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淺析鋼筋混凝土橋梁裂縫的成因與預(yù)防

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2009-08-04  來源:中國(guó)混凝土網(wǎng)  作者:佚名
核心提示:淺析鋼筋混凝土橋梁裂縫的成因與預(yù)防
  摘要:本文對(duì)鋼筋混凝土橋梁裂縫的類型和產(chǎn)生原因做了較全面的分析總結(jié),以便在設(shè)計(jì)和施工時(shí)有效控制裂縫的產(chǎn)生,達(dá)到防患于未然的目的。  
   
  關(guān)鍵詞:裂縫種類;成因;分析;預(yù)防  
    
  混凝土是脆性材料,而鋼筋卻是韌性材料,它們兩者在一起工作,彈性模量相差很大,而且兩者的強(qiáng)度差別就更大,因此兩種材料在一起共同發(fā)揮作用,要使鋼筋參加工作,比較多的承受力,混凝土勢(shì)必開裂。大量的工程和理論分析表明鋼筋混凝土構(gòu)件基本上都是帶裂縫工作的。裂縫一般分成不可見裂縫和可見裂縫??梢娏芽p又分為無害裂縫和有害裂縫。有害裂縫在使用荷載或外界物理及化學(xué)作用下不斷產(chǎn)生和發(fā)展,引起混凝土碳化,保護(hù)層剝落及鋼筋銹蝕,直至影響結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命,必須加以控制。  
    
  一、混凝土橋梁設(shè)計(jì)原理  
    
  我國(guó)現(xiàn)行的公路橋涵規(guī)范規(guī)定:橋梁應(yīng)根據(jù)所在公路的使用任務(wù)、性質(zhì)和將來的發(fā)展需要,按照適用、經(jīng)濟(jì)、安全和美觀的原則進(jìn)行設(shè)計(jì),這些要求基本上包含了人們關(guān)心的所有重要問題?;炷翗蛄壕唧w的設(shè)計(jì)過程是按承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)來進(jìn)行的。按承載能力極限狀態(tài)是控制結(jié)構(gòu)在喪失服務(wù)能力臨界狀態(tài)時(shí)的承載能力,其設(shè)計(jì)的基本原則是要求荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計(jì)值要小于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計(jì)值。同時(shí)利用荷載安全系數(shù)、材料安全系數(shù)及工作條件系數(shù)來考慮不確定因素作用下的結(jié)構(gòu)總體的安全儲(chǔ)備,是一種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。按正常使用極限狀態(tài)是控制結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)時(shí)應(yīng)力,裂縫和變形小于一個(gè)限定值,即使用容許裂縫寬度來控制混凝土構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有關(guān)規(guī)范規(guī)定:在一般正常大氣條件下,鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在荷載組合Ⅰ的作用下,計(jì)算得到的最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.2mm;在荷載組合Ⅱ和Ⅲ作用下,不應(yīng)超過0.25mm;處于嚴(yán)重暴露情況(有侵蝕性氣體或海洋大氣)下的鋼筋混凝土構(gòu)件,容許裂縫寬度不應(yīng)超過0.1mm。  

  混凝土構(gòu)件容許裂縫的存在,是由混凝土抗拉能力差,容易開裂的缺點(diǎn)決定的。通過對(duì)大量的工程實(shí)例的研究發(fā)現(xiàn),幾乎所有的混凝土構(gòu)件都是帶裂縫工作的,只是有些裂縫很細(xì),一般對(duì)結(jié)構(gòu)和使用無大的影響,可允許其存在;有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學(xué)因素的作用下,不斷產(chǎn)生和擴(kuò)展,引起混凝土明顯的病害,如保護(hù)層剝落、鋼筋腐蝕,從而導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度和剛度受到削弱,耐久性降低,嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生垮塌事故,危害結(jié)構(gòu)的正常使用。  
    
  二、混凝土橋梁裂縫的成因分析及預(yù)防措施  
    
  隨著橋梁使用年齡的增加,車輛的超載現(xiàn)象不斷增加,會(huì)使細(xì)微裂縫不斷的擴(kuò)大,甚至?xí)嗔眩藭r(shí)困擾橋梁工程師的最大問題是對(duì)裂縫的形成原因以及對(duì)鋼筋的腐蝕作用的進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí),并且作出全面分析,以避免和克服因?yàn)榱芽p引起的對(duì)橋梁使用性能的影響。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)在此方面的研究成果和工程實(shí)例的分析,混凝土橋梁的裂縫形成原因可大致梳理為以下幾個(gè)方面:  

 ?。ㄒ唬┗炷劣昧线x用不當(dāng)引起的裂縫  

  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。此外,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,并且發(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。此外,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。 

 ?。ǘ┰O(shè)計(jì)和施工不合理產(chǎn)生的裂縫  

  此類裂縫是我們?cè)诠こ虒?shí)例中發(fā)現(xiàn)最多的裂縫形式,許多橋梁設(shè)計(jì)人員往往只滿足于規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算上的安全度需要,而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護(hù)、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計(jì)、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤等方面去加強(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的安全性。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足,冗余性?。挥械挠?jì)算圖式和受力路線不明確,造成局部受力過大;有的混凝土強(qiáng)度等級(jí)過低、保護(hù)層厚度過小、鋼筋直徑過細(xì)、構(gòu)件截面過薄。這些都削弱了結(jié)構(gòu)安全性,會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用。不少橋梁,雖然滿足了橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)度要求,僅用了5~10年就因?yàn)槌隽藛栴}影響結(jié)構(gòu)安全。例如我們發(fā)現(xiàn)在混凝土橋梁豎向有截面突變的地方(箱梁、T梁的腹板與頂?shù)装褰唤犹帲┖苋菀桩a(chǎn)生裂縫,研究分析結(jié)果顯示:混凝土在澆筑后發(fā)生水化反應(yīng)、泌水和大量水分蒸發(fā),混凝土因失水而收縮,而骨料因重力影響向下沉降,但此時(shí)混凝土的強(qiáng)度和硬度都不高,骨料下沉?xí)r受到鋼筋的阻擋,便產(chǎn)生了沿鋼筋方向的裂縫。為避免此類裂縫的產(chǎn)生,在設(shè)計(jì)階段要盡量避免截面突變的存在,不能避免時(shí)要做特殊的處理,可將突變截面做成漸變截面,同時(shí)適量的增加鋼筋數(shù)量;在施工時(shí)要注意振搗,最好是在變截面處分層澆筑。  

 ?。ㄈ┳匀画h(huán)境的影響產(chǎn)生的裂縫  

  自然環(huán)境的影響主要是溫差引起了混凝土的溫度梯度呈非線性分布,而混凝土構(gòu)件的位移又受到約束,導(dǎo)致局部應(yīng)力過大,從而出現(xiàn)了裂縫。一般失火、太陽(yáng)曝曬、驟然降溫以及冬季施工均可能導(dǎo)致此類裂縫的發(fā)生。預(yù)防措施是在設(shè)計(jì)時(shí)重視溫度應(yīng)力,一些大跨徑的橋梁,溫度應(yīng)力往往是可以超過活載應(yīng)力的,另外就是杜絕冬季施工,因?yàn)榇藭r(shí)施工混凝土在初凝時(shí)受凍,成齡后混凝土強(qiáng)度損失可達(dá)30%~50%。  

 ?。ㄋ模┖奢d引起的裂縫  

  此類裂縫是混凝土橋梁在常規(guī)動(dòng)、靜荷載及次應(yīng)力作用下產(chǎn)生的,橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動(dòng)荷載,會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力,不但會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng),還會(huì)引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續(xù)的,實(shí)際上存在許多微小的缺陷,在循環(huán)荷載作用下,這些微缺陷會(huì)逐漸發(fā)展、合并形成損傷,并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋不得到有效控制,極有可能會(huì)引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。早期疲勞損傷往往不易被檢測(cè)到,但其帶來的后果往往是災(zāi)難性的。

  工程實(shí)例中此類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動(dòng)嚴(yán)重部位,且裂縫特征如下:  

  1、受拉。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。  

  2、受壓。沿構(gòu)件出現(xiàn)平行于受力方向的短而密的平行裂縫。  

  3、受彎。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、受剪。當(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。  

  5、受扭。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。  

  從大量的工程實(shí)例分析來看,此類裂縫產(chǎn)生的直接原因是內(nèi)力與配筋計(jì)算或構(gòu)造設(shè)計(jì)不當(dāng),施工階段不按照?qǐng)D紙施工,擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的改變,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力超出使用極限。另外大量的超載車輛過橋也是主要原因之一。預(yù)防措施是加強(qiáng)設(shè)計(jì)的合理性和安全系數(shù)以及施工的合理性,并嚴(yán)格控制嚴(yán)重超載車輛。  
    
  三、結(jié)束語  
    
  混凝土橋梁產(chǎn)生裂縫的產(chǎn)生原因較為復(fù)雜,工程實(shí)例中也是允許微小裂縫產(chǎn)生的,保證不出現(xiàn)裂縫是較難實(shí)現(xiàn)的,但是我們是能夠盡量減少因?yàn)樵O(shè)計(jì)疏漏、施工低劣、監(jiān)理不力、運(yùn)營(yíng)管理不力等諸多人為因素所產(chǎn)生的裂縫擴(kuò)展,從而保證橋梁不會(huì)因?yàn)榱芽p擴(kuò)展導(dǎo)致鋼筋腐蝕、脆性斷裂等病害發(fā)生。  
    
  參考文獻(xiàn):  

  [1]趙國(guó)藩,李樹瑤,廖婉卿.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制[M].北京:海洋出版社  

  [2]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998.  

  [3]王赫.建筑工程質(zhì)量事故分析(第二版)[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000. [4]《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》人民交通出版社,北京
 
 
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