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【摘 要】为了进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识,尽量避免工程中出现危害较大的裂缝,本文尽可能对混凝土桥梁裂缝的种类和产生的原因作了较全面的分析、总结, 以方便设计、施工人员找出控制裂缝的可行办法,达到防范于未然的作用。
【关键词】桥梁裂缝的种类;产生原因
Discuss causes of bridge cracks
Guo Wei 1, Wang Lei 2
(1. Henan Province Jiyuan City Rural Highway Administration Jiyuan Henan 454650;2. Henan Province Jiyuan City Lutong Road & Bridge Engineering Co., Ltd. Jiyuan Henan 454650 )
【Abstract】To further enhance the awareness of cracks in concrete bridge, to avoid endangering the larger project cracks appear, this bridge cracks in concrete as far as possible the types and causes made a more comprehensive analysis, summarized in order to facilitate the design, Construction personnel to identify possible ways to control the cracks, to the role of preventive measures.
【Key words】Type of bridge cracks; Cause
混凝土结构裂缝是多种因素相互影响而产生,但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。混凝土桥梁裂缝的种类,就其产生的原因,可分为如下几种:
1. 荷载引起的裂缝
混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝,主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。其裂缝产生的原因有:
次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有:一是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时不考虑,从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。二是桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等,在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算,一般根据经验设置受力钢筋。研究表明,受力构件挖孔后,力流将产生绕射现象,在孔洞附近密集,产生巨大的应力集中。在长跨预应力连续梁中,经常在跨内根据截面内力需要截断钢束,设置锚头,而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此,若处理不当,在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。
次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。在设计上,应注意避免结构突变(或断面突变),当不能回避时,应做局部处理,如转角处做圆角,突变处做成渐变过渡,同时加强构造配筋,转角处增配斜向钢筋,对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。
2. 温度变化引起的裂缝
混凝土具有热胀冷缩性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时就会产生温度裂缝。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有:
一是年温差。一年中四季温度不断变化,但变化相对缓慢,对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移,一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调,只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝,例如拱桥、刚架桥等。二是日照。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后,温度明显高于其它部位,温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用,导致局部拉应力较大,出现裂缝。三是骤然降温。突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降,但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实桥资料进行,混凝土弹性模量不考虑折减。四是水化热。在施工过程中,大体积混凝土(厚度超过2.0米)浇筑之后由于水泥水化放热,致使内部温度很高,内外温差太大,致使表面出现裂缝。五是蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当,混凝土骤冷骤热,内外温度不均,易出现裂缝。六是预制T梁之间横隔板安装时,支座预埋钢板与调平钢板焊接时,若焊接措施不当,铁件附近混凝土容易烧伤开裂。采用电热张拉法张拉预应力构件时,预应力钢材温度可升高至350℃,混凝土构件也容易开裂。
3. 收缩引起的裂缝
混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。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。塑性收缩发生在施工过程中、混凝土浇筑后4~5小时左右,此时水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,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,称为塑性收缩。塑性收缩所产生量级很大,可达1%左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡,便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处如T梁、箱梁腹板与顶底板交接处,因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝。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。缩水收缩发生在混凝土结硬以后,随着表层水分逐步蒸发,湿度逐步降低,混凝土体积减小,称为缩水收缩。因混凝土表层水分损失快,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,当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。
4. 地基础变形引起的裂缝
基础竖向不均匀沉降或水平方向位移,使结构中产生附加应力,超出混凝土结构的抗拉能力,导致结构开裂。基础不均匀沉降的主要原因有:一是地质勘察精度不够、试验资料不准,在没有充分掌握地质情况就设计、施工,是造成地基不均匀沉降的主要原因。二是地基地质差异太大,建造在山区沟谷的桥梁,河沟处的地质与山坡处变化较大,河沟中甚至存在软弱地基,地基土由于不同压缩性引起不均匀沉降。三是结构荷载差异太大,在地质情况比较一致条件下,各部分基础荷载差异太大时,有可能引起不均匀沉降。四是结构基础类型差别大,同一联桥梁中,混合使用不同基础如扩大基础和桩基础,或同时采用桩基础但桩径或桩长差别大时,或同时采用扩大基础但基底标高差异大时,也可能引起地基不均匀沉降。五是分期建造的基础,在原有桥梁基础附近新建桥梁时,如分期修建的高速公路左右半幅桥梁,新建桥梁荷载或基础处理时引起地基土重新固结,均可能对原有桥梁基础造成较大沉降。六是地基冻胀,在低于零度的条件下含水率较高的地基土因冰冻膨胀,一旦温度回升,冻土融化,地基下沉。七是桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时,可能造成不均匀沉降。八是桥梁建成以后,原有地基条件变化,大多数天然地基和人工地基浸水后,尤其是素填土、黄土、膨胀土等特殊地基土,土体强度遇水下降,压缩变形加大。
5. 钢筋锈蚀引起的裂缝
混凝土质量较差或保护层厚度不足,混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物介入,钢筋周围氯离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,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,并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀,使得钢筋有效断面面积减小,钢筋与混凝土握裹力削弱,结构承载力下降,并将诱发其它形式的裂缝,加剧钢筋锈蚀,导致结构破坏。
防止钢筋锈蚀,设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用足够的保护层厚度。施工时应控制混凝土的水灰比,加强振捣,保证混凝土的密实性,防止氧气侵入。
6. 冻胀引起的裂缝
大气气温低于零度时,吸水饱和的混凝土出现冰冻,游离的水转变成冰,体积膨胀9%,因而混凝土产生膨胀应力;同时混凝土凝胶孔中的过冷水(结冰温度在-78度以下)在微观结构中迁移和重分布引起渗透压,使混凝土中膨胀力加大,混凝土强度降低,并导致裂缝出现。
温度低于零度和混凝土吸水饱和是发生冻胀破坏的必要条件。当混凝土中骨料空隙多 、吸水性强;骨料中含泥土等杂质过多;混凝土水灰比偏大、振捣不密实;养护不力使混凝土早期受冻等,均可能导致混凝土冻胀裂缝。冬季施工时,采用电气加热法、暖棚法、地下蓄热法、蒸汽加热法养护以及在混凝土拌和水中掺入防冻剂(但氯盐不宜使用),可保证混凝土在低温或负温条件下硬化。
7. 施工材料质量引起的裂缝
混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格,可能导致结构出现裂缝,主要有以下几点:
7.1 水泥。
一是水泥安定性不合格,水泥中游离的氧化钙含量超标。氧化钙在凝结过程中水化很慢,在水泥混凝土凝结后仍然继续起水化作用,可破坏已硬化的水泥石,使混凝土抗拉强度下降。二是水泥出厂时强度不足,水泥受潮或过期,可能使混凝土强度不足,从而导致混凝土开裂。三是当水泥含碱量较高(例如超过0.6%),同时又使用含有碱活性的骨料,可能导致碱骨料反应。
7.2 砂、石骨料。
砂石的粒径、级配、杂质含量。砂石粒径太小、级配不良、空隙率大,将导致水泥和拌和水用量加大,影响混凝土的强度,使混凝土收缩加大,如果使用超出规定的特细砂,后果更严重。砂石中云母的含量较高,将削弱水泥与骨料的粘结力,降低混凝土强度。砂石中含泥量高,不仅将造成水泥和拌和水用量加大,而且还降低混凝土强度和抗冻性、抗渗性。砂石中有机质和轻物质过多,将延缓水泥的硬化过程,降低混凝土强度,特别是早期强度。砂石中硫化物可与水泥中的铝酸三钙发生化学反应,体积膨胀2.5倍。
8. 结论
一座桥梁从建成到使用,牵涉到设计、施工、监理、运营管理等各个方面。由上述可知,设计疏漏、施工低劣、监理不力,均可能使混凝土桥梁出现裂缝。因此,严格按照国家有关规范、技术标准进行设计、施工和监理,是保证结构安全耐用的前提和基础。在运营管理过程中,进一步加强巡查和管理,及时发现和处理问题,也是相当重要的一个环节。
[文章编号]1006-7619(2010)06-23-580
【关键词】桥梁裂缝的种类;产生原因
Discuss causes of bridge cracks
Guo Wei 1, Wang Lei 2
(1. Henan Province Jiyuan City Rural Highway Administration Jiyuan Henan 454650;2. Henan Province Jiyuan City Lutong Road & Bridge Engineering Co., Ltd. Jiyuan Henan 454650 )
【Abstract】To further enhance the awareness of cracks in concrete bridge, to avoid endangering the larger project cracks appear, this bridge cracks in concrete as far as possible the types and causes made a more comprehensive analysis, summarized in order to facilitate the design, Construction personnel to identify possible ways to control the cracks, to the role of preventive measures.
【Key words】Type of bridge cracks; Cause
混凝土结构裂缝是多种因素相互影响而产生,但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。混凝土桥梁裂缝的种类,就其产生的原因,可分为如下几种:
1. 荷载引起的裂缝
混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝,主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。其裂缝产生的原因有:
次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有:一是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时不考虑,从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。二是桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等,在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算,一般根据经验设置受力钢筋。研究表明,受力构件挖孔后,力流将产生绕射现象,在孔洞附近密集,产生巨大的应力集中。在长跨预应力连续梁中,经常在跨内根据截面内力需要截断钢束,设置锚头,而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此,若处理不当,在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。
次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。在设计上,应注意避免结构突变(或断面突变),当不能回避时,应做局部处理,如转角处做圆角,突变处做成渐变过渡,同时加强构造配筋,转角处增配斜向钢筋,对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。
2. 温度变化引起的裂缝
混凝土具有热胀冷缩性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时就会产生温度裂缝。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有:
一是年温差。一年中四季温度不断变化,但变化相对缓慢,对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移,一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调,只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝,例如拱桥、刚架桥等。二是日照。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后,温度明显高于其它部位,温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用,导致局部拉应力较大,出现裂缝。三是骤然降温。突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降,但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实桥资料进行,混凝土弹性模量不考虑折减。四是水化热。在施工过程中,大体积混凝土(厚度超过2.0米)浇筑之后由于水泥水化放热,致使内部温度很高,内外温差太大,致使表面出现裂缝。五是蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当,混凝土骤冷骤热,内外温度不均,易出现裂缝。六是预制T梁之间横隔板安装时,支座预埋钢板与调平钢板焊接时,若焊接措施不当,铁件附近混凝土容易烧伤开裂。采用电热张拉法张拉预应力构件时,预应力钢材温度可升高至350℃,混凝土构件也容易开裂。
3. 收缩引起的裂缝
混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。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。塑性收缩发生在施工过程中、混凝土浇筑后4~5小时左右,此时水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,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,称为塑性收缩。塑性收缩所产生量级很大,可达1%左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡,便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处如T梁、箱梁腹板与顶底板交接处,因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝。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。缩水收缩发生在混凝土结硬以后,随着表层水分逐步蒸发,湿度逐步降低,混凝土体积减小,称为缩水收缩。因混凝土表层水分损失快,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,当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。
4. 地基础变形引起的裂缝
基础竖向不均匀沉降或水平方向位移,使结构中产生附加应力,超出混凝土结构的抗拉能力,导致结构开裂。基础不均匀沉降的主要原因有:一是地质勘察精度不够、试验资料不准,在没有充分掌握地质情况就设计、施工,是造成地基不均匀沉降的主要原因。二是地基地质差异太大,建造在山区沟谷的桥梁,河沟处的地质与山坡处变化较大,河沟中甚至存在软弱地基,地基土由于不同压缩性引起不均匀沉降。三是结构荷载差异太大,在地质情况比较一致条件下,各部分基础荷载差异太大时,有可能引起不均匀沉降。四是结构基础类型差别大,同一联桥梁中,混合使用不同基础如扩大基础和桩基础,或同时采用桩基础但桩径或桩长差别大时,或同时采用扩大基础但基底标高差异大时,也可能引起地基不均匀沉降。五是分期建造的基础,在原有桥梁基础附近新建桥梁时,如分期修建的高速公路左右半幅桥梁,新建桥梁荷载或基础处理时引起地基土重新固结,均可能对原有桥梁基础造成较大沉降。六是地基冻胀,在低于零度的条件下含水率较高的地基土因冰冻膨胀,一旦温度回升,冻土融化,地基下沉。七是桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时,可能造成不均匀沉降。八是桥梁建成以后,原有地基条件变化,大多数天然地基和人工地基浸水后,尤其是素填土、黄土、膨胀土等特殊地基土,土体强度遇水下降,压缩变形加大。
5. 钢筋锈蚀引起的裂缝
混凝土质量较差或保护层厚度不足,混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物介入,钢筋周围氯离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,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,并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀,使得钢筋有效断面面积减小,钢筋与混凝土握裹力削弱,结构承载力下降,并将诱发其它形式的裂缝,加剧钢筋锈蚀,导致结构破坏。
防止钢筋锈蚀,设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用足够的保护层厚度。施工时应控制混凝土的水灰比,加强振捣,保证混凝土的密实性,防止氧气侵入。
6. 冻胀引起的裂缝
大气气温低于零度时,吸水饱和的混凝土出现冰冻,游离的水转变成冰,体积膨胀9%,因而混凝土产生膨胀应力;同时混凝土凝胶孔中的过冷水(结冰温度在-78度以下)在微观结构中迁移和重分布引起渗透压,使混凝土中膨胀力加大,混凝土强度降低,并导致裂缝出现。
温度低于零度和混凝土吸水饱和是发生冻胀破坏的必要条件。当混凝土中骨料空隙多 、吸水性强;骨料中含泥土等杂质过多;混凝土水灰比偏大、振捣不密实;养护不力使混凝土早期受冻等,均可能导致混凝土冻胀裂缝。冬季施工时,采用电气加热法、暖棚法、地下蓄热法、蒸汽加热法养护以及在混凝土拌和水中掺入防冻剂(但氯盐不宜使用),可保证混凝土在低温或负温条件下硬化。
7. 施工材料质量引起的裂缝
混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格,可能导致结构出现裂缝,主要有以下几点:
7.1 水泥。
一是水泥安定性不合格,水泥中游离的氧化钙含量超标。氧化钙在凝结过程中水化很慢,在水泥混凝土凝结后仍然继续起水化作用,可破坏已硬化的水泥石,使混凝土抗拉强度下降。二是水泥出厂时强度不足,水泥受潮或过期,可能使混凝土强度不足,从而导致混凝土开裂。三是当水泥含碱量较高(例如超过0.6%),同时又使用含有碱活性的骨料,可能导致碱骨料反应。
7.2 砂、石骨料。
砂石的粒径、级配、杂质含量。砂石粒径太小、级配不良、空隙率大,将导致水泥和拌和水用量加大,影响混凝土的强度,使混凝土收缩加大,如果使用超出规定的特细砂,后果更严重。砂石中云母的含量较高,将削弱水泥与骨料的粘结力,降低混凝土强度。砂石中含泥量高,不仅将造成水泥和拌和水用量加大,而且还降低混凝土强度和抗冻性、抗渗性。砂石中有机质和轻物质过多,将延缓水泥的硬化过程,降低混凝土强度,特别是早期强度。砂石中硫化物可与水泥中的铝酸三钙发生化学反应,体积膨胀2.5倍。
8. 结论
一座桥梁从建成到使用,牵涉到设计、施工、监理、运营管理等各个方面。由上述可知,设计疏漏、施工低劣、监理不力,均可能使混凝土桥梁出现裂缝。因此,严格按照国家有关规范、技术标准进行设计、施工和监理,是保证结构安全耐用的前提和基础。在运营管理过程中,进一步加强巡查和管理,及时发现和处理问题,也是相当重要的一个环节。
[文章编号]1006-7619(2010)06-23-580