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摘要在桥梁建造和使用过程中,因出现裂缝而影响桥梁工程质量甚至桥梁垮塌,造成国家和人民生命财产受损也时有发生。深入探讨桥梁混凝土裂缝与施工温度的关系,提高桥梁工程施工人员对施工温度的重视程度,避免施工过程中裂缝的发生。
关键词混凝土裂缝;施工温度;控制
中图分类号TU755.7文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)061-0046-01
近年来,我国基础设施建设得到迅猛发展,各地兴建了大量的混凝土建筑,特别是随着贵州交通基础设施的大规模建设,混凝土得到大量运用。贵州由于属于多山环境,交通基础设施建设中涉及到大量桥梁土的施工。在交通基础设施的建设实践中,混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”,特别是大体积混凝土裂缝,更是关系着工程的质量与进度,严重困扰着工程管理人员。因此,必须十分重视混凝土结构的裂缝问题,正确分析混凝土裂缝的产生机理,区分混凝土裂缝的性质及认识混凝土裂缝的危害程度;以便找到适合的防治措施。
1温度变化引起混凝土裂缝的原因
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。在某些大跨径桥梁中,温度应力可以达到甚至超出活载应力。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:
1.1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。我国年温差一般以一月和七月月的平均温度作为变化幅度。考虑到混凝土的蠕变特性,年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。
1.2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。日照和下述骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。
1.3水化热
一般出现在施工过程中以及养护阶段。大体积混凝土在浇筑和初期养护阶段,由于水泥水化过程中会产生大量热量,致使内部温度很高。所以要采取措施控制内外温差不超过25℃,但往往由于管理不善,保溫措施不力,导致内外温差太大,致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况,尽量选择水化热低的水泥品种,限制水泥单位用量,降低骨料入模温度,减小内外温差,并缓慢降温,必要时可采用循环冷却系统进行内部散热,或采用薄层连续浇筑以加快散热。
1.4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际资料进行,混凝土弹性模量不考虑折减。
2温度应力
2.1温度应力的形成过程的三个阶段
早期。自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,这个阶段有两个特征,一是水泥放出大量的水化热;二是混凝土弹性模量的急剧变化,这一时期在混凝土内形成残余应力。
中期。自水泥放热基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止,这个时期,温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起,这些应力与早期应力相叠加,在此期间混凝土的弹性模量变化不大。
晚期。混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相叠加。
2.2温度应力引起的原因
自生应力:边界上没有任何约束或完全静止的结构,如果内部温度是非线性分布的,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如,桥梁墩身,结构尺寸相对较大,混凝土冷却时表面温度低,内部温度高,在表面出现拉应力,在中间出现压应力。
约束应力:结构的全部或部分边界受到外界的约束,不能自由变形而引起的应力,如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。这两种温度应力往往和混凝土干缩所引起的应力共同作用。根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小,是一项比较复杂的工作。在大多数情况下,需要依靠模型实验或数值计算。混凝土的徐变,使温度应力有相当大的松弛,计算温度应力时,必须考虑徐变的影响,具体计算这里不再细述。
3温度的控制
3.1减轻温度应力
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:
1)改善骨料级配,采用干硬性混凝土、添加掺配材料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量。2)拌和混凝土时用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度。3)热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热。4)在混凝土中埋设水管,通入冷水降温。5)规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度变化。6)施工中长期暴露的混凝土浇筑体表面或薄壁结构,在寒冷季节采用保温措施。
3.2改善约束条件的措施
1)合理地分缝分块。2)避免基础过大起伏。3)合理地安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露。
在混凝土的施工中,为了提高模板的周转率,往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起混凝土表面的早期裂缝。在混凝土浇筑初期,由于水化热的散发,表面引起相当大的拉应力。此时,表面温度亦较气温为高,此时拆除模板,表面温度骤降,必然引起温度梯度,再加上混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值,就有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料,如塑料薄膜,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。
加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小,因为大体积混凝土的含筋率低,在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下,钢的各项性能是稳定的,而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与混凝土线胀系数相差很小,在温度变化时两者间只发生很小的内应力,由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7～15倍,当内混凝土应力达到抗拉强度而开裂时,钢筋的应力将不超过100～200kg/cm2。因此,在混凝土中想利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难,如果钢筋的直径细而间距密时,对提高混凝土抗裂性的效果较好。
4结束语
温度变化引起桥梁混凝土内外温差,产生温度应力,当其大于混凝土的抗拉强度时,将产生温度裂缝。通过本文的分析,希望引起工程技术人员对桥梁的设计与施工过程产生裂缝的足够重视,规范设计与施工,采取相应的裂缝控制措施,减少和避免温度裂缝的产生,延长桥梁的使用寿命。
参考文献
[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].中国建筑工业出版社,1997.
[2]丁大钧.现代混凝土结构学[M].中国建筑工业出版社,2001.
[3]冯乃谦,顾晴霞,郝挺宇.混凝土结构的裂缝与对策[M].机械工业出版社,2006,6.
[4]朱汉华,陈孟冲,袁迎捷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析与防治[M].人民交通出版社,2006.3.
关键词混凝土裂缝;施工温度;控制
中图分类号TU755.7文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)061-0046-01
近年来,我国基础设施建设得到迅猛发展,各地兴建了大量的混凝土建筑,特别是随着贵州交通基础设施的大规模建设,混凝土得到大量运用。贵州由于属于多山环境,交通基础设施建设中涉及到大量桥梁土的施工。在交通基础设施的建设实践中,混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”,特别是大体积混凝土裂缝,更是关系着工程的质量与进度,严重困扰着工程管理人员。因此,必须十分重视混凝土结构的裂缝问题,正确分析混凝土裂缝的产生机理,区分混凝土裂缝的性质及认识混凝土裂缝的危害程度;以便找到适合的防治措施。
1温度变化引起混凝土裂缝的原因
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。在某些大跨径桥梁中,温度应力可以达到甚至超出活载应力。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:
1.1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。我国年温差一般以一月和七月月的平均温度作为变化幅度。考虑到混凝土的蠕变特性,年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。
1.2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。日照和下述骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。
1.3水化热
一般出现在施工过程中以及养护阶段。大体积混凝土在浇筑和初期养护阶段,由于水泥水化过程中会产生大量热量,致使内部温度很高。所以要采取措施控制内外温差不超过25℃,但往往由于管理不善,保溫措施不力,导致内外温差太大,致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况,尽量选择水化热低的水泥品种,限制水泥单位用量,降低骨料入模温度,减小内外温差,并缓慢降温,必要时可采用循环冷却系统进行内部散热,或采用薄层连续浇筑以加快散热。
1.4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际资料进行,混凝土弹性模量不考虑折减。
2温度应力
2.1温度应力的形成过程的三个阶段
早期。自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,这个阶段有两个特征,一是水泥放出大量的水化热;二是混凝土弹性模量的急剧变化,这一时期在混凝土内形成残余应力。
中期。自水泥放热基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止,这个时期,温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起,这些应力与早期应力相叠加,在此期间混凝土的弹性模量变化不大。
晚期。混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相叠加。
2.2温度应力引起的原因
自生应力:边界上没有任何约束或完全静止的结构,如果内部温度是非线性分布的,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如,桥梁墩身,结构尺寸相对较大,混凝土冷却时表面温度低,内部温度高,在表面出现拉应力,在中间出现压应力。
约束应力:结构的全部或部分边界受到外界的约束,不能自由变形而引起的应力,如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。这两种温度应力往往和混凝土干缩所引起的应力共同作用。根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小,是一项比较复杂的工作。在大多数情况下,需要依靠模型实验或数值计算。混凝土的徐变,使温度应力有相当大的松弛,计算温度应力时,必须考虑徐变的影响,具体计算这里不再细述。
3温度的控制
3.1减轻温度应力
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:
1)改善骨料级配,采用干硬性混凝土、添加掺配材料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量。2)拌和混凝土时用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度。3)热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热。4)在混凝土中埋设水管,通入冷水降温。5)规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度变化。6)施工中长期暴露的混凝土浇筑体表面或薄壁结构,在寒冷季节采用保温措施。
3.2改善约束条件的措施
1)合理地分缝分块。2)避免基础过大起伏。3)合理地安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露。
在混凝土的施工中,为了提高模板的周转率,往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起混凝土表面的早期裂缝。在混凝土浇筑初期,由于水化热的散发,表面引起相当大的拉应力。此时,表面温度亦较气温为高,此时拆除模板,表面温度骤降,必然引起温度梯度,再加上混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值,就有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料,如塑料薄膜,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。
加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小,因为大体积混凝土的含筋率低,在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下,钢的各项性能是稳定的,而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与混凝土线胀系数相差很小,在温度变化时两者间只发生很小的内应力,由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7～15倍,当内混凝土应力达到抗拉强度而开裂时,钢筋的应力将不超过100～200kg/cm2。因此,在混凝土中想利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难,如果钢筋的直径细而间距密时,对提高混凝土抗裂性的效果较好。
4结束语
温度变化引起桥梁混凝土内外温差,产生温度应力,当其大于混凝土的抗拉强度时,将产生温度裂缝。通过本文的分析,希望引起工程技术人员对桥梁的设计与施工过程产生裂缝的足够重视,规范设计与施工,采取相应的裂缝控制措施,减少和避免温度裂缝的产生,延长桥梁的使用寿命。
参考文献
[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].中国建筑工业出版社,1997.
[2]丁大钧.现代混凝土结构学[M].中国建筑工业出版社,2001.
[3]冯乃谦,顾晴霞,郝挺宇.混凝土结构的裂缝与对策[M].机械工业出版社,2006,6.
[4]朱汉华,陈孟冲,袁迎捷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析与防治[M].人民交通出版社,2006.3.