淺談橋梁結(jié)構(gòu)混凝土常見裂縫病害機(jī)理
2015-06-15
1 荷載引起的裂縫
混凝土橋梁在常規(guī)靜、動(dòng)荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的主要有直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。
1.1 直接應(yīng)力裂縫
直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。其產(chǎn)生的原因有:
1.1.1 設(shè)計(jì)計(jì)算階段
結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不計(jì)算或部分漏算; 計(jì)算模型不合理; 結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符; 內(nèi)力與配筋計(jì)算錯(cuò)誤; 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠;結(jié)構(gòu)剛度不足; 構(gòu)造處理不當(dāng);設(shè)計(jì)圖紙交代不清等。
1.1.2 施工階段
不加限制地堆放施工機(jī)具、材料; 不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)的受力特點(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)受力模式等。
1.1.3 使用階段
超出設(shè)計(jì)載荷的重型車輛過(guò)橋; 受車輛、船舶的接觸、撞擊; 發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等。
1.2 次應(yīng)力裂縫
次應(yīng)力裂縫是由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。其產(chǎn)生的原因有:
1.2.1 在設(shè)計(jì)外荷載作用下, 由于結(jié)構(gòu)物的實(shí)際工作狀態(tài)同常規(guī)計(jì)算有出入或計(jì)算不考慮, 從而在某些部位引起次應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。
1.2.2 橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽、開洞、設(shè)置牛腿等, 在常規(guī)計(jì)算中難以用準(zhǔn)確的圖式進(jìn)行模擬計(jì)算,一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置受力鋼筋。研究表明, 受力構(gòu)件挖孔后, 力流將產(chǎn)生繞射現(xiàn)象, 在孔洞附近密集, 產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中。在長(zhǎng)跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁中, 經(jīng)常在跨內(nèi)根據(jù)截面內(nèi)力需要截?cái)噤撌? 設(shè)置錨頭, 而在錨固斷面附近經(jīng)?？梢钥吹搅芽p。
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)將產(chǎn)生應(yīng)力;當(dāng)應(yīng)力超過(guò)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:
2.1 氣候溫差
一年中四季溫度不斷變化, 但變化相對(duì)緩慢, 一天中晝夜溫度變化較大，這個(gè)二者對(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(guò)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。
2.2 水化熱
出現(xiàn)在施工過(guò)程中, 大體積混凝土( 厚度超過(guò) 2.0 米) 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。
2.3 施工措施不當(dāng)
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, 也易出現(xiàn)裂縫。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。采用電熱張拉法張拉預(yù)應(yīng)力構(gòu)件時(shí), 預(yù)應(yīng)力鋼材溫度可升高至 350℃, 混凝土構(gòu)件也容易開裂。試驗(yàn)研究表明,由火災(zāi)等原因引起高溫?zé)齻幕炷翉?qiáng)度隨溫度的升高而明顯降低,鋼筋與混凝土的粘結(jié)力隨之下降,混凝土溫度達(dá)到 300℃后抗拉強(qiáng)度下降 50%, 抗壓強(qiáng)度下降 60%, 光圓鋼筋與混凝土的粘結(jié)力下降 80%。由于受熱, 混凝土體內(nèi)游離水大量蒸發(fā)也可產(chǎn)生急劇收縮。
3 收縮引起的裂縫
3.1 塑性收縮
在施工過(guò)程中、混凝土澆筑后4～5 小時(shí)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, 因此時(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(guò)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。
3.2 縮水收縮(干縮)
混凝土結(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(guò)其抗拉強(qiáng)
度時(shí), 便產(chǎn)生收縮裂縫。
3.3 自身收縮
自身收縮是混凝土在硬化過(guò)程中, 水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)。這種收縮與外界濕度無(wú)關(guān), 既可以是正的( 即收縮, 如普通硅酸鹽水泥混凝土), 也可以是負(fù)的(即膨脹, 如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土)。
3.4 碳化收縮
大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度 50%左右才能發(fā)生, 且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。
4 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。
4.1 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, 是造成地基不均勻沉降的主要原因。
4.2 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。
4.3 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。
4.4 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。
4.5 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。
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; 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(lái)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。
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 9%~11%, 因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力; 同時(shí)混凝土凝膠孔中的過(guò)冷水 ( 結(jié)冰溫度在-7～8 度以下) 在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起滲透壓, 使混凝土中膨脹力加大, 混凝土強(qiáng)度降低, 并導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時(shí)受凍最嚴(yán)重, 成齡后混凝土強(qiáng)度損失可達(dá) 30%~50%。溫度低于零度及混凝土吸水飽和是發(fā)生凍脹破壞的必要條件。
7結(jié)束語(yǔ)
綜上所述, 一座橋梁從建成到使用, 牽涉到設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、尤其是運(yùn)營(yíng)管理階段等各個(gè)方面。設(shè)計(jì)疏漏、施工低劣、監(jiān)理不力, 均可能使混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫。因此,嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理, 是保證結(jié)構(gòu)安全耐用的前提和基礎(chǔ)。而在日常的運(yùn)營(yíng)管理維護(hù)過(guò)程中,通過(guò)了解掌握橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的成因機(jī)理和發(fā)展規(guī)律, 為及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理問(wèn)題提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。
