综述桥梁裂缝成因及处理措施
【摘要】:文章从结构性裂缝和非结构性裂缝两方面分析了桥梁裂缝产生的原因,并提出了有效的防治措施,以减小裂缝对桥梁的危害,延长桥梁的使用寿命。
【关键词】:结构性裂缝，非结构性裂缝，防治措施
裂缝是桥梁工程中的通病,它的出现降低了结构的抗渗能力和耐久性,影响结构的使用功能及承载能力。为了确保大桥的安全,充分发挥其经济和使用价值,找出裂缝成因并提出相应的防治措施是十分必要的。
1裂缝分类
裂缝可以分为两类:①由静荷载和动荷载的应力(包括次应力)所引起的裂缝,属于受力性裂缝,也称为结构性裂缝,主要是由于结构承载力不够引起,是强度不足的征兆,潜藏着结构的危险性。②由于变形引起的裂缝,属于非受力性裂缝,也称非结构性裂缝,主要是由于结构构件内部自身应力形成。据国内外的调查资料,工程实践中结构物的裂缝原因,属于变形(温度、收缩、不均匀沉陷)引起的约占80%以上;属于荷载引起的约占20%左右。
2裂缝成因分析
2.1结构性裂缝
由于交通运输的发展以及设计、施工等方面的原因,大部分桥梁处于超载运行状态,结构上的作用超过了其抗力,出现了结构性裂缝,主要有弯曲裂缝、剪切裂缝、局部承压裂缝、拼接缝、差动。
2.1.1弯曲裂缝
弯曲裂缝也称垂直裂缝。当受拉区拉应力超过混凝土抗拉强度时往往出现弯曲裂缝。其产生的原因主要有:
1)设计导致的先天裂缝。比如:配筋不足,对温度的荷载估计不足,预应力布置不当等;2)施工导致的原生裂缝。施工程序不当,施工荷载超过设计允许值等;3)运营期间的后天裂缝。超重车辆过重、过多等。
2.1.2剪切裂缝
剪切裂缝也称斜裂缝,先发生在剪应力最大的部位。对受弯、压弯构件,常发生在支座附近,由下部开始,沿着与轴线呈25°～50°左右的角度裂开。随着荷载增大,裂缝长度不断增长并向受压区发展,裂缝数不断增多并分岔,裂缝区也逐渐向跨中方向扩大。其产生原因主要有以下三方面:
1)弯曲裂缝的存在改变了截面的剪应力分布,是剪切裂缝产生的一个重要原因。
2)设计原因。设计中只注意正应力的计算,忽视了剪应力的计算或过分依赖腹板竖向预应力钢筋(蹬筋)。
3)施工原因。如弯起预应力筋错位;竖向预应力筋失效等。
2.1.3局压裂缝
当设计的混凝土抗压强度不够或超载使用时,在承压应力大的部位,由于出现局部拉应力,常常导致产生局压裂缝,甚至会局部压碎。
2.1.4拼接缝
混凝土桥梁多采用纵向分段浇筑或纵向分段工艺施工,这些纵向分段的接缝与主受力方向垂直,如果产生裂缝将会直接影响横向荷载传递,也会间接降低桥梁承载能力。
2.1.5差动
差动是一种常见而又常常被忽略的裂缝成因,往往是由于外部约束或内部变形反应滞后造成的。
2.2非结构性裂缝
非结构性裂缝是结构要求变形,而变形得不到满足时,在结构内部就会产生自应力,当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时,即会引起混凝土裂缝。主要有收缩裂缝、温度裂缝、钢筋锈蚀裂缝(顺筋裂缝)、地基不均匀沉降裂缝等。
2.2.1收缩裂缝
实际工程中混凝土因收缩引起的裂缝是最常见的。收缩裂缝一般在混凝土露天养护完毕一段时间后,在表层和侧面出现,并随温度和湿度变化而逐渐发展。收缩裂缝对构件承载力影响不大,主要影响结构的外观和耐久性。其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,另外还有自生收缩和碳化收缩。
1)塑性收缩。
塑性收缩发生在施工过程中和混凝土浇筑后4h～5h左右,此时水泥水化反应激烈,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,产生塑性收缩[5]。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)干缩。
混凝土凝固过程中,水泥和水起水化作用逐渐硬化而形成水泥骨架,混凝土中多余水分蒸发,体积缩小,称为干缩。因混凝土表层水分损失快,内部损失慢,表面收缩变形受到内部混凝土约束,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。
混凝土在硬化过程中,水泥与水发生水化反应,这种与外界湿度无关,且可以是正的(即收缩,如普通硅酸盐水泥混凝土),也可以是负的(即膨胀,如矿渣水泥混凝土等)。
4)碳化收缩。
碳化收缩是大气中的CO2在存在水的条件下与水泥水化产物作用生成CaCO3等破坏混凝土内部碱性环境使钝态铁的保护层失去作用而产生锈蚀。原因在于这些游离水的蒸发,因为碳化收缩只有在湿度50%左右才能发生,一般较少出现。
2.2.2温度裂缝
混凝土具有热胀冷缩的性质,当外部环境或结构内部温度发生变化时,混凝土将产生变形,若变形受到约束,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。温度裂缝大多发生在施工的中后期,影响它的因素主要有水泥水化热、外界气候、外部约束条件、混凝土的养护等。
2.2.3钢筋锈蚀裂缝(顺筋裂缝)
混凝土质量差、保护层厚度不足或被碳化使钢筋周围混凝土碱度降低、氯化物浸入,引起钢筋表面氧化膜破坏,其锈蚀物体积比原来增长约2倍～4倍,从而对周围混凝土产生膨胀应力,导致保护层混凝土开裂、剥离,沿钢筋纵向产生裂缝。钢筋锈蚀使钢筋有效断面减小,钢筋与混凝土握裹力削弱,结构承载力下降,并诱发其他形式的裂缝,加剧钢筋锈蚀。
2.2.4基础变形引起的裂缝
当基础出现竖向不均匀沉降或水平方向位移时,会使结构中产生附加应力,当超出混凝土结构的抗拉能力时结构开裂。产生原因主要有以下几点:
1)地质勘察精度不够、试验资料不准。没有充分掌握地质情况就设计、施工。这是造成地基不均匀沉降的主要原因;
2)地基地质差异太大;
3)结构荷载差异太大;
4)结构基础类型差别大;
5)分期建造的基础。在原有桥梁基础附近新建桥梁时,新建桥梁荷载或基础处理时引起地基土重新固结,可能对原有桥梁基础造成较大沉降;
6)地基冻胀;
7)桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时;
8)桥梁建成以后,原有地基条件变化等。
3预防措施
3.1材料的控制
对原材料(钢筋、水泥、砂、碎石等)进行严格的抽样检验。对混凝土配合比应进行对比试验,在高温下或雨后施工对砂、碎石进行含水量实验,及时调整施工配合比,确保混凝土施工质量。
3.2设计方面
结构设计计算时不能有载荷漏项,计算模型合理,规范准确。设计中处理好构件“抗”与“放”的关系。“抗”就是处于约束状态下的结构,没有足够的变形余地时,为防止裂缝所采取的有力措施。而“放”就是结构完全处于自由变形无约束状态下,有足够变形余地时所采取的措施。
为将裂缝控制在无害宽度范围内,对荷载裂缝,从计算构造上使结构具有足够的抗力来对付各种荷载的作用,除满足现行国家标准关于承载力的要求外,还要满足抗裂性(裂缝宽度)和变形要求。对变形裂缝,有时也要采用“抗”的原则,如对结构构件的某些部位,从构造上增加配筋或提高材料强度等级等来提高结构构件抵抗变形裂缝的能力。当采用“抗”控制裂缝付出的代价过高时,可采取“放”的原则及其相应的方法[8]。另外结构设计时要考虑施工。
3.3施工管理方面
施工前做到严格审图,做好技术交底,并在施工中加强“三检制”,对隐蔽工程或关键工序设置质量管理点;合理安排施工顺序,施工操作应严格按照施工技术规范的有关规定进行;保证水泥、砂、石质量,保证配合比科学合理,砂浆拌合料要均匀,有很好的和易性、保水性,外加剂计量准确;施工中要振捣密实,浇筑时落距保证不超过最大高度,严防混凝土离析;积极采用补偿收缩混凝土技术;在施工中分段施工,以释放温度应力减少裂缝;加强养护等。
4结语
任何一座桥梁,随着时间的推移都会出现不同程度的病害,应该在设计、施工阶段就采取预防措施,并在使用阶段加强防护,防止病害的出现。一旦出现病害认真查找其产生原因,积极采取措施补救,确保桥梁运营安全。