摘 要 主要論述了混凝土橋梁裂縫的種類和產(chǎn)生的原因。
關(guān)鍵詞 荷載 溫度變化 混凝土收縮
近年來,我國(guó)高速公路建設(shè)迅猛發(fā)展,各地興建了大量的混凝土橋梁。在橋梁建造和使用過程中,有關(guān)因出現(xiàn)裂縫而影響工程質(zhì)量甚至橋梁垮塌的事情時(shí)有發(fā)生。為了進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)混凝土橋梁裂縫的認(rèn)識(shí),盡量避免工程中出現(xiàn)危害較大的裂縫,應(yīng)該了解裂縫的種類和產(chǎn)生的原因,以找出控制裂縫的可行辦法,達(dá)到防范于未然的作用。
1 混凝土橋梁裂縫種類、成因
混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜而繁多,甚至多種因素相互影響,但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要原因?；炷翗蛄毫芽p的種類,就其產(chǎn)生的原因,大致可劃分如下幾種:
1. 1 荷載引起的裂縫
由于荷載作用而產(chǎn)生裂縫的原因主要有:
(1)施工時(shí)不加限制地堆放施工機(jī)具、材料;不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),隨意翻身、起吊、運(yùn)輸、安裝;不按設(shè)計(jì)圖紙施工,擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序,改變結(jié)構(gòu)受力模式;不對(duì)結(jié)構(gòu)做機(jī)器振動(dòng)下的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算等。
(2)使用時(shí)超出設(shè)計(jì)載荷的重型車輛過橋;受車輛、船舶的接觸、撞擊;發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等。
荷載裂縫特征依荷載不同而呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。這類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動(dòng)嚴(yán)重部位。但必須指出,如果受壓區(qū)出現(xiàn)起皮或有沿受壓方向的短裂縫,往往是結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限的標(biāo)志,是結(jié)構(gòu)破壞的前兆,其原因往往是截面尺寸偏小。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同受力方式,產(chǎn)生的裂縫特征如下:
?、僦行氖芾?。裂縫貫穿構(gòu)件橫截面,間距大體相等,且垂直于受力方向。采用螺紋鋼筋時(shí),裂縫之間出現(xiàn)位于鋼筋附近的次裂縫。
?、谥行氖軌?。沿構(gòu)件出現(xiàn)平行于受力方向的短而密的平行裂縫。
?、凼軓?。彎矩最大截面附近從受拉區(qū)邊沿開始出現(xiàn)與受拉方向垂直的裂縫,并逐漸向中和軸方向發(fā)展。采用螺紋鋼筋時(shí),裂縫間可見較短的次裂縫。當(dāng)結(jié)構(gòu)配筋較少時(shí),裂縫少而寬,結(jié)構(gòu)可能發(fā)生脆性破壞。
④大偏心受壓。大偏心受壓和受拉區(qū)配筋較少的小偏心受壓構(gòu)件,類似于受彎構(gòu)件。
?、菪∑氖軌骸Ｐ∑氖軌汉褪芾瓍^(qū)配筋較多的大偏心受壓構(gòu)件,類似于中心受壓構(gòu)件。
?、奘芗簟．?dāng)箍筋太密時(shí)發(fā)生斜壓破壞,沿梁端腹部出現(xiàn)大于45°方向的斜裂縫;當(dāng)箍筋適當(dāng)時(shí)發(fā)生剪壓破壞,沿梁端中下部出現(xiàn)約45°方向相互平行的斜裂縫。
?、呤芘?。構(gòu)件一側(cè)腹部先出現(xiàn)多條約45°方向斜裂縫,并向相鄰面以螺旋方向展開。
?、嗍軟_切。沿柱頭板內(nèi)四側(cè)發(fā)生約45°方向斜面拉裂,形成沖切面。
⑨局部受壓。在局部受壓區(qū)出現(xiàn)與壓力方向大致平行的多條短裂縫。
2 溫度變化引起的裂縫
混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì),當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化,混凝土將發(fā)生變形,若變形遭到約束,則在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中,溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超出活載應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別其它裂縫最主要特征是隨溫度變化而擴(kuò)張或合攏。引起溫度變化主要因素有:
(1)溫差。一年四季溫度不斷變化,但變化相對(duì)緩慢,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向位移,一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設(shè)置柔性墩等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào),只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時(shí)才會(huì)引起溫度裂縫,例如拱橋、剛架橋等。
(2)日照。橋面板、主梁或橋墩側(cè)面受太陽曝曬后,溫度明顯高于其它部位,由于受到自身約束作用,導(dǎo)致局部拉應(yīng)力較大,出現(xiàn)裂縫。
(3)驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降,但因內(nèi)部溫度變化相對(duì)較慢而產(chǎn)生溫度梯度,可能導(dǎo)致混凝土局部出現(xiàn)裂縫。
(4)水化熱。出現(xiàn)在施工過程中,大體積混凝土澆筑之后由于水泥水化放熱,致使內(nèi)部溫度很高,內(nèi)外溫差太大,致使表面出現(xiàn)裂縫。施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,盡量選擇水化熱低的水泥品種,限制水泥單位用量,減少骨料入模溫度,降低內(nèi)外溫差,并緩慢降溫,必要時(shí)可采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部散熱,或采用薄層連續(xù)澆筑以加快散熱。
(5)蒸汽養(yǎng)護(hù)或冬季施工時(shí)施工措施不當(dāng),混凝土驟冷驟熱,內(nèi)外溫度不均,易出現(xiàn)裂縫。
(6)預(yù)制T梁之間橫隔板安裝時(shí),支座預(yù)埋鋼板與調(diào)平鋼板焊接時(shí),若焊接措施不當(dāng),鐵件附近混凝土容易燒傷開裂。
3 混凝土收縮引起的裂縫
在實(shí)際工程中,混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。在混凝土收縮種類中,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。塑性收縮。發(fā)生在施工過程中、混凝土澆筑后4～5h左右,此時(shí)水泥水化反應(yīng)激烈,分子鏈逐漸形成,出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā),混凝土失水收縮,同時(shí)骨料因自重下沉,此時(shí)混凝土尚未硬化,稱為塑性收縮。塑性收縮所產(chǎn)生量級(jí)很大,可達(dá)1%左右。
在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋,便形成沿鋼筋方向的裂縫。在構(gòu)件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂?shù)装褰唤犹?因硬化前沉實(shí)不均勻?qū)l(fā)生表面的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮,施工時(shí)應(yīng)控制水灰比,避免過長(zhǎng)時(shí)間的攪拌,下料不宜太快,振搗要密實(shí),豎向變截面處宜分層澆筑?？s水收縮(干縮) ?；炷两Y(jié)硬以后,隨著表層水分逐步蒸發(fā),濕度逐步降低,混凝土體積減小,稱為縮水收縮(干縮) 。因混凝土表層水分損失快,內(nèi)部損失慢,因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮,表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束,致使表面混凝土承受拉力,當(dāng)表面混凝土承受拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí),便產(chǎn)生收縮裂縫。混凝土硬化后收縮主要就是縮水收縮。如配筋率較大的構(gòu)件(超過3% ) ,鋼筋對(duì)混凝土收縮的約束比較明顯,混凝土表面容易出現(xiàn)龜裂裂紋。
混凝土收縮裂縫的特點(diǎn)是大部分屬表面裂縫,裂縫寬度較細(xì),且縱橫交錯(cuò),成龜裂狀,形狀沒有任何規(guī)律。
一般情況下影響混凝土收縮裂縫的主要因素有:
(1)水泥品種、標(biāo)號(hào)及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高,普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。另外水泥標(biāo)號(hào)越低、單位體積用量越大、磨細(xì)度越大,則混凝土收縮越大,且發(fā)生收縮時(shí)間越長(zhǎng)。例如,為了提高混凝土的強(qiáng)度,施工時(shí)經(jīng)常采用強(qiáng)行增加水泥用量的做法,結(jié)果收縮應(yīng)力明顯加大。
(2)骨料品種。骨料中石英、石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、長(zhǎng)石等吸水率較小、收縮性較低;而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大、收縮性較高。另外骨料粒徑大收縮小,含水量大收縮越大。
(3)水灰比。用水量越大,水灰比越高,混凝土收縮越大。
(4)外摻劑。外摻劑保水性越好,則混凝土收縮越小。
(5)養(yǎng)護(hù)方法。良好的養(yǎng)護(hù)可加速混凝土的水化反應(yīng),獲得較高的混凝土強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)時(shí)保持濕度越高、氣溫越低、養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng),則混凝土收縮越小。蒸汽養(yǎng)護(hù)方式比自然養(yǎng)護(hù)方式混凝土收縮要小。
(6)外界環(huán)境。大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風(fēng)速大,則混凝土水分蒸發(fā)快,混凝土收縮越快。
(7)振搗方式及時(shí)間。機(jī)械振搗方式比手工搗固方式混凝土收縮性要小。振搗時(shí)間應(yīng)根據(jù)機(jī)械性能決定,一般以5～1 5 s/次為宜。時(shí)間太短,振搗不密實(shí),形成混凝土強(qiáng)度不足或不均勻;時(shí)間太長(zhǎng),造成分層,粗骨料沉入底層,細(xì)骨料留在上層,強(qiáng)度不均勻,上層易發(fā)生收縮裂縫。
對(duì)于溫度和收縮引起的裂縫,增配構(gòu)造鋼筋可明顯提高混凝土的抗裂性,尤其是薄壁結(jié)構(gòu),構(gòu)造上配筋宜優(yōu)先采用小直徑鋼筋、小間距布置,全截面構(gòu)造配筋率不宜低于0. 3%,一般可采用0. 3%～0. 5%。
4 地基礎(chǔ)變形引起的裂縫
由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移,使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力,超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂?；A(chǔ)不均勻沉降的主要原因有:
(1)地質(zhì)勘察精度不夠、試驗(yàn)資料不準(zhǔn)。在沒有充分掌握地質(zhì)情況就設(shè)計(jì)、施工,這是造成地基不均勻沉降的主要原因。比如丘陵區(qū)或山嶺區(qū)橋梁,勘察時(shí)鉆孔間距太遠(yuǎn),而地基巖面起伏又大,勘察報(bào)告不能充分反映實(shí)際地質(zhì)情況。
(2)地基地質(zhì)差異太大。建造在山區(qū)溝谷的橋梁,河溝處的地質(zhì)與山坡處變化較大,河溝中甚至存在軟弱地基,地基土由于不同壓縮性引起不均勻沉降。
(3)結(jié)構(gòu)荷載差異太大。在地質(zhì)情況比較一致條件下,各部分基礎(chǔ)荷載差異太大時(shí),有可能引起不均勻沉降,例如高填土箱形涵洞中部比兩邊的荷載要大,中部的沉降就要比兩邊大,箱涵可能開裂。
(4)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別大。同一聯(lián)橋梁中,混合使用不同基礎(chǔ)如擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ),或同時(shí)采用樁基礎(chǔ)但樁徑或樁長(zhǎng)差別大時(shí),或同時(shí)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)但基底標(biāo)高差異大時(shí),也可能引起地基不均勻沉降。
(5)分期建造的基礎(chǔ)。在原有橋梁基礎(chǔ)附近新建橋梁時(shí),如分期修建的高速公路左右半幅橋梁,新建橋梁荷載或基礎(chǔ)處理時(shí)引起地基土重新固結(jié),均可能對(duì)原有橋梁基礎(chǔ)造成較大沉降。
(6)地基凍脹。在低于零度的條件下含水率較高的地基土因冰凍膨脹;一旦溫度回升,凍土融化,地基下沉。因此地基的冰凍或融化均可造成不均勻沉降。
(7)橋梁基礎(chǔ)置于滑坡體、溶洞或活動(dòng)斷層等不良地質(zhì)時(shí),可能造成不均勻沉降。
(8)橋梁建成以后,原有地基條件變化。大多數(shù)天然地基和人工地基浸水后,尤其是素填土、黃土、膨脹土等特殊地基土,土體強(qiáng)度遇水下降,壓縮變形加大。在軟土地基中,因人工抽水或干旱季節(jié)導(dǎo)致地下水位下降,地基土層重新固結(jié)下沉,同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)的上浮力減小,負(fù)摩阻力增加,基礎(chǔ)受荷加大。
有些橋梁基礎(chǔ)埋置過淺,受洪水沖刷、淘挖,基礎(chǔ)可能位移。地面荷載條件的變化,如橋梁附近因塌方、山體滑坡等原因堆置大量廢方、砂石等,橋址范圍土層可能受壓縮再次變形。因此,使用期間原有地基條件變化均可能造成不均勻沉降。
對(duì)于拱橋等產(chǎn)生水平推力的結(jié)構(gòu)物,對(duì)地質(zhì)情況掌握不夠、設(shè)計(jì)不合理和施工時(shí)破壞了原有地質(zhì)條件是產(chǎn)生水平位移裂縫的主要原因。
5 鋼筋銹蝕引起的裂縫
由于混凝土質(zhì)量較差或保護(hù)層厚度不足,混凝土保護(hù)層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面,使鋼筋周圍混凝土堿度降低,或由于氯化物介入,鋼筋周圍氯離子含量較高,均可引起鋼筋表面氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應(yīng),其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長(zhǎng)約2～4倍,從而對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫,并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕,使得鋼筋有效斷面面積減小,鋼筋與混凝土握裹力削弱,結(jié)構(gòu)承載力下降,并將誘發(fā)其它形式的裂縫,加劇鋼筋銹蝕,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。
要防止鋼筋銹蝕,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求控制裂縫寬度、采用足夠的保護(hù)層厚度(當(dāng)然保護(hù)層亦不能太厚,否則構(gòu)件有效高度減小,受力時(shí)將加大裂縫寬度) ; 施工時(shí)應(yīng)控制混凝土的水灰比,加強(qiáng)振搗,保證混凝土的密實(shí)性,防止氧氣侵入,同時(shí)嚴(yán)格控制含氯鹽的外加劑用量,沿海地區(qū)或其它存在腐蝕性強(qiáng)的空氣、地下水地區(qū)尤其應(yīng)慎重。
6 凍脹引起的裂縫
大氣氣溫低于零度時(shí),吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍,游離的水轉(zhuǎn)變成冰,體積膨脹,因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時(shí)受凍最嚴(yán)重。冬季施工時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿后若不采取保溫措施也可能發(fā)生沿管道方向的凍脹裂縫。
溫度低于零度和混凝土吸水飽和是發(fā)生凍脹破壞的必要條件。當(dāng)混凝土中骨料空隙多、吸水性強(qiáng);骨料中含泥土等雜質(zhì)過多;混凝土水灰比偏大、振搗不密實(shí);養(yǎng)護(hù)不力使混凝土早期受凍等,均可能導(dǎo)致混凝土凍脹裂縫。
7 施工工藝質(zhì)量引起的裂縫
在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、構(gòu)件制作、起模、運(yùn)輸、堆放、拼裝及吊裝過程中,若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣,容易產(chǎn)生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進(jìn)的和貫穿的各種裂縫,特別是細(xì)長(zhǎng)薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異,比較典型常見的有:
(1)混凝土保護(hù)層過厚,或亂踩已綁扎的上層鋼筋,使承受負(fù)彎矩的受力筋保護(hù)層加厚,導(dǎo)致構(gòu)件的有效高度減小,形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。
(2)混凝土振搗不密實(shí)、不均勻,出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞,導(dǎo)致鋼筋銹蝕或其它荷載裂縫的起源點(diǎn)。
(3)混凝土澆筑過快,混凝土流動(dòng)性較低,在硬化前因混凝土沉實(shí)不足,硬化后沉實(shí)過大,容易在澆筑數(shù)小時(shí)后發(fā)生裂縫,即塑性收縮裂縫。
(4)混凝土攪拌、運(yùn)輸時(shí)間過長(zhǎng),使水分蒸發(fā)過多,引起混凝土塌落度過低,使得在混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。
(5)混凝土初期養(yǎng)護(hù)時(shí)急劇干燥,使得混凝土與大氣接觸的表面上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。
(6)用泵送混凝土施工時(shí),為保證混凝土的流動(dòng)性,增加水和水泥用量,或因其它原因加大了水灰比,導(dǎo)致混凝土凝結(jié)硬化時(shí)收縮量增加,使得混凝土出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。
(7)混凝土分層或分段澆筑時(shí),接頭部位處理不好,易在新舊混凝土和施工縫之間出現(xiàn)裂縫。如混凝土分層澆筑時(shí),后澆混凝土因停電、下雨等原因未能在前澆混凝土初凝前澆筑,引起層面之間的水平裂縫;采用分段現(xiàn)澆時(shí),先澆混凝土接觸面鑿毛、清洗不好,新舊混凝土之間粘結(jié)力小,或后澆混凝土養(yǎng)護(hù)不到位,導(dǎo)致混凝土收縮而引起裂縫。
(8)混凝土早期受凍,使構(gòu)件表面出現(xiàn)裂紋,或局部剝落,或脫模后出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象。
(9)施工時(shí)模板剛度不足,在澆筑混凝土?xí)r,由于側(cè)向壓力的作用使得模板變形,產(chǎn)生與模板變形一致的裂縫。
(10)施工時(shí)拆模過早,混凝土強(qiáng)度不足,使得構(gòu)件在自重或施工荷載作用下產(chǎn)生裂縫。
(11)施工前對(duì)支架壓實(shí)不足或支架剛度不足,澆筑混凝土后支架不均勻下沉,導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。
(12)裝配式結(jié)構(gòu),在構(gòu)件運(yùn)輸、堆放時(shí),支承墊木不在一條垂直線上,或懸臂過長(zhǎng),或運(yùn)輸過程中劇烈顛撞;吊裝時(shí)吊點(diǎn)位置不當(dāng), T梁等側(cè)向剛度較小的構(gòu)件,側(cè)向無可靠的加固措施等,均可能產(chǎn)生裂縫。
(13)安裝順序不正確,對(duì)產(chǎn)生的后果認(rèn)識(shí)不足,導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫。如鋼筋混凝土連續(xù)梁滿堂支架現(xiàn)澆施工時(shí),鋼筋混凝土墻式護(hù)欄若與主梁同時(shí)澆筑,拆架后墻式護(hù)欄往往產(chǎn)生裂縫;拆架后再澆筑護(hù)欄,則裂縫不易出現(xiàn)。
(14)施工質(zhì)量控制差。任意套用混凝土配合比,水、砂石、水泥材料計(jì)量不準(zhǔn),結(jié)果造成混凝土強(qiáng)度不足和其他性能(和易性、密實(shí)度)下降,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。
一座橋梁從建成到使用,許多方面的原因都可能使混凝土橋梁產(chǎn)生裂縫。因此,混凝土橋梁在施工和使用過程中,應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,以保證結(jié)構(gòu)安全耐用。
