桥梁裂缝研究方法论文

对混凝土桥墩开裂的原因及对策分析论文

摘要：

近年来，随着城市公路交通量的增加，公路、桥梁负荷上升、其承载力日趋饱和，考虑不少公路、桥梁采用混凝土结构，且大多为建国后所建，桥龄基本在40年左右，这些旧有桥梁很多都已出现老化、破损、裂缝等现象。大体积混凝土施工的关键问题是控制混凝土温度，防止混凝土裂缝的产生，因此，施工前要制定针对大体积混凝土施工的技术方案，即防止混凝土产生温度裂缝的预案。针对方形桥墩易于开裂的问题，本文通过对方形桥墩在设计、施工及运营期间可能出现的裂缝原因进行列述，并就施工期间水化热、运营期间的温度骤降因素建立有限元模型进行应力场分析，根据分析结果提出相应的处理对策。

关键词： 桥梁工程方形桥墩裂缝对策

引言：

根据相关病害调查，桥墩裂缝是混凝土桥梁最主要的病害形式之一：桥墩作为桥梁结构中重要的下部构件，不仅承担着上部结构及汽车等产生的竖向轴力、水平力和弯矩，有时还受到风力、土压力、流水压力以及可能发生的地震力、冰压力、船只和漂流物对墩台的撞击力等荷载的作用。桥墩墩身裂缝直接影响且损害其自身乃至整体桥梁（根据混凝土结构缺损状况评定标准，墩台部件权重约占全桥的50%）的安全性、实用性、耐久性和美观。

裂缝形成原因归结为温度裂缝，温度裂缝的走向通常无一定规律，大面积结构裂缝常纵横交错；裂缝宽度大小不一，受温度变化影响较为明显，冬季较宽，夏季较窄。高温膨胀引起的混凝土温度裂缝是通常中间粗两端细，而冷缩裂缝的粗细变化不太明显。此种裂缝的出现会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低混凝土的抗冻融、抗疲劳及抗渗能力等。

1、裂缝成因。

分析桥墩病害的主要表现形式为：混凝土剥落、露筋、砌体风化、灰缝脱落、水平裂缝、竖向裂缝、网状裂缝、水平位移、倾斜、沉降等。其中，裂缝作为混凝土结构的主要病害之一，其成因复杂繁多，裂缝划分无严格界限，每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要因素，其余因素对于裂缝起到继续发展或加剧劣化的作用。常见的墩身裂缝形式包含：桥墩中心线附近的竖向裂缝、桥墩在日照时间较长侧的裂缝、桥墩模板对拉筋孔处的裂缝、桥墩模板分块接缝处的裂缝、桥墩顶部环向裂缝以及混凝土表面细小、不规则的裂缝。究其开裂原因，拟从桥墩的设计、施工及运营使用三方面进行分析论述。

（1）桥墩设计。

桥墩在设计阶段，结构不计算或漏算、结构受力假设与实际受力不符，内力与配筋计算错误，结构的安全系数不够、设计时考虑的施工可能性与实际情况出现差异等均会使桥墩在外荷载直接作用下产生裂缝。

（2）桥墩施工。

桥墩施工过程中，水化热效应、施工工艺、材料自身等因素都会影响桥墩开裂。

①水化热。混凝土浇注过程中水泥水化放热，受混凝土自身的不良导热性和混凝土热胀冷缩性质影响，桥墩内部温度升高体积膨胀而外部温度相对较低发生收缩，内外相互作用易导致桥墩混凝土外部产生很大的温度拉应力，当混凝土抗拉强度不足以抵抗该拉应力时，会引发桥墩竖向开裂。该类裂缝仅存在于结构表面。

②施工工艺。

在桥墩浇注、起模等过程中，若施工工艺不合理、质量低劣，可能产生各种形式的'裂缝，裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度都因产生的原因而异：模板的倾斜、变形以及接缝都可能会使新浇注的混凝土产生裂缝；混凝土振捣不密实、不均匀，也会引发蜂窝、麻面等缺陷；混凝土的初期养护时的急剧干燥也会引发混凝土表面的不规则裂缝；混凝土入模温度过高、施工拆模过早也会导致墩身开裂。

（3）桥墩运营。

桥梁在运营阶段，交通量的增长、超出设计荷载的重型车辆过桥、钢筋的锈蚀等都会影响桥梁墩柱及其它构件的裂缝开展情况。当墩柱受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝，则应特别注意，往往是结构达到承载力极限的标志。此外，环境温度对桥墩等构件的开裂影响也不容忽视，引起混凝土桥墩温度变化的主要因素包括：年、月温差、日照变化、骤降温差等，尤其是入冬期间温度骤降极易造成桥墩等大体积构件开裂。

2、裂缝对策研究。

混凝土不可避免地带裂缝工作，裂缝的存在和发展也将一定程度地削弱相应部位构件的承载力，并进一步引发保护层剥落、钢筋锈蚀、混凝土碳化、持久强度低等，甚或危害桥梁的正常运行和缩短其使用寿命。因而，针对前裂缝在设计、施工及运营阶段可能出现的原因，进行控制对策的研究，列述如下。

（1）设计阶段。

在计算模型选取合理、桥墩强度、刚度、稳定性等满足规范要求的条件下，可选择尺寸较小的圆形截面桥墩，以一定程度地减缓减弱其温度应力峰值，从而降低其开裂风险。此外，在桥墩四周加防裂钢筋网，配筋除满足承载力及构造要求外，应结合水泥水化热引起的温度应力增配钢筋，以提高钢筋控制裂缝的能力。

（2）施工阶段。

①水化热。

认为，混凝土的2/3应力来自于温度变化，1/3来自干缩和湿胀。典型的波特兰水泥会在开始3天内放出约50%的水化热。可见，水化热是混凝土早期温度应力的主要来源，过快过高的水化热是早期开裂的主要原因。针对水化热效应，可采取以下措施以改善并控制开裂情况：在满足设计强度的前提下，尽可能采用圆形截面柱、尽可能采用低标号混凝土；采用低水化热的水泥或掺粉煤灰的水泥或掺缓凝剂，其对改善混凝土和易性、降低温升、减小收缩具有较好的效果，也可提高自身抗裂性。此外，对墩身内部布设冷水管以循环降温。

②入模温度。

降低混凝土的入模温度也是一项降低混凝土温度应力的重要措施。一般的，混凝土从塑形状态转变为弹性状态时，浇注温度越低开裂倾向越小。过高的入模温度会加剧了混凝土的早期温升，使得温度应力更大。

③其它。

桥墩的模板应具备足够的强度、刚度和稳定性，可承受新浇混凝土的重力、侧压力以及施工过程中可能产生的各种荷载；混凝土的振捣密实、均匀，可有效防止收缩裂缝，不可过捣，否则造成混凝土离析；拆模不应太早，混凝土终凝后对墩柱表面应及时的保湿保温养护，使水泥水化作用顺利进行，以提高混凝土的抗拉强度。主要养护方法包括：覆盖养护、浇水养护、储水养护和薄膜养护等。

（3）运营阶段。

运营阶段的抗裂措施应主要包含两方面内容：对潜在开裂隐患的控制和既有裂缝的修补控制。对于前者，若不考虑地震、撞击等偶然因素的影响，桥梁在运营期间的裂缝则主要跟环境变化相关。根据前文的温度骤降影响分析，圆形截面柱的抗裂情况较另2者略优，因而，可优先选择圆截面柱作为桥墩的设计方案。

除此，可在温度骤降前期或初期，于桥墩表面附加保温材料或涂抹防护材料以削减温度骤降带来的影响。对于后者，虽然对桥墩混凝土的原材料、配合比及工艺等方面加强预防措施，但混凝土桥墩的裂缝仍不可避免。根据《公路工程质量检验评定标准》规定，公路桥墩裂缝缝宽>，铁路桥墩裂缝缝宽>以下的局部收缩裂缝，须进行处理、修补。对于运营期间出现的裂缝，由变形变化所引起的裂缝，其无承载力危险，可采用防水型化学灌浆技术作一般表面处理。

混凝土桥墩工程中，多属于大体积混凝土工程，较易出现裂缝。只有在设计、施工、运营各阶段进行科学、合理的运作，可减轻减缓混凝土的裂缝开展。根据前文，相同体积情况下，满足强度、刚度、稳定性要求后，圆截面柱较矩形柱受施工期间水化热、运营期间温度骤降所引起的温度应力小，因而建议桥墩设计采用圆截面。

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论文关键词 ：混凝土裂缝温度变化基础变形早期养护

论文摘要 ：本文阐述了混凝土桥梁裂缝的种类，分析了混凝土桥梁裂缝的成因，提出了相应的措施，供大家参考。

1前言

随着我国基础建设的发展，各地兴建了大量的混凝土桥梁。在桥梁建造和使用过程中，由于混凝土裂缝而影响工程质量甚至造成桥梁坍塌的事例屡见不鲜。混凝±开裂可以说是“常发病”和“多发病”，严重影响了桥梁的使用性能，也经常困扰着桥梁工程技术人员。要想控制桥梁混凝土裂缝的产生，就必须了解其成因。本文就桥梁裂缝的产生原因作一分析，供参考。

2桥梁混凝土裂缝种类及其成因

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为荷载裂缝，分为直接应力裂缝、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。裂缝产生的原因有：1)设计计算阶段的结构计算不合理，受力假设与实际受力不符，安全系数不够，不考虑施工的可能性，构造处理不当等。2)施工阶段中不加限制的堆放施工机具、;随意翻身、起吊、、安装;不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序等。3)使用阶段时超出设计荷载的重型车辆过桥;受车辆、船舶的接触、撞击;发生地震、爆炸等。

次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。如桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，这些难以用准确的图式进行计算，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，并在孔洞附近聚集产生巨大的应力集中。实际工程中次应力是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属于张拉、劈裂、剪切性质。在设计上，应尽量避免结构突变(或截面突变)，当不能同时避免时，应做局部处理，如转角做成圆角或倒角，同时加强构造配筋，转角处配置斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。

温度变化引起的裂缝当外部或结构内部温度发生变化时，混凝土将发生变形，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。引起温度变化的主要因素有：1)年温差。一年中四季温度不断变化，当结构的位移受到限制时就会引起温度裂缝。年温差一般以一月和七月的月平均温度作为变化幅度。2)日照。

桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后，温度明显高于其他部位，温度分布呈非线形分布。由于受到自身约束作用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。日照和骤然降温是导致温度裂缝的最常见原因。3)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，但由于内部温度下降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枓进行，混凝土弹性模量不考虑折减。4)水化热。出现在施工过程中，大体积混凝土(厚度超过2m)浇筑后由于水泥水化放热，使混凝土内部温度升高，内外温差太大，致使表面出现裂缝。5)蒸汽养一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。

收缩引起的裂缝塑性收缩：混凝土浇筑后4h～5h左右，水泥水化反应剧烈，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，同时骨科因自重下沉，而此时混凝土尚未硬化，称为塑性收缩。在骨科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丁梁、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。

干缩：混凝土结硬以后，随着表面水分逐渐蒸发，温度逐渐降低，混凝土体积减小，称为干缩。因混凝土表面水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩快，内部收缩慢的不均匀收缩，致使混凝土表面承受拉力，产生收缩裂缝。

自生收缩：混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，这种收缩与外界温度无关，且可以是正的(即收缩，如普通硅酸盐水泥混凝土)，也可以是负的(即膨胀，如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土)。

碳化收缩：大气中的二氧化碳与水泥中的水化物发生化学反应引起的收缩变形。

地基基础变形引起的裂缝由于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，导致结构开裂，基础不均匀沉降的主要原因有：1)勘探精度不够、试验资枓不准。勘察报告不能充分反映实际地质情况是造成地基不均匀沉降的主要原因。2)结构荷载差异太大。在地质情况比较一致的.情况下，各部分基础荷载差异太大时，有可能引起不均匀沉降。3)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，或虽采用同一基础，但基底标高差异太大，也可能引起地基不均匀沉降。4)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副桥梁，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。此外，还有地基冻胀和桥梁建成以后原有地基变化也可能引起构件裂缝产生。

混凝土原质量引起的裂缝混凝土主要由水泥、砂、骨科、拌合用水及外加剂等组成，配置混凝土时所采用的材枓不合格，可能导致结构出现裂缝。水泥质量不合格、受潮或过期会造成混凝土强度不够，并导致开裂。砂石骨科粒径太小、级配不良、空隙率大，会造成水泥和用水量加大，从而影响混凝土的强度，使之收缩加大，如果使用超出规定的特细砂，后果更严重。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。拌合水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。

3裂缝的措施

要做好模板、支架及各支撑处基础和地基处理。确保其不发生沉降，移位。

型桥台要控制其填料的抗压强度，并作好台背的防水排水设施，防止填土过湿或排水不良，由于压实不足或冻胀产生裂缝。

在尽可能的情况下，桥梁墩台(尤其高墩)混凝土应一气浇灌，不设施工缝。对墩身不可避免的施工缝要按技术规范要求，凿毛该混凝土表面，用水冲洗，在混凝土浇注前，对水平缝铺一层2cm～3cm的1:2水泥砂浆，然后再继续浇筑混凝土。

在混凝土初凝前，进行二次振捣。可有效消除因塑性沉降引起的内分层，改善骨科的界面结构，提高混凝土的强度。

桥墩身的竖向裂缝预防，可从控制温度、改进设计和施工操作工艺、改善混凝土性能等方面人手，可减少水泥用量降低混凝上的入模温度，如避开高温时段施工，对原材料降温处理;降低水泥水化热的温升，如选用低水化热的水泥减少水泥用量等，掺入优质粉煤灰加快浇筑混凝土的散热，如使用钢模，分层浇筑混凝土，每层不大于30cm，并使温度分布均匀，在大体积混凝土中甚至还可预埋或利用一些管孔道通过冷水或冷风降温。

加强浇筑混凝土的表面保护。如表面需应及时用草席、草袋覆盖，并洒水或蓄水养护。夏天延长养护时间，寒冷季节争取保温措施，保护混凝土表面，特别是薄壁结构延长拆模时间，可延缓降温，使混凝土中心与表面温度差减小，以防急剧降温。

4结语

桥梁结构裂缝的成因多种多样，处理的方法也各有不同，上述诸方法是在日常工作中经过长期探索得到的，经过实践的证明行之有效。当然，有关桥梁结构裂缝的成因及防治对策是很复杂的，有待进一步研究。只有搞清楚了裂缝的机理，才能对症下，只有合理的处治措施，才能使国家有限的建设资金发挥最大的效益。