混凝土桥梁施工裂缝产生原因分析
2016-11-28
随着我国交通建设的迅猛发展，各类桥梁建筑层出不穷。而在各种形式的施工过程中，混凝土的应用越来越广泛，混凝土结构在现代桥梁工程建设中已经占据了非常重要的地位。因为该种结构形式的桥梁具有价廉物美，施工方便，承载力大，可装饰性强的特点。然而在混凝土施工使用的同时，由于对混凝土性能的了解不深，往往会在工程完工后的几周或者更长一段时间内，混凝土结构出现裂缝或者其他的不良反应，给人们的心中造成了担忧和害怕，尽管我们在施工过程中会采取各种措施，但裂缝仍然时有出现，有些还造成了很大的损失。为了减少和控制裂缝的出现，许多专业的混凝土技术研究人员对桥梁混凝土的裂缝形成进行了大量的研究和探讨，提出了一系列解决裂缝的办法和意见，也取得了一些较好的成果，使混凝土桥梁的裂缝控制降低到一定范围之内。
一、混凝土桥梁裂缝产生的原因
1、荷载引起的裂缝
混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力作用下产生的裂缝称为荷载裂缝，可分为直接应力和次应力裂缝两种:
1)直接应力裂缝是指由外荷载引起的直接应力而产生的裂缝。产生的原因有：①设计阶段。计算模型不合理；结构受力假设与实际情况不吻合；结构安全系数不够；结构刚度不足；构造处理不当；荷载少算或漏算；设计断面不足；内力与配筋计算错误；钢筋设置偏少或布置错误；结构设计没有考虑施工的可能性；设计图纸交代不清等；②施工阶段。不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制构件的结构受力特点，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，改变结构受力模型：不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等；③使用阶段。超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船舶的接触和撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。
2)次应力裂缝是指由外荷载引起的次应力而产生的裂缝。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考虑不周，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开槽、凿洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图形进行模拟受力计算，通常都根据经验布置受力钢筋，而大量研究表明，受力构件挖孔之后，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。
2、温度变化引起的裂缝
混凝土具有热胀冷缩的特性。当环境或结构内部温度发生变化时，混凝土会发生变形，如变形受到约束，则在结构内会有应力产生，一旦应力超过混凝土的抗拉强度就会产生温度裂缝，在一些大跨径的钢筋混凝士桥梁中，温度应力甚至可以超出活荷载的应力。温度裂缝区别于其它裂缝的最主要特征是它会随着温度的变化而变化。引起温度变化的主要因素有：
（1)年温差。一年四季温度不断变化，由于变化相对缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移产生，该情况一般可通过桥面伸缩缝、支座或者设置柔性墩等构造措施来缓冲，只有当结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝。我国的年温差一般以一月和七月的月平均温度作为变化幅度，考虑到混凝土的蠕变特性，年温差内力计算为混凝上的弹性模量应当考虑一定的折减系数。
（2)目照。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后，温度会大大高于其它部位，导致温度梯度呈明显的非线形分布，由于受到自身约束力的作用，导致局部的拉应力较大，出现裂缝。
（3)突然降温。突降大雨、冷空气侵袭、日落等可以导致桥梁混凝土结构外表面温度突然下降，而内部的温度变化相对较慢而产生温度梯度，由此造成应力变化而出现裂缝。
3、收缩引起的裂缝
在大量的桥梁工程施工过程中，混凝土因收缩而引起的裂缝是最普遍的。在混凝土收缩的种类中，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炭化收缩两种情形:
（1)塑性收缩。混凝土浇筑施工后的4h～5h左右，此时水泥的水化反应开始剧烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发现象，混凝土发生失水收缩，同时骨料因自重下沉，此时由于混凝土尚未硬化，故称为塑性收缩。塑性收缩产生的量级一般很大，可达1％左右，若骨料在下沉过程中受到钢筋的阻挡，便可形成沿钢筋方向的裂缝。在构件的竖向变截面处如T梁、箱梁的腹板与顶板、底板的交接处，因硬化前沉实的不均匀多会产生表面的顺腹板方向的裂缝。
（2)缩水收缩(干缩)。混凝土结硬以后，随着表层水分的不断蒸发，湿度逐步降低，导致混凝土的体积减小，称为缩水收缩(干缩)。由于混凝土表层的水分损失快．而内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受的拉力超过其抗拉强度时，即会产生收缩裂缝。
4、钢筋锈蚀引起的裂缝
由于混凝土的质量较差或保护层的厚度不够，导致空气中的二氧化碳侵蚀到混凝土构件内的钢筋表面，使钢筋周围的混凝土碱度降低，或者由于氯化物的介入，使钢筋周围的氯离子含量增大，引起钢筋表面的氧化膜发生破坏，使钢筋中的铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应，其锈蚀物氢氧化铁的体积比原状体积增加2～4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，同时会沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗透到混凝土表面。由于锈蚀的原因，使得钢筋的有效截面面积缩小，钢筋与混凝土的包裹力削弱，造成结构承载力下降，诱发其它形式的裂缝产生，严重的还会导致结构破坏。
5、施工工艺质量引起的裂缝
在桥梁混凝土的结构浇筑、预制构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装的过程中，如果施工工艺不合理、施工质量低劣，易产生纵向、横向、斜向、竖向、水平、浅表、深进和贯穿等各种形式的裂缝，特别是细长的薄壁结构更易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝的宽度因产生的原因而不同，比较典型的有:（1)浇筑过程中踩踏已绑扎好的上层钢筋，致使承受负弯矩的受力筋保护层加厚，导致构件的有效高度减小，形成受力钢筋垂直方向的裂缝；（2)混凝土的振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或产生其它荷载裂缝的起源点；（3)混凝土浇筑施工过快，混凝士的流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，而硬化后又沉实过大，容易发生浇筑数小时后产生裂缝(即塑性收缩裂缝)的现象；(4)混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸发过多，引起混凝土坍落度过低，使得混凝土体积上出现不规则的裂缝；(5)混凝土分层或分段浇筑时，接头位置处理不好，易造成新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝；(6)施工前对支架的压实不够或支架刚度不足，浇筑混凝土后支架发生不均匀下沉，导致混凝土出现裂缝；(7)施工时模板的刚度不足，在浇筑混凝士时，由于侧向压力的作用使得模板发生变形，从而产生与模板变形一致的裂缝；(8)装配式结构的施工，在构件运输、堆放时，支承垫木不在一条垂直线上，或悬臂过长，或运输过程中剧烈颠簸和碰撞，吊装时吊点位置不当，T梁等侧向刚度较小的构件，侧向无可靠的加固措施等，均可能产生裂缝。
二、控制裂缝的措施
1、混凝土施工的质量保证措施
（1)选择合适的水泥和严格控制好水泥用量；（2)严格控制骨料级配和含泥量；（3)选择适当的外加剂和合适的配合比；（4)增加适当的预埋件；（5)改进施工技术，加强技术管理。
2、混凝土施工的温度控制措施
为了防止裂缝，减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。控制温度应力的措施有以下几种：（1)拌合混凝土时用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度；（2)夏天浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热；（3)在混凝士中埋设水管，通入冷水进行内部降温；（4)严格控制混凝土的人模温度。桥梁的大体积混凝土浇筑最宜选在春秋节施工，如果必须在夏季施工应采取有效措施降低入模温度，同时浇筑混凝土时最好不要让混凝土在太阳下直接爆晒；（5)控制好拆模时间，气温骤降时进行表面保温，避免混凝土表面产生急剧的温度梯度。
3、加强混凝土的早期养护
大量实践证明，混凝土常见的裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成的，寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝，因此混凝士的保温对防止表面早期裂缝尤为重要。从温度应力观点出发，保温应达到下述要求：（1)防止混凝土内外温度差及混凝土表面产生梯度；（2)防止混凝土超冷，应尽量设法使混凝土施工期间的最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度；（3)防止老混凝土面的过冷，以减少新老混凝土间的约束。
三、结束语
只要我们在具体的施工实施过程中多观察、多比较，出现问题后多分析、多总结，结合多种预防及处理应对措施，混凝土的裂缝是完全可以控制在允许的范围之内，尽量避免造成重大的经济损失。
