阶段:结构计算时部分漏算;计算模型不合理;结构受力假设与实际不符;内力与配筋计算错误;未考虑施工的可能性;设计截面不足;钢筋设置有误;结构刚度不足;构造处理不当;设计图纸交代不清等。

施工阶段:未按要求堆放施工机具、材料;未按要求运输、安装构件;未按设计图纸施工, 擅自更改结构施工顺序, 改变结构受力模式等。

使用阶段:超出设计载荷的重型车辆通过;受车辆、船舶的撞击;发生大风、大雪、地震、爆炸等。

对于直接应力裂缝, 只要在设计时多方面综合考虑, 并加强审核;施工、使用时加强注意和监管, 即可有效避免。

(2) 次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有以下几种。

由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入, 从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。如两铰拱桥拱脚设计时常采用布置“X”形钢筋、同时削减该处断面尺寸的办法设计铰, 但实际该铰仍然能够抗弯, 以至出现裂缝而导致钢筋锈蚀。

桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等, 常规计算中难以准确模拟计算, 一般根据经验设置受力钢筋。研究表明, 受力构件挖孔后, 将孔洞附近产生较大的应力集中。在长跨预应力连续梁中, 经常在跨内根据需要截断钢束, 设置锚头, 而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此, 若处理不当, 在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。

实际工程中, 次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质, 现在对预应力、徐变等产生的二次应力, 不少平面杆系有限元程序均可正确计算。在设计上, 应注意避免结构突变 (或断面突变) , 当不能回避时, 应做局部处理, 如转角处做圆角, 突变处做成渐变过渡, 同时加强构造配筋, 转角处增配斜向钢筋, 对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。

2 温度变化引起的裂缝

当外部环境或结构内部温度发生变化, 混凝土将发生变形, 若变形受到约束, 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以下几方面。

年温差。变化相对缓慢, 对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, 只有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。

日照。桥面板、主梁或桥墩侧面曝晒后, 温度明显高于其它部位, 温度梯度呈非线性分布, 由于受自身约束作用, 导致局部拉应力较大, 出现裂缝。日照和骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。实际中主要采用小直径密布置的构造钢筋进行应对。

水化热。在施工过程中, 大体积混凝土浇筑之后由于水化放热, 致使内部温度很高, 内外温差太大, 导致表面出现裂缝。对此, 具体措施为: (1) 优选材料, 降低水化热, 控制混凝土内部最高温升, 减少总降温差; (2) 设计方面, 优化配合比, 减少水泥用量, 掺加减水剂和外掺料, 提高混凝土抗拉强度, 改善约束条件; (3) 从施工方面着手, 延缓混凝土降温速率, 降低浇筑温度; (4) 从养护方面着手, 提高混凝土的表面温度, 降低其内外温差。

蒸汽养护或冬季施工时措施不当, 混凝土骤冷骤热, 内外温度不均, 易出现裂缝。

预制T梁横隔板采用钢板连接、支座预埋钢板与调平钢板焊接时, 若焊接措施不当, 铁件附近混凝土容易烧伤开裂。采用电热张拉法张拉预应力构件时, 钢材温度可升至350℃。试验表明, 当混凝土温度达到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会产生急剧收缩。故设计时应考虑避免这些施工方式。

3 混凝土收缩引起的裂缝

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。

(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) 。混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩, 因表层水分损失快, 内部损失慢, 产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩, 致使表面混凝土承受拉力, 当拉力超过其抗拉强度时, 便产生裂缝。

混凝土收缩裂缝大部分属表面裂缝, 裂缝宽度较细, 且纵横交错, 成龟裂状。但是要特别注意, 由于碳化和钢筋锈蚀的作用, 干缩裂缝不仅损害薄壁结构的抗渗性和耐久性, 也会使大体积混凝土的表面裂缝发展成为更严重的裂缝, 影响结构的耐久性和承载能力。

控制措施:一是在满足设计和施工的要求下, 尽量控制单方混凝土的用水量, 这是提高混凝土耐久性的必要条件。二是选用干燥收缩量小的骨料及水泥。试验证明, 使用石灰石碎石的混凝土, 比使用其他品种岩石的碎石混凝土干燥收缩量小。三是使用降低混凝土收缩的外加剂。

4 钢筋锈蚀引起的裂缝

由于混凝土质量不好或混凝土保护层过薄, 二氧化碳的作用使钢筋周围的混凝土碱性降低引起钢筋表面的氧化保护膜被破坏, 氧气、水、钢筋中铁离子发生锈蚀反应, 使混凝土保护层开裂、剥落, 沿钢筋纵向产生裂缝。因为钢筋锈蚀使钢筋有效面积减少, 钢筋与混凝土的握裹力减弱, 使结构承载力下降, 钢筋锈蚀加剧, 从而导致结构破坏。

要防止钢筋锈蚀, 设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用适当的保护层厚度;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。

5 结语

混凝土桥梁裂缝控制是个实践性很强的课题, 而且在结构的耐久性、安全性等方面起着决定性的影响。其原因十分复杂, 裂缝发展机理也有待加深研究。混凝土裂缝的控制从设计、施工、养护到运营等各方面是一个有机的整体, 它们不仅相互联系, 而且相互制约。因此在实际工程中, 应以设计为龙头, 综合考虑各种影响因素, 全面剖析, 才能收到实效, 产生良好的经济效益。

摘要：本文对混凝土桥梁裂缝产生的原因分别从荷载、温度变化、混凝土收缩、钢筋锈蚀等与桥梁设计相关方面进行简单分析, 以便在设计时找出控制混凝土桥梁裂缝的可行方法, 尽可能减少危害及事故的发生, 达到防患于未然的目的。

关键词：桥梁,裂缝,设计,控制