綜述橋梁裂縫成因及處理措施
【摘要】:文章從結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫兩方面分析了橋梁裂縫產(chǎn)生的原因,并提出了有效的防治措施,以減小裂縫對橋梁的危害,延長橋梁的使用壽命。
【關鍵詞】:結(jié)構(gòu)性裂縫，非結(jié)構(gòu)性裂縫，防治措施
裂縫是橋梁工程中的通病,它的出現(xiàn)降低了結(jié)構(gòu)的抗?jié)B能力和耐久性,影響結(jié)構(gòu)的使用功能及承載能力。為了確保大橋的安全,充分發(fā)揮其經(jīng)濟和使用價值,找出裂縫成因并提出相應的防治措施是十分必要的。
1裂縫分類
裂縫可以分為兩類:①由靜荷載和動荷載的應力(包括次應力)所引起的裂縫,屬于受力性裂縫,也稱為結(jié)構(gòu)性裂縫,主要是由于結(jié)構(gòu)承載力不夠引起,是強度不足的征兆,潛藏著結(jié)構(gòu)的危險性。②由于變形引起的裂縫,屬于非受力性裂縫,也稱非結(jié)構(gòu)性裂縫,主要是由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部自身應力形成。據(jù)國內(nèi)外的調(diào)查資料,工程實踐中結(jié)構(gòu)物的裂縫原因,屬于變形(溫度、收縮、不均勻沉陷)引起的約占80%以上;屬于荷載引起的約占20%左右。
2裂縫成因分析
2.1結(jié)構(gòu)性裂縫
由于交通運輸?shù)陌l(fā)展以及設計、施工等方面的原因,大部分橋梁處于超載運行狀態(tài),結(jié)構(gòu)上的作用超過了其抗力,出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性裂縫,主要有彎曲裂縫、剪切裂縫、局部承壓裂縫、拼接縫、差動。
2.1.1彎曲裂縫
彎曲裂縫也稱垂直裂縫。當受拉區(qū)拉應力超過混凝土抗拉強度時往往出現(xiàn)彎曲裂縫。其產(chǎn)生的原因主要有:
1)設計導致的先天裂縫。比如:配筋不足,對溫度的荷載估計不足,預應力布置不當?shù)?2)施工導致的原生裂縫。施工程序不當,施工荷載超過設計允許值等;3)運營期間的后天裂縫。超重車輛過重、過多等。
2.1.2剪切裂縫
剪切裂縫也稱斜裂縫,先發(fā)生在剪應力最大的部位。對受彎、壓彎構(gòu)件,常發(fā)生在支座附近,由下部開始,沿著與軸線呈25°～50°左右的角度裂開。隨著荷載增大,裂縫長度不斷增長并向受壓區(qū)發(fā)展,裂縫數(shù)不斷增多并分岔,裂縫區(qū)也逐漸向跨中方向擴大。其產(chǎn)生原因主要有以下三方面:
1)彎曲裂縫的存在改變了截面的剪應力分布,是剪切裂縫產(chǎn)生的一個重要原因。
2)設計原因。設計中只注意正應力的計算,忽視了剪應力的計算或過分依賴腹板豎向預應力鋼筋(蹬筋)。
3)施工原因。如彎起預應力筋錯位;豎向預應力筋失效等。
2.1.3局壓裂縫
當設計的混凝土抗壓強度不夠或超載使用時,在承壓應力大的部位,由于出現(xiàn)局部拉應力,常常導致產(chǎn)生局壓裂縫,甚至會局部壓碎。
2.1.4拼接縫
混凝土橋梁多采用縱向分段澆筑或縱向分段工藝施工,這些縱向分段的接縫與主受力方向垂直,如果產(chǎn)生裂縫將會直接影響橫向荷載傳遞,也會間接降低橋梁承載能力。
2.1.5差動
差動是一種常見而又常常被忽略的裂縫成因,往往是由于外部約束或內(nèi)部變形反應滯后造成的。
2.2非結(jié)構(gòu)性裂縫
非結(jié)構(gòu)性裂縫是結(jié)構(gòu)要求變形,而變形得不到滿足時,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會產(chǎn)生自應力,當此應力達到混凝土抗拉強度極限值時,即會引起混凝土裂縫。主要有收縮裂縫、溫度裂縫、鋼筋銹蝕裂縫(順筋裂縫)、地基不均勻沉降裂縫等。
2.2.1收縮裂縫
實際工程中混凝土因收縮引起的裂縫是最常見的。收縮裂縫一般在混凝土露天養(yǎng)護完畢一段時間后,在表層和側(cè)面出現(xiàn),并隨溫度和濕度變化而逐漸發(fā)展。收縮裂縫對構(gòu)件承載力影響不大,主要影響結(jié)構(gòu)的外觀和耐久性。其中塑性收縮和縮水收縮(干縮)是發(fā)生混凝土體積變形的主要原因,另外還有自生收縮和碳化收縮。
1)塑性收縮。
塑性收縮發(fā)生在施工過程中和混凝土澆筑后4h～5h左右,此時水泥水化反應激烈,出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā),混凝土失水收縮,同時骨料因自重下沉,因此時混凝土尚未硬化,產(chǎn)生塑性收縮[5]。為減小混凝土塑性收縮,施工時應控制水灰比,避免過長時間的攪拌,下料不宜太快,振搗要密實,豎向變截面處宜分層澆筑。
2)干縮。
混凝土凝固過程中,水泥和水起水化作用逐漸硬化而形成水泥骨架,混凝土中多余水分蒸發(fā),體積縮小,稱為干縮。因混凝土表層水分損失快,內(nèi)部損失慢,表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土約束,使表面混凝土承受拉力,當表面混凝土承受拉力超過其抗拉強度時,便產(chǎn)生收縮裂縫。
3)自生收縮。
混凝土在硬化過程中,水泥與水發(fā)生水化反應,這種與外界濕度無關,且可以是正的(即收縮,如普通硅酸鹽水泥混凝土),也可以是負的(即膨脹,如礦渣水泥混凝土等)。
4)碳化收縮。
碳化收縮是大氣中的CO2在存在水的條件下與水泥水化產(chǎn)物作用生成CaCO3等破壞混凝土內(nèi)部堿性環(huán)境使鈍態(tài)鐵的保護層失去作用而產(chǎn)生銹蝕。原因在于這些游離水的蒸發(fā),因為碳化收縮只有在濕度50%左右才能發(fā)生,一般較少出現(xiàn)。
2.2.2溫度裂縫
混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì),當外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化時,混凝土將產(chǎn)生變形,若變形受到約束,在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應力,當應力超過混凝土抗拉強度時,即產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫大多發(fā)生在施工的中后期,影響它的因素主要有水泥水化熱、外界氣候、外部約束條件、混凝土的養(yǎng)護等。
2.2.3鋼筋銹蝕裂縫(順筋裂縫)
混凝土質(zhì)量差、保護層厚度不足或被碳化使鋼筋周圍混凝土堿度降低、氯化物浸入,引起鋼筋表面氧化膜破壞,其銹蝕物體積比原來增長約2倍～4倍,從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應力,導致保護層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫。鋼筋銹蝕使鋼筋有效斷面減小,鋼筋與混凝土握裹力削弱,結(jié)構(gòu)承載力下降,并誘發(fā)其他形式的裂縫,加劇鋼筋銹蝕。
2.2.4基礎變形引起的裂縫
當基礎出現(xiàn)豎向不均勻沉降或水平方向位移時,會使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應力,當超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力時結(jié)構(gòu)開裂。產(chǎn)生原因主要有以下幾點:
1)地質(zhì)勘察精度不夠、試驗資料不準。沒有充分掌握地質(zhì)情況就設計、施工。這是造成地基不均勻沉降的主要原因;
2)地基地質(zhì)差異太大;
3)結(jié)構(gòu)荷載差異太大;
4)結(jié)構(gòu)基礎類型差別大;
5)分期建造的基礎。在原有橋梁基礎附近新建橋梁時,新建橋梁荷載或基礎處理時引起地基土重新固結(jié),可能對原有橋梁基礎造成較大沉降;
6)地基凍脹;
7)橋梁基礎置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質(zhì)時;
8)橋梁建成以后,原有地基條件變化等。
3預防措施
3.1材料的控制
對原材料(鋼筋、水泥、砂、碎石等)進行嚴格的抽樣檢驗。對混凝土配合比應進行對比試驗,在高溫下或雨后施工對砂、碎石進行含水量實驗,及時調(diào)整施工配合比,確保混凝土施工質(zhì)量。
3.2設計方面
結(jié)構(gòu)設計計算時不能有載荷漏項,計算模型合理,規(guī)范準確。設計中處理好構(gòu)件“抗”與“放”的關系。“抗”就是處于約束狀態(tài)下的結(jié)構(gòu),沒有足夠的變形余地時,為防止裂縫所采取的有力措施。而“放”就是結(jié)構(gòu)完全處于自由變形無約束狀態(tài)下,有足夠變形余地時所采取的措施。
為將裂縫控制在無害寬度范圍內(nèi),對荷載裂縫,從計算構(gòu)造上使結(jié)構(gòu)具有足夠的抗力來對付各種荷載的作用,除滿足現(xiàn)行國家標準關于承載力的要求外,還要滿足抗裂性(裂縫寬度)和變形要求。對變形裂縫,有時也要采用“抗”的原則,如對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的某些部位,從構(gòu)造上增加配筋或提高材料強度等級等來提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵抗變形裂縫的能力。當采用“抗”控制裂縫付出的代價過高時,可采取“放”的原則及其相應的方法[8]。另外結(jié)構(gòu)設計時要考慮施工。
3.3施工管理方面
施工前做到嚴格審圖,做好技術交底,并在施工中加強“三檢制”,對隱蔽工程或關鍵工序設置質(zhì)量管理點;合理安排施工順序,施工操作應嚴格按照施工技術規(guī)范的有關規(guī)定進行;保證水泥、砂、石質(zhì)量,保證配合比科學合理,砂漿拌合料要均勻,有很好的和易性、保水性,外加劑計量準確;施工中要振搗密實,澆筑時落距保證不超過最大高度,嚴防混凝土離析;積極采用補償收縮混凝土技術;在施工中分段施工,以釋放溫度應力減少裂縫;加強養(yǎng)護等。
4結(jié)語
任何一座橋梁,隨著時間的推移都會出現(xiàn)不同程度的病害,應該在設計、施工階段就采取預防措施,并在使用階段加強防護,防止病害的出現(xiàn)。一旦出現(xiàn)病害認真查找其產(chǎn)生原因,積極采取措施補救,確保橋梁運營安全�！ �
