預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的裂縫成因及其對策

預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋裂縫成因及其對策預(yù)應(yīng)力梁橋〔包括簡支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)〕目前是我國修建最多橋梁。在這些橋梁修建過程中與運營過程中，有時會發(fā)現(xiàn)梁體不同部位出現(xiàn)龜裂、橫向、縱向與斜向裂縫。裂縫一但出現(xiàn)，輕那么影響構(gòu)造耐久性、重那么直接影響構(gòu)造承載能力，甚至危及構(gòu)造平安，值得予以重視，并應(yīng)弄清裂縫產(chǎn)生原因，首先采取措施預(yù)防裂縫發(fā)生，一旦裂縫發(fā)生，那么必須采取適當(dāng)措施，予以及時觀察監(jiān)測與處理，以保證橋梁平安與耐久性能。］一、預(yù)應(yīng)力梁橋裂縫種類及其原因1、預(yù)應(yīng)力簡支梁橋裂縫種類及其原因〔1〕龜裂預(yù)應(yīng)力簡支梁橋在預(yù)制時容易產(chǎn)生龜裂，其原因除了由于混凝土配比不適宜，個別混凝土澆筑不均勻外，在養(yǎng)護(hù)過程中灑水不及時，覆蓋不嚴(yán)，采用蒸養(yǎng)時過快升、降溫等均可能產(chǎn)生梁體外表龜裂?！?〕縱向裂縫縱向裂縫多發(fā)生在運營期間，其原因除了張拉力過大〔設(shè)計不合理或施工超張拉〕夕卜，也與混凝土質(zhì)量有關(guān)，如有一些鐵路運營線上預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，在運營10多年或20多年后出現(xiàn)沿縱向力筋裂縫，后通過調(diào)查確定為堿骨料反響導(dǎo)致混凝土承載力下降造成。由于這種裂縫處于主要受力鋼束部位，極易引起縱向鋼束銹蝕，對構(gòu)造影響非常大?！?〕橫向裂縫橫向裂縫多發(fā)生在運期間，超載、各種原因是預(yù)應(yīng)力損失超過設(shè)計預(yù)想，都可能導(dǎo)致裂縫發(fā)生。此外，由于徐變上拱發(fā)生與開展，在梁上翼緣也會產(chǎn)生橫向裂縫，特別對活荷載比重較大鐵路橋梁更是如此，而且隨徐變開展，裂縫也會開展，而當(dāng)橋上荷載較大時，這種裂縫又會暫時閉合。〔4〕主拉應(yīng)力方向斜裂縫這種裂縫一般發(fā)生在運營期間，且多在跨度四分之一附近區(qū)域腹板上，可以認(rèn)為根本上是由于主拉應(yīng)力方向抗裂平安儲藏缺乏而造成。2、預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)橋裂縫種類及其原因〔1〕外表龜裂與預(yù)應(yīng)力簡支梁類似，這種裂縫一般是由于連續(xù)梁與連續(xù)剛構(gòu)在施工過程中養(yǎng)護(hù)不及時或溫度變化較大時產(chǎn)生。由于這類橋在國內(nèi)大局部是采用懸臂灌注或支架法施工，高空養(yǎng)護(hù)條件比地面更差，極易因養(yǎng)護(hù)澆水不及時而造成混凝土外表干縮快，內(nèi)部干縮慢，使外部混凝土受拉超過混凝土抗拉強度，產(chǎn)生開裂。此外，由于新澆筑混凝土暴露在高空大氣中，周圍環(huán)境溫度過快變化，如施工過程中保溫措施不力、水泥結(jié)硬過程產(chǎn)生水化熱時發(fā)生驟然降溫等，均有可能產(chǎn)生外表龜裂?！?〕在跨度l/4附近出現(xiàn)斜裂縫這種裂縫一般是由于剪應(yīng)力過大，主拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度而造成，有時也與構(gòu)造鋼筋布置有關(guān)。當(dāng)荷載增大時，裂縫會逐漸第2頁向受拉區(qū)開展。在開裂嚴(yán)重情況下，縫隙可能沿腹板貫穿。〔3〕梁底沿縱向預(yù)應(yīng)力貫穿裂縫這種裂縫一般是由于預(yù)應(yīng)力或截面尺寸設(shè)計不合理，導(dǎo)致壓力過大造成，有時與施工質(zhì)量也有一定關(guān)系，有橋梁在施工過程中就發(fā)生了底板長距離貫穿開裂現(xiàn)象?！?〕支撐處頂板或跨中底板橫向裂縫這種裂縫一般是預(yù)應(yīng)力設(shè)計不合理，梁在收縮徐變與鋼束松弛影響下，彎矩最大截面混凝土受拉區(qū)出現(xiàn)超過混凝土抗拉強度應(yīng)力，導(dǎo)致開裂。對于邊、中跨比擬大連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)，在邊跨端部區(qū)域容易引起開裂，早期用頂推法施工預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁，由于設(shè)計配筋不合理，梁在頂推施工中構(gòu)造受力與運營狀態(tài)構(gòu)造受力相反時，也容易出現(xiàn)橫向裂縫，有橋在頂推過程中甚至出現(xiàn)貫穿截面裂縫，但這種裂縫在頂推就位后一般在反向受力下即可閉合?！?〕梁全截面破壞性崩裂曾經(jīng)有一座利用滑移支架法逐段施工預(yù)應(yīng)力梁，在某階段張拉只將要完畢時，錨下崩裂破壞，同時產(chǎn)生巨大沖擊能，致使箱梁全截面開裂并發(fā)生錯動。將近10m長梁體報廢。經(jīng)事后詳細(xì)受力分析，找出事故原因是設(shè)計在箱梁底板布束過密，底板高度較小，錨下局部應(yīng)力過大導(dǎo)致了混凝土壓潰。二、預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋裂縫預(yù)防與處置對策1、龜裂預(yù)防與處置對策〔1〕對于收縮裂縫應(yīng)注意合理配置適當(dāng)構(gòu)造鋼筋，盡可能降低水灰比，并在混凝土澆筑后及時覆蓋澆水養(yǎng)護(hù)，在枯燥環(huán)境下更應(yīng)注意加強養(yǎng)生。〔2〕對于因溫度變化過大造成裂縫，首先應(yīng)選擇低水化熱水泥，合理配置構(gòu)造鋼筋；其次是對采用蒸汽養(yǎng)生梁，應(yīng)嚴(yán)格控制開場升溫與完畢時降溫時間，按規(guī)定使梁體混凝土緩緩升、降溫；在寒冷地區(qū)澆筑梁體混凝土?xí)r，要采用切實可行保溫、隔熱措施等。有時，新舊混凝土接縫處，沿接縫面中部垂直方向，由于新混凝土結(jié)硬水化熱與已經(jīng)結(jié)硬、冷卻舊混凝土之間存在溫差；同時由于舊混凝土齡期較長，收縮大局部完成，而新澆混凝土結(jié)硬時收縮受阻等原因也會引起混凝土開裂，這種情況應(yīng)該盡量防止，假設(shè)必須如此，那么應(yīng)采取增加構(gòu)造布筋與其他適當(dāng)減小溫差措施。由于龜裂一般深入混凝土深度不大，裂縫寬度一般也較小，除對構(gòu)造耐久性與美觀可能有影響外，不會對構(gòu)造當(dāng)前受力造成影響，故可用外部涂刷或其他封閉法處理，以免減小鋼筋保護(hù)層厚度，是鋼筋容易遭受腐蝕。2、梁底縱向裂縫如前所述，梁底縱向裂縫一般來說是受力裂縫，所以，首先在設(shè)計時應(yīng)合理擬定截面，確定適宜預(yù)應(yīng)力度，對于較長跨度及橋面較寬情況，應(yīng)盡量設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力，此外，對錨下局部應(yīng)力應(yīng)給予足夠重視，對超常規(guī)設(shè)計必要時應(yīng)配合做錨下局部應(yīng)力試驗，以免混凝土受力過大。此外，對易發(fā)生堿骨料地區(qū)，應(yīng)重視骨料選用以及施工用水化驗，防止堿骨料反響發(fā)生。對于因截面或預(yù)應(yīng)力設(shè)計不合理導(dǎo)致裂縫，應(yīng)找出應(yīng)力超過幅度，進(jìn)展分析，假設(shè)應(yīng)力超出不多，可用改性環(huán)氧混凝土將裂縫澆搗封閉，否那么，應(yīng)采用加固截面或加體外預(yù)應(yīng)力等措施處理。假設(shè)開裂非常嚴(yán)重，必要時應(yīng)廢掉重做。3、梁頂?shù)酌鏅M向裂縫對于鐵路簡支梁在運營期間因徐變產(chǎn)生橫向裂縫，一般因權(quán)衡活載上橋后下翼緣受力與徐變根本完畢后上翼緣在恒載單獨作用下受力情況，以及梁豎向剛度要求，在可能情況下減小預(yù)應(yīng)力度。對于一般連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋，在設(shè)計必要時應(yīng)做徐變試驗，或預(yù)留張拉孔道，以便日后出現(xiàn)開裂時對梁受力進(jìn)展調(diào)整，使裂縫閉合。對于在頂推法施工過程中開裂、頂推完畢后閉合裂縫，仍應(yīng)采用環(huán)氧樹脂予以封閉，以免在日后運營過程中因水汽或有害氣體進(jìn)入，腐蝕鋼筋與高強鋼束，影響構(gòu)造平安及耐久性。對于在運營中發(fā)現(xiàn)橫向裂縫，一般應(yīng)采用改性環(huán)氧樹脂封閉，或在梁頂、底面用碳纖維布粘貼加固方法處理。4、主拉應(yīng)力方向斜裂縫在近年來，一些運營中預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)出現(xiàn)了主拉應(yīng)力方向斜裂縫，應(yīng)該引起注意。一般來說，由于連續(xù)混凝土構(gòu)造存在次內(nèi)力再分配問題，施工過程中影響因素又非常之多，在裂縫出現(xiàn)后要準(zhǔn)確找出原因很困難，所以，在設(shè)計時首先應(yīng)該合理地確定中、邊跨比，注重跨度1/4剪應(yīng)力與主拉應(yīng)力檢算，適當(dāng)增加箍筋配置，對連續(xù)構(gòu)造豎向預(yù)應(yīng)力筋永存預(yù)應(yīng)力核算，應(yīng)充分考慮施工控制精度與工藝水平以及各項預(yù)應(yīng)力損失，做到客觀合理。5、梁全截面破壞性崩裂如前所述，梁全截面破壞性崩裂是一種災(zāi)難性事故，在造成工程構(gòu)造與設(shè)備損失同時，有時還會造成人員傷亡，應(yīng)全力防止。除在設(shè)計時詳細(xì)核算截面整體受力外，還應(yīng)對錨下局部應(yīng)力檢算予以重視，此外，施工中要從機具校驗與操作工藝上嚴(yán)格把關(guān)，保證不超張拉。三、結(jié)語l、按照以往橋梁標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，預(yù)應(yīng)力梁體混凝土縱向裂縫寬度不應(yīng)超過0.2mm，在梁體豎向裂縫那么不允許出現(xiàn)。新修訂公路橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)那么對于一般環(huán)境下預(yù)應(yīng)力梁體，規(guī)定其裂縫限值為0.1mm。而實際梁體一旦開裂，多數(shù)情況下裂縫寬度往往就已超過這些限值。所以，即使目前裂縫對結(jié)果受力不會造成影響，單從保證構(gòu)造耐久性來講，也必須對其進(jìn)展處理。特別是對處于潮濕多雨與空氣中有害氣體含量較高地區(qū)橋梁，以及冬季必須在橋上撤除冰鹽消冰地區(qū)橋梁，更是如此。對于因橋上超載引起裂縫，一般應(yīng)詳細(xì)分析超載情況，并根據(jù)未來荷載開展可能，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會影響等因素，決定是加固或?qū)α芽p進(jìn)展一般處理，或者廢棄重修新構(gòu)造。2、如上所述，預(yù)應(yīng)力橋梁開裂是一個復(fù)雜問題，牽涉設(shè)計、施工、氣候、運營期荷載及其運營養(yǎng)護(hù)等方面，所以，要從根本上減少以至根本消除梁體開裂現(xiàn)象，需要各個方面共同努力與配合，缺一不可。3、近年來，有些設(shè)計與咨詢部門在對構(gòu)造設(shè)計進(jìn)展優(yōu)化時，往往僅從理論出發(fā)，對一些構(gòu)造截面尺寸與布筋進(jìn)展了不適當(dāng)消減，而沒有綜合考慮施工誤差與工藝水平以及運營與養(yǎng)護(hù)實際情況,導(dǎo)致構(gòu)造實際平安度與耐久性降低，在一些其他因素綜合影響下，極有可能導(dǎo)致混凝土開裂甚或造成事故，結(jié)果有橋梁出事后處理費用非常之大，而且耽誤了工期，有那么對構(gòu)造耐久性造成了隱患，這種情況應(yīng)該引起重視。由于與國外興旺國家相比，我國工程構(gòu)造平安度相對較低，所以，一般不應(yīng)過分強調(diào)優(yōu)化設(shè)計節(jié)省工程量，而應(yīng)從構(gòu)造平安及耐久性方面多予以考慮。4、凝土構(gòu)造質(zhì)量同所用骨料、砂質(zhì)量及水泥品種有直接關(guān)系。因此，嚴(yán)把原材料關(guān)，是保證混凝土質(zhì)量關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，近年來在一些地區(qū)發(fā)生了較為嚴(yán)重堿骨料反響現(xiàn)象，其中有是運營10多年或更長時段梁，只是梁承載力大幅度下降，從而不得不換梁，這種現(xiàn)象必須引起重視，其對策是檢驗骨料，并剔除容易發(fā)生化學(xué)反映局部；限制水泥中堿分；添加火山灰類物質(zhì)活性堿〔如粉煤灰或硅灰〕；細(xì)骨料級配應(yīng)盡量偏于粒徑粗大方面。堿骨料反響堿骨料反響是指混凝土中堿性物質(zhì)與骨料中活性成分發(fā)生化學(xué)反響,引起混凝土內(nèi)部自膨脹應(yīng)力而開裂現(xiàn)象.堿骨料反響給混凝土工程帶來危害是相當(dāng)嚴(yán)重.因堿骨料反響時間較為緩慢，短那么幾年，長那么幾十年才能被發(fā)現(xiàn).發(fā)生堿骨料反響需要具有三個條件:首先是混凝土原材料水泥、混合材、外加劑與水中含堿量高;第二是骨料中有相當(dāng)數(shù)量活性成分;第三是潮濕環(huán)境，有充分水分或濕空氣供給。堿骨料反響預(yù)防方法:堿骨料反響條件是在混凝土配制時形成，即配制混凝土中只有足夠堿與反響性骨料，在混凝土澆筑后就會逐漸反響，在反響產(chǎn)物數(shù)量吸水膨脹與內(nèi)應(yīng)力足以使混凝土開裂時候，工程便開場出現(xiàn)裂縫。這種裂縫與對工程損害隨著堿骨料反響開展而開展，嚴(yán)重時會使工程崩潰。有人試圖用阻擋水分來源方法控制堿骨料反響開展，例如筆者見過日本從大孤到神戶高速公路松原段陸地立交橋，橋墩與梁發(fā)生大面積堿骨料反響開裂，日本曾采取將所有裂縫注入環(huán)氧樹脂，注射后又將整個梁、橋墩外表全用環(huán)氧樹脂涂層封閉，企圖通過阻止水分與濕空氣進(jìn)入方法控制堿骨料反響進(jìn)展，結(jié)果僅僅經(jīng)過一年，又多處開裂。因此世界各國都是在配制混凝土?xí)r采取措施,使混凝土工程不具備堿骨料反響條件。主要有以下幾種措施。1、控制水泥含堿量自1941年美國提出水泥含量低于0.6%氧氣化鈉當(dāng)量〔即Na2O+0.658K2O〕為預(yù)防發(fā)生堿骨料反響平安界限以來，雖然對有些地區(qū)骨料在水泥含量低于0.4%時仍可發(fā)生堿骨第8頁料反響對工程損害，但在一般情況下，水泥含量低于0.6%作為預(yù)防堿骨料反響平安界限已為世界多數(shù)國家所承受，已有二十多個國家將此平安界限列入國家標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)。許多國家如新西蘭、英國、日本等國內(nèi)大局部水泥廠均生產(chǎn)含堿量低于0.6%水泥。加拿大鐵路局那么規(guī)定，不訟是否使用活性骨料，鐵路工程混凝土一律使用含堿量低于0.6%低堿水泥。2、控制混凝土中含堿量由于混凝土中堿來源不僅是從水泥，而且從混合材、外加劑、水，甚至有時從骨料〔例如海砂〕中來，因此控制混凝土各種原材料總堿量比單純控制水泥含堿量更重要。對此，南非曾規(guī)定每m3混凝土中總堿量不得超過2.1kg，英國提出以每m3混凝土全部原材料總堿量〔Na2O當(dāng)量〕不超過3kg，已為許多國家所承受。3、對骨料選擇使用如果混凝土含堿量低于3kg/m3，可以不做骨料活性檢驗，如果水泥含堿量高或混凝土總堿量高于3kg/m3,那么應(yīng)對骨料進(jìn)展活性檢測，如經(jīng)檢測為活性骨料，那么不能使用，或經(jīng)與非活性骨料按一定比例混合后，經(jīng)試驗對工程無損害時，方可按試驗規(guī)定比例混合使用。4、摻混合材摻某些活性混合材可緩解、抑制混凝土堿骨料反響。根據(jù)各國試驗資料，摻S——10%硅灰可以有效抑制堿骨料反響，據(jù)悉冰島自1979年以來，一直在生產(chǎn)水泥時摻5—7.5%硅灰，以預(yù)防堿骨料反響對工程損害。另外摻粉煤灰也很有效，粉煤灰含堿量不第9頁同，經(jīng)試驗，即使含堿量高粉煤灰，如果取代30%水泥，也可有效地掏堿骨料反響。另外常用抑制性混合材還有高爐礦渣，但摻量必須大于50%才能有效地抑制堿骨料反響對工程損害，現(xiàn)大美、英、德諸國對高爐礦渣推薦摻量均為50%以上。5、隔絕水與濕空氣來源如果在擔(dān)憂混凝土工程發(fā)生堿骨料反響部位能有效地隔絕水與空氣來源，也可以取得緩與堿骨料反響對工程損害效果。1裂縫形成原因荷載引起裂縫設(shè)計階段，由于考慮不充分，計算簡化模式與實際受力狀態(tài)不相符；構(gòu)造平安系數(shù)采用不當(dāng)；構(gòu)造剛度不夠或鋼筋設(shè)置有誤。施工階段，沒有按照設(shè)計圖紙施工，隨意變更構(gòu)造施工順序；未對橋梁構(gòu)造做施工時強度驗算。使用階段，超設(shè)計荷載重型車輛通過，外力及自然災(zāi)害影響。溫度變化引起裂縫混凝土亦具有熱脹冷縮特性，內(nèi)外界發(fā)生溫度變化時混凝土?xí)冃?，?dāng)外界約束產(chǎn)生應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時即會產(chǎn)生裂縫。由于四季溫度變化使橋梁在縱橋向產(chǎn)生位移，當(dāng)位移受限時即會產(chǎn)生裂縫。當(dāng)外界條件發(fā)生急劇變化時，構(gòu)造物外表溫度發(fā)生快速改變,而內(nèi)部變化較慢，由于內(nèi)外溫差較大而產(chǎn)生裂縫。冬季施工時溫度變化，內(nèi)外溫度變化不均引起構(gòu)造產(chǎn)生裂縫。根底變形引起裂縫地基凍脹。由于根底位于凍脹土層內(nèi)，冬季含水率較高土冰凍膨脹，溫度升高時凍土融化，地基出現(xiàn)沉降。北方地區(qū)此類情況比擬嚴(yán)重。地質(zhì)資料不準(zhǔn)確或天然擴大根底作用在差異很大土層內(nèi)，由于地基土不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫。道路二期工程擴建時，在原橋梁較近處重新修建新橋,新建橋梁根底處理時引起地基土重新固結(jié)而使原有橋梁根底產(chǎn)生較大沉降使構(gòu)造產(chǎn)生裂縫。地質(zhì)勘查及試驗資料不準(zhǔn)確，在這種情況下進(jìn)展設(shè)計、施工已不符合真實地質(zhì)狀況，從而引起根底不均勻沉降使構(gòu)造產(chǎn)生縫。鋼筋銹蝕引起裂縫由于混凝土質(zhì)量不好或混凝土保護(hù)層過薄，二氧化碳作用使鋼筋周圍混凝土堿性降低引起鋼筋外表氧化保護(hù)膜被破壞，氧氣、水、鋼筋中鐵離子發(fā)生銹蝕反響,使混凝土保護(hù)層開裂、剝落，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫。因為鋼筋銹蝕使鋼筋有效面積減少，鋼筋與混凝土握裹力減弱，使構(gòu)造承載力下降，將引起更多裂縫，鋼筋銹蝕加聚，從而導(dǎo)致構(gòu)造破壞。凍脹引起裂縫吸水到達(dá)飽與狀態(tài)混凝土，當(dāng)外界大氣溫度很低低于0°C時，混凝土內(nèi)呈游離狀態(tài)水凍結(jié)為冰，由于水變?yōu)楸鶗r體積會膨脹，混凝土?xí)a(chǎn)生應(yīng)力使混凝土強度降低，而出現(xiàn)裂縫。特別是當(dāng)混凝土中含雜質(zhì)過多，空隙較大時更容易產(chǎn)生裂縫。施工質(zhì)量引起裂縫鋼筋混凝土構(gòu)造在澆注、運輸過程中，由于未嚴(yán)格按照操作規(guī)程，造成施工質(zhì)量低劣會產(chǎn)生各種型式裂縫。混凝土攪拌及運輸時間長，混凝土中水分蒸發(fā)過多，使混凝土塌落度降低，使混凝土外表出現(xiàn)裂縫?；炷练侄螡沧r，由于混凝土相接部位沒有處理好，新舊混凝土之間或施工縫處就會產(chǎn)生裂縫。由于新技術(shù)不斷開發(fā)應(yīng)用,混凝土施工時更多采用泵送混凝土，此時為保證混凝土運送，水及水泥用量增加了，從而引起混凝土凝固時收縮量增大而產(chǎn)生裂縫。使用不當(dāng)引起裂縫在使用上最主要是由汽車超載造成，汽車超載主要有以下幾種情況：(1)早期建立橋梁已超過了設(shè)計年限或原來設(shè)計荷載較低,隨著設(shè)計荷載與交通量不斷增加相對于原設(shè)計超栽。(2)車輛違規(guī)超載，即車輛使用者違法超載運營。超載可使橋梁疲勞幅度加大，造成橋梁內(nèi)部損傷，改變了橋梁原