淺析鋼筋混凝土橋梁裂縫的成因與預(yù)防

淺析鋼筋混凝土橋梁裂縫的成因與預(yù)防

摘要:本文對鋼筋混凝土橋梁裂縫的類型和產(chǎn)生原因做了較全面的分析總結(jié)，以便在設(shè)計(jì)和施工時(shí)有效控制裂縫的產(chǎn)生，達(dá)到防患于未然的目的。
　　
關(guān)鍵詞:裂縫種類；成因；分析；預(yù)防
　　
　　混凝土是脆性材料，而鋼筋卻是韌性材料，它們兩者在一起工作，彈性模量相差很大，而且兩者的強(qiáng)度差別就更大，因此兩種材料在一起共同發(fā)揮作用，要使鋼筋參加工作，比較多的承受力，混凝土勢必開裂。大量的工程和理論分析表明鋼筋混凝土構(gòu)件基本上都是帶裂縫工作的。裂縫一般分成不可見裂縫和可見裂縫�？梢娏芽p又分為無害裂縫和有害裂縫。有害裂縫在使用荷載或外界物理及化學(xué)作用下不斷產(chǎn)生和發(fā)展，引起混凝土碳化，保護(hù)層剝落及鋼筋銹蝕，直至影響結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命，必須加以控制。
　　
　　一、混凝土橋梁設(shè)計(jì)原理
　　
　　我國現(xiàn)行的公路橋涵規(guī)范規(guī)定:橋梁應(yīng)根據(jù)所在公路的使用任務(wù)、性質(zhì)和將來的發(fā)展需要，按照適用、經(jīng)濟(jì)、安全和美觀的原則進(jìn)行設(shè)計(jì),這些要求基本上包含了人們關(guān)心的所有重要問題�；炷�土橋梁具體的設(shè)計(jì)過程是按承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)來進(jìn)行的。按承載能力極限狀態(tài)是控制結(jié)構(gòu)在喪失服務(wù)能力臨界狀態(tài)時(shí)的承載能力，其設(shè)計(jì)的基本原則是要求荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計(jì)值要小于結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計(jì)值。同時(shí)利用荷載安全系數(shù)、材料安全系數(shù)及工作條件系數(shù)來考慮不確定因素作用下的結(jié)構(gòu)總體的安全儲備，是一種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。按正常使用極限狀態(tài)是控制結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)時(shí)應(yīng)力，裂縫和變形小于一個(gè)限定值，即使用容許裂縫寬度來控制混凝土構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有關(guān)規(guī)范規(guī)定：在一般正常大氣條件下，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在荷載組合Ⅰ的作用下，計(jì)算得到的最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.2mm；在荷載組合Ⅱ和Ⅲ作用下，不應(yīng)超過0.25mm；處于嚴(yán)重暴露情況（有侵蝕性氣體或海洋大氣）下的鋼筋混凝土構(gòu)件，容許裂縫寬度不應(yīng)超過0.1mm。
　　混凝土構(gòu)件容許裂縫的存在，是由混凝土抗拉能力差，容易開裂的缺點(diǎn)決定的。通過對大量的工程實(shí)例的研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的混凝土構(gòu)件都是帶裂縫工作的，只是有些裂縫很細(xì)，一般對結(jié)構(gòu)和使用無大的影響，可允許其存在；有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學(xué)因素的作用下，不斷產(chǎn)生和擴(kuò)展，引起混凝土明顯的病害，如保護(hù)層剝落、鋼筋腐蝕，從而導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度和剛度受到削弱，耐久性降低，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生垮塌事故，危害結(jié)構(gòu)的正常使用。
　　
　　二、混凝土橋梁裂縫的成因分析及預(yù)防措施
　　
　　隨著橋梁使用年齡的增加，車輛的超載現(xiàn)象不斷增加，會使細(xì)微裂縫不斷的擴(kuò)大，甚至?xí)�斷裂，此時(shí)困擾橋梁工程師的最大問題是對裂縫的形成原因以及對鋼筋的腐蝕作用的進(jìn)一步深入認(rèn)識，并且作出全面分析，以避免和克服因?yàn)榱芽p引起的對橋梁使用性能的影響。經(jīng)過對現(xiàn)在此方面的研究成果和工程實(shí)例的分析，混凝土橋梁的裂縫形成原因可大致梳理為以下幾個(gè)方面：
　　（一）混凝土用料選用不當(dāng)引起的裂縫
　　1、水泥品種、標(biāo)號及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高；普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。此外，水泥標(biāo)號越低、單位體積用量越大、磨細(xì)度越大，則混凝土收縮越大，并且發(fā)生收縮時(shí)間越長。例如，為了提高混凝土的強(qiáng)度，施工時(shí)經(jīng)常采用強(qiáng)行增加水泥用量的做法，結(jié)果收縮應(yīng)力明顯加大。
　　2、骨料品種。骨料中石英、石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、長石等吸水率較小、收縮性較低；而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大、收縮性較高。此外，骨料粒徑大收縮小，含水量大收縮越大。
　　3、水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收縮越大。
　　4、外摻劑。外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。
　�。ǘ�）設(shè)計(jì)和施工不合理產(chǎn)生的裂縫
　　此類裂縫是我們在工程實(shí)例中發(fā)現(xiàn)最多的裂縫形式，許多橋梁設(shè)計(jì)人員往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護(hù)、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計(jì)、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的安全性。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足，冗余性��；有的計(jì)算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強(qiáng)度等級過低、保護(hù)層厚度過小、鋼筋直徑過細(xì)、構(gòu)件截面過薄。這些都削弱了結(jié)構(gòu)安全性，會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用。不少橋梁，雖然滿足了橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)度要求，僅用了5～10年就因?yàn)槌隽藛栴}影響結(jié)構(gòu)安全。例如我們發(fā)現(xiàn)在混凝土橋梁豎向有截面突變的地方（箱梁、T梁的腹板與頂?shù)装褰唤犹帲┖苋菀桩a(chǎn)生裂縫，研究分析結(jié)果顯示：混凝土在澆筑后發(fā)生水化反應(yīng)、泌水和大量水分蒸發(fā)，混凝土因失水而收縮，而骨料因重力影響向下沉降，但此時(shí)混凝土的強(qiáng)度和硬度都不高，骨料下沉?xí)r受到鋼筋的阻擋，便產(chǎn)生了沿鋼筋方向的裂縫。為避免此類裂縫的產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)階段要盡量避免截面突變的存在，不能避免時(shí)要做特殊的處理，可將突變截面做成漸變截面，同時(shí)適量的增加鋼筋數(shù)量；在施工時(shí)要注意振搗，最好是在變截面處分層澆筑。
　�。ㄈ�）自然環(huán)境的影響產(chǎn)生的裂縫
　　自然環(huán)境的影響主要是溫差引起了混凝土的溫度梯度呈非線性分布，而混凝土構(gòu)件的位移又受到約束，導(dǎo)致局部應(yīng)力過大，從而出現(xiàn)了裂縫。一般失火、太陽曝曬、驟然降溫以及冬季施工均可能導(dǎo)致此類裂縫的發(fā)生。預(yù)防措施是在設(shè)計(jì)時(shí)重視溫度應(yīng)力，一些大跨徑的橋梁，溫度應(yīng)力往往是可以超過活載應(yīng)力的，另外就是杜絕冬季施工，因?yàn)榇藭r(shí)施工混凝土在初凝時(shí)受凍，成齡后混凝土強(qiáng)度損失可達(dá)30%～50%。
　�。ㄋ模┖奢d引起的裂縫
　　此類裂縫是混凝土橋梁在常規(guī)動、靜荷載及次應(yīng)力作用下產(chǎn)生的，橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動荷載，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，不但會引起結(jié)構(gòu)的振動，還會引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續(xù)的，實(shí)際上存在許多微小的缺陷，在循環(huán)荷載作用下，這些微缺陷會逐漸發(fā)展、合并形成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋不得到有效控制，極有可能會引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。早期疲勞損傷往往不易被檢測到，但其帶來的后果往往是災(zāi)難性的。
　工程實(shí)例中此類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動嚴(yán)重部位，且裂縫特征如下：
　　1、受拉。裂縫貫穿構(gòu)件橫截面，間距大體相等，且垂直于受力方向。采用螺紋鋼筋時(shí)，裂縫之間出現(xiàn)位于鋼筋附近的次裂縫。
　　2、受壓。沿構(gòu)件出現(xiàn)平行于受力方向的短而密的平行裂縫。
　　3、受彎。彎矩最大截面附近從受拉區(qū)邊沿開始出現(xiàn)與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中和軸方向發(fā)展。采用螺紋鋼筋時(shí)，裂縫間可見較短的次裂縫。當(dāng)結(jié)構(gòu)配筋較少時(shí)，裂縫少而寬，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生脆性破壞。
　　4、受剪。當(dāng)箍筋太密時(shí)發(fā)

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