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【摘 要】本文在分析桥梁裂缝产生的机理和原因的基础上,从设计和施工两个方面提出了桥梁裂缝的具体控制措施,并给出了桥梁裂缝的处理对策,对实际工程具有一定的指导意义。
【关键词】桥梁裂缝；混凝土
一、桥梁自身因素形成的裂缝
1、温度变化引起的裂缝
当混凝土结构外部环境和内部温度发生变化时,将发生变形,由于其约束,结构内部将产生应力,当应力超过其抗压强度时将产生裂缝。
2、收缩引起的裂缝
混凝土的干燥过程是由表面逐渐扩展到内部的,在混凝土内部呈现含水梯度,因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩,导致表面混凝土承受拉力,内部混凝土承受压力。当表面的混凝土所受的拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。混凝土收缩主要有以下3种。
(1)塑性收缩。主要发生在混凝土浇筑初期。施工时,混凝土浇筑后,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,此时收缩为塑收缩。在骨料下沉过程中受到钢筋阻挡,即形成沿钢筋方向裂缝。
(2)干缩。混凝土结硬后,随着表面水分逐步蒸发,温度逐渐降低,混凝土体积缩小,称为干缩。因混凝土表面水分损失快,内部损失慢,表面收缩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。
(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生成新的物质而导致自身体积缩小。
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。矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥土收缩性较高，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。例如，为了提高混凝土的强度，施工时经常采用强行增加水泥用量的做法，施工时经常用强行增加水泥用量的做法，用不水量大。火灰比越高，混凝土收缩越大。养护方法。良好的养护方法可加速混凝土的水化反应，获得较高的混凝土强度。养护时间越长，则混凝土收缩越小。对于温度和收缩引起的裂缝，增配构造钢筋可用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小距布置，全截面构造配筋率宜低于0.3%，一般可采用0.3%-0.5%。
二、桥梁其他因素引起的开裂
1、基础变形引起的开裂
基础变形一般为基础空间不均匀沉降或水平方向位移,发生基础变形后,结构物中产生附加压力,超过结构物的抗拉强度时即产生裂缝,基础不均匀沉降的原因有,地质试验资料不准、地质差异大、荷载差别大、分期建造等。
2、钢筋锈蚀引起的裂缝
当构件中钢筋的混凝土保护层不足,或混凝土质量较差时,二氧化碳侵蚀钢筋表面,使钢筋周围混凝土的碱度降低,钢筋表面容易被混凝土中的氧气和水锈蚀,使周围混凝土产生膨胀压力,使混凝土保护层开裂、剥落,沿钢筋纵向产生裂缝,并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀,使混凝土有效面积减少,钢筋与混凝土的握裹力削弱,结构承载力下降,并诱发其他形式的裂缝,加剧钢筋锈蚀,导致结构破坏,钢筋锈蚀是最后造成结构破坏的主要因素。
3、冻胀引起的裂缝
温度低于零度时,混凝土出同冰冻,游离的水变成冰,体积膨胀9%,因而混凝土产生膨胀应力,并导致裂缝出现。当混凝土中骨料空隙多、吸水性强、骨料中含有杂质过多、水灰比偏大均导致混凝土冻胀裂缝。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。
4、施工材料质量引起的裂缝
混凝土的材料合成为水泥、砂、骨料、拌合水以及外加剂,配制混凝土材料不合格,从而导致裂缝出现。砂石含量超标使混凝土干燥时产生不规则的网状裂缝,砂石的级配差常造成侧面裂缝,拌合水以及外加剂中杂质含中过高会对钢筋锈蚀产生影响等。当施工质量低,工艺不合格同样也会产生各种形式裂缝。
三、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，结构计算时不计算或部分漏算；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能性；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施工階段，不加限制地堆放施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不对结构做机器振动下的疲劳强充验算等。③使用阶段，超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。
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在设计外荷载作用下，由于结构物的、实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。②桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，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。在长跨预截断钢束，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。
四、在构造设计上对桥梁裂缝采取防裂措施
(1)设计合理的结构形式,可以减少工程数量,减低水化热。如可根据悬索桥锚碇受力特点,设计挖空非关键受力部分混凝土体积,利用土方压重方案,来减少混凝土结构体积。
(2)充分利用混凝土在基坑有侧限条件,在混凝土中掺加微膨胀剂,使其在基坑约束下形成一定的预压力,补偿混凝土内部温度,收缩产生的拉应力,从而有效的避免混凝土裂缝的产生。
(3)大体积混凝土体积庞大,施工周期一般较长,依据结构受力情况可合理地确定混凝土评定验收龄期,打破正常标准28d的评定验收龄期,改为60d或更多天,评定验收龄期充分考虑混凝土的后期强度,从而减低设计标号,达到减少混凝土水泥用量减低水化热的目的。
(4)由于边界存在约束才会产生温度应力,采用改善边界约束的构造设计,如遇有约束强的岩石类地基、较厚的混凝土垫层等时,可在接触面上设滑动层来减少温度应力,在外约束的接触面上全部设滑动层,则可大大减弱外约束。
(5)还应重视合理有益作用,可采取增配构造钢筋,配筋应尽可能采用小直径、小间距,全截面含筋率控制在0.3%～0.5%之间,在混凝土表面增设金属扩张网等有效措施,有效地提高混凝土抗裂性能。
参考文献
[1]杨彦中.混凝土桥梁裂缝成因[J].黑龙江科技信息,2003,(9).
[2]蔡开明.施工阶段钢筋混凝土裂缝的控制[J].陕西建筑,2000,(3).
【关键词】桥梁裂缝；混凝土
一、桥梁自身因素形成的裂缝
1、温度变化引起的裂缝
当混凝土结构外部环境和内部温度发生变化时,将发生变形,由于其约束,结构内部将产生应力,当应力超过其抗压强度时将产生裂缝。
2、收缩引起的裂缝
混凝土的干燥过程是由表面逐渐扩展到内部的,在混凝土内部呈现含水梯度,因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩,导致表面混凝土承受拉力,内部混凝土承受压力。当表面的混凝土所受的拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。混凝土收缩主要有以下3种。
(1)塑性收缩。主要发生在混凝土浇筑初期。施工时,混凝土浇筑后,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,此时收缩为塑收缩。在骨料下沉过程中受到钢筋阻挡,即形成沿钢筋方向裂缝。
(2)干缩。混凝土结硬后,随着表面水分逐步蒸发,温度逐渐降低,混凝土体积缩小,称为干缩。因混凝土表面水分损失快,内部损失慢,表面收缩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。
(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生成新的物质而导致自身体积缩小。
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。矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥土收缩性较高，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。例如，为了提高混凝土的强度，施工时经常采用强行增加水泥用量的做法，施工时经常用强行增加水泥用量的做法，用不水量大。火灰比越高，混凝土收缩越大。养护方法。良好的养护方法可加速混凝土的水化反应，获得较高的混凝土强度。养护时间越长，则混凝土收缩越小。对于温度和收缩引起的裂缝，增配构造钢筋可用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小距布置，全截面构造配筋率宜低于0.3%，一般可采用0.3%-0.5%。
二、桥梁其他因素引起的开裂
1、基础变形引起的开裂
基础变形一般为基础空间不均匀沉降或水平方向位移,发生基础变形后,结构物中产生附加压力,超过结构物的抗拉强度时即产生裂缝,基础不均匀沉降的原因有,地质试验资料不准、地质差异大、荷载差别大、分期建造等。
2、钢筋锈蚀引起的裂缝
当构件中钢筋的混凝土保护层不足,或混凝土质量较差时,二氧化碳侵蚀钢筋表面,使钢筋周围混凝土的碱度降低,钢筋表面容易被混凝土中的氧气和水锈蚀,使周围混凝土产生膨胀压力,使混凝土保护层开裂、剥落,沿钢筋纵向产生裂缝,并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀,使混凝土有效面积减少,钢筋与混凝土的握裹力削弱,结构承载力下降,并诱发其他形式的裂缝,加剧钢筋锈蚀,导致结构破坏,钢筋锈蚀是最后造成结构破坏的主要因素。
3、冻胀引起的裂缝
温度低于零度时,混凝土出同冰冻,游离的水变成冰,体积膨胀9%,因而混凝土产生膨胀应力,并导致裂缝出现。当混凝土中骨料空隙多、吸水性强、骨料中含有杂质过多、水灰比偏大均导致混凝土冻胀裂缝。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。
4、施工材料质量引起的裂缝
混凝土的材料合成为水泥、砂、骨料、拌合水以及外加剂,配制混凝土材料不合格,从而导致裂缝出现。砂石含量超标使混凝土干燥时产生不规则的网状裂缝,砂石的级配差常造成侧面裂缝,拌合水以及外加剂中杂质含中过高会对钢筋锈蚀产生影响等。当施工质量低,工艺不合格同样也会产生各种形式裂缝。
三、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，结构计算时不计算或部分漏算；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能性；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施工階段，不加限制地堆放施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不对结构做机器振动下的疲劳强充验算等。③使用阶段，超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。
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在设计外荷载作用下，由于结构物的、实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。②桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，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。在长跨预截断钢束，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。
四、在构造设计上对桥梁裂缝采取防裂措施
(1)设计合理的结构形式,可以减少工程数量,减低水化热。如可根据悬索桥锚碇受力特点,设计挖空非关键受力部分混凝土体积,利用土方压重方案,来减少混凝土结构体积。
(2)充分利用混凝土在基坑有侧限条件,在混凝土中掺加微膨胀剂,使其在基坑约束下形成一定的预压力,补偿混凝土内部温度,收缩产生的拉应力,从而有效的避免混凝土裂缝的产生。
(3)大体积混凝土体积庞大,施工周期一般较长,依据结构受力情况可合理地确定混凝土评定验收龄期,打破正常标准28d的评定验收龄期,改为60d或更多天,评定验收龄期充分考虑混凝土的后期强度,从而减低设计标号,达到减少混凝土水泥用量减低水化热的目的。
(4)由于边界存在约束才会产生温度应力,采用改善边界约束的构造设计,如遇有约束强的岩石类地基、较厚的混凝土垫层等时,可在接触面上设滑动层来减少温度应力,在外约束的接触面上全部设滑动层,则可大大减弱外约束。
(5)还应重视合理有益作用,可采取增配构造钢筋,配筋应尽可能采用小直径、小间距,全截面含筋率控制在0.3%～0.5%之间,在混凝土表面增设金属扩张网等有效措施,有效地提高混凝土抗裂性能。
参考文献
[1]杨彦中.混凝土桥梁裂缝成因[J].黑龙江科技信息,2003,(9).
[2]蔡开明.施工阶段钢筋混凝土裂缝的控制[J].陕西建筑,2000,(3).