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橋梁薄壁墩臺(tái)裂縫成因與預(yù)防論文
摘要:針對(duì)薄壁墩臺(tái)施工過(guò)程中容易產(chǎn)生裂縫的問(wèn)題,分析了裂縫形成的一般規(guī)律和原因,并進(jìn)一步對(duì)薄壁墩施工過(guò)程中開裂現(xiàn)象提出有效防治措施。
關(guān)鍵詞:橋梁;薄壁墩臺(tái);裂縫;設(shè)計(jì);施工
Abstract:This paper show the cause of bridge pier crack, and analyse the rule, and bring forward the prevent measure.
Key words:bridge; pier; crack; design; construction
薄壁墩臺(tái)是近年來(lái)小跨徑的公路橋梁和高等級(jí)公路、城市道路的通道、跨線橋普遍采用的一種墩臺(tái)形式,具有省工、便捷、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)。河床不寬時(shí),為減少橋長(zhǎng)、節(jié)省造價(jià),不讓臺(tái)前錐坡壓縮河床,可采用靠河較近墩臺(tái)身直立的樁基薄壁墩臺(tái),墩臺(tái)下面設(shè)支撐梁,整個(gè)橋梁構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng),由支撐梁平衡臺(tái)后壓力。
鋼筋混凝土薄壁墩臺(tái)憑其結(jié)構(gòu)輕巧、美觀,造價(jià)低廉,施工方便等優(yōu)點(diǎn)在橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。而薄壁墩出現(xiàn)開裂的問(wèn)題也就越顯得突出。據(jù)分析,薄壁墩臺(tái)產(chǎn)生的裂縫大多并非是受外力作用產(chǎn)生的荷載裂縫,而是砼在硬化過(guò)程中,由于溫度變形、收縮變形等原因引起的變形裂縫。要解決薄壁墩臺(tái)的裂縫問(wèn)題關(guān)鍵在于預(yù)防,實(shí)踐表明,只要措施得當(dāng),有害的變形裂縫完全是可以控制和避免的。
1裂縫形成的一般規(guī)律
1.1溫度變形裂縫
混凝土在硬化過(guò)程中,拌合物中的水泥要產(chǎn)生大量的水化熱,而構(gòu)造物的表面由于受外界影響,溫度下降較快,出現(xiàn)內(nèi)外溫差產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),就出現(xiàn)溫度應(yīng)力裂縫。環(huán)境溫差的影響也會(huì)產(chǎn)生裂縫,一般在冬期施工時(shí),白天的溫度較高,而夜晚的溫度下降較快,外部的氣溫與砼內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的溫差而導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫。
1.2收縮變形裂縫
砼的收縮是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,最終收縮完成大約要20a,但是砼在硬化初期3 d～5 d的收縮最大,對(duì)砼的損害也最嚴(yán)重。收縮變形裂縫從時(shí)間上可分為塑性收縮裂縫和干燥收縮裂縫。
(1)塑性收縮裂縫。混凝土澆筑后,未硬化仍處塑性狀態(tài)時(shí)就出現(xiàn)的裂縫。砼在澆筑成形后,表面的水被蒸發(fā),而砼內(nèi)部的水分通過(guò)泌水和毛細(xì)管的作用上升到表面補(bǔ)充,砼隨著水分的蒸發(fā)而收縮。對(duì)含水量較大的砼(如泵送砼等)而言,表面水分較多,如果處在溫度高、風(fēng)速大和干燥的環(huán)境中,或者被模板及基礎(chǔ)吸收,表面的水迅速被揮發(fā)或吸干,而內(nèi)部的水分補(bǔ)充不及,造成表面體積收縮過(guò)大,而此時(shí)砼尚未有足夠的強(qiáng)度抵抗,因而產(chǎn)生塑性收縮紋。
(2)干燥收縮裂縫。砼在硬化后,一般在3 d～5 d的時(shí)間,如果養(yǎng)護(hù)不足或處于高溫干燥的環(huán)境,砼的收縮較大,而此時(shí)砼的水化熱已達(dá)到或經(jīng)過(guò)了最大值,砼的膨脹作用消失,砼開始整體地均勻收縮,受到外部約束時(shí),砼會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力,如果應(yīng)力超過(guò)砼自身的抗拉強(qiáng)度,則會(huì)產(chǎn)生干燥收縮裂縫。
2裂縫形成的原因分析
2.1構(gòu) 造
由于薄壁墩臺(tái)的結(jié)構(gòu)厚度較小,一般在60 cm～100 cm之間。厚度小,截面的抗拉能力低,大面積的表面由于溫度和收縮的作用,產(chǎn)生的收縮力很容易超過(guò)混凝土的抗拉力,因而導(dǎo)致出現(xiàn)貫通的裂縫。薄壁墩臺(tái)的底部設(shè)計(jì)一般與大體積的承臺(tái)固結(jié),承臺(tái)與墩臺(tái)之間由大量的鋼筋聯(lián)結(jié),約束的剛度極大,造成墩臺(tái)混凝土在變形時(shí)產(chǎn)生較大的應(yīng)力,這也是形成裂縫的主要原因。
2.2材 料
水泥質(zhì)量不符合要求,混凝土出現(xiàn)了離析與泛漿現(xiàn)象。骨料中含有泥土或使用了不符合要求的骨料,墩臺(tái)身較高,混凝土拌和料從上往下卸落時(shí),容易離散,并由于振搗困難,混凝土的均勻性難以得到保證,造成表面或局部位置的砂漿較多,收縮大而不均勻,引起收縮裂縫。
2.3環(huán) 境
薄壁墩臺(tái)表面積大,混凝土受外界環(huán)境的影響明顯,隨著溫度與濕度的變化,表面的水分容易蒸發(fā),表面的溫度降低較快,內(nèi)外的溫度差過(guò)大,表面收縮大,導(dǎo)致裂縫的形成。
2.4施 工
薄壁墩臺(tái)身較高,鋼筋稠密,混凝土攪拌不均或攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng),水灰比過(guò)大,混凝土搗不充分,保護(hù)層厚度不夠,硬化前受震動(dòng)或荷載作用等。由于壁薄、鋼筋密,為保證施工質(zhì)量,混凝土的施工坍落度一般較大,以便于流動(dòng),對(duì)施工地面條件較差的墩臺(tái)(如水中墩),常采用泵送混凝土,導(dǎo)致水泥、水和細(xì)集料的用量增大,增加了混凝土的收縮量。
3裂縫的預(yù)防措施
3.1設(shè)計(jì)階段
薄壁墩臺(tái)由于自身屬容易開裂的結(jié)構(gòu),預(yù)防裂縫如能在設(shè)計(jì)階予以詳細(xì)考慮,解決結(jié)構(gòu)本身的“先天不足”問(wèn)題,將大大減少在施工階段預(yù)防裂縫的難度。
(1)在滿足受力條件的情況下,單幅薄壁墩臺(tái)的橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)寬度應(yīng)盡量減小。寬度較大的薄壁墩宜在中間增設(shè)永久的變形縫,減少橫向的收縮量。
(2)適當(dāng)增加水平鋼筋的配筋率,特別在薄壁墩臺(tái)的底部位置。在同等配筋率的情況下,建議采用小直徑鋼筋小間距布置,以增大薄壁墩臺(tái)的抗裂能力。雖然配筋率的增大對(duì)防止裂縫的產(chǎn)生作用有限,但能降低裂縫的寬度和減少出現(xiàn)貫通裂縫。
(3)從預(yù)防裂縫的角度,在滿足強(qiáng)度要求的情況下,砼的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)宜低不宜高。減少施工中的水泥用量和其它外加劑的摻量,并方便施工配合比的配制。
(4)在結(jié)構(gòu)型式上考慮減少基礎(chǔ)對(duì)墩(臺(tái))身的約束度,或采用一些新型的抗拉性能好的砼。
3.2施工階段
從以上的工程實(shí)例和大量的事實(shí)表明,薄壁墩(臺(tái))出現(xiàn)裂縫主要是由于施工中對(duì)裂縫的認(rèn)識(shí)不足和對(duì)預(yù)防措施不重視所致,往往在施工配合比設(shè)計(jì)、砼的澆筑和養(yǎng)護(hù)時(shí),只注重達(dá)到砼的強(qiáng)度指標(biāo)和其他設(shè)計(jì)的具體要求,忽略了對(duì)裂縫的控制考慮。根據(jù)裂縫形成的規(guī)律,結(jié)合以上實(shí)例分析結(jié)果,施工階段預(yù)防變形裂縫的主要措施有:
(1)把裂縫控制作為一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo),精心做好砼的施工配合比設(shè)計(jì)。這是預(yù)防變形裂縫首要和根本的措施。①嚴(yán)格減少單方砼的水泥和水的用量,一般情況下水泥用量最好不超過(guò)350 kg/m3,可考慮采用摻加粉煤灰等活性材料,降低水泥用量和產(chǎn)生的水化熱,摻加收縮性小的高效減水劑減少用水量。盡量通過(guò)粗、細(xì)骨料的良好級(jí)配達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。②采用較低的水灰比、砂率和施工的坍落度,宜采用較大粒徑連續(xù)級(jí)配的粗骨料,盡量使用中粗砂。③外加劑(高效減水劑、緩凝劑等)的摻量不宜過(guò)大,更不能超過(guò)規(guī)定的合理范圍,特別對(duì)那些收縮性能指標(biāo)不明確的減水劑,更加要慎重使用。④考慮適當(dāng)摻加膨脹劑增加砼的抗收縮能力。
(2)施工方案設(shè)計(jì)時(shí),在施工場(chǎng)地條件允許的情況下,盡量采用普通砼澆筑,不宜采用泵送砼。雖然目前橋梁施工使用泵送砼已是發(fā)展趨勢(shì),但從預(yù)防變形裂縫角度看,特別對(duì)高標(biāo)號(hào)或?qū)挾容^大的薄壁墩臺(tái)的砼施工,應(yīng)盡量使用普通砼澆筑。
(3)盡量縮短墩臺(tái)身砼和承臺(tái)砼澆筑的間隔時(shí)間,兩者齡期差異不宜過(guò)大。
(4)在晝夜溫差大的天氣盡量不安排施工,在炎熱天氣要注意保持模板的濕潤(rùn)。
(5)嚴(yán)格控制砼水平澆筑,砼不能從高處直接卸落,可采用串筒或流槽等措施保證均勻進(jìn)倉(cāng),并且振搗要充分。
(6)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù),宜采用麻袋覆蓋淋水的方法養(yǎng)生,達(dá)到保溫和保濕的作用,不宜采用直接淋水養(yǎng)護(hù)。在溫差較大的天氣,要設(shè)置專門的保溫措施。建議采用在表面噴養(yǎng)護(hù)劑并覆蓋麻袋淋水養(yǎng)生雙重養(yǎng)護(hù)的辦法,保證養(yǎng)護(hù)的效果。
4工程實(shí)例分析
4.1概 況
廣西紫竹大橋主橋基礎(chǔ)為樁基承臺(tái)組合基礎(chǔ),薄壁墩為50#混凝土雙壁墩結(jié)構(gòu),寬12.5 m,厚1.0 m,高19.5 m,分成3段(每段6.5m)澆筑砼,其中一個(gè)墩在第一段砼完成后,發(fā)現(xiàn)薄壁墩靠近橋中線處的兩側(cè)表面均出現(xiàn)兩條豎向裂縫,裂縫從承臺(tái)頂面向上延伸,縫長(zhǎng)最大為3.6 m,縫寬在0.15 mm～0.2 mm之間,內(nèi)外側(cè)裂縫在平面位置上對(duì)應(yīng),估計(jì)已貫通。裂縫的形狀及平面位置見圖1。同時(shí)施工的另一個(gè)墩也發(fā)現(xiàn)裂縫,情況基本一致。出現(xiàn)裂縫后,經(jīng)業(yè)主組織專家會(huì)議研究決定,對(duì)未施工的其它薄壁墩,主要采用增加一倍橫向配筋率和24 h自來(lái)水養(yǎng)護(hù)的措施,但其它墩在砼完成后,還是發(fā)現(xiàn)有裂縫,雖然裂縫的寬度已大大減小,但條數(shù)增加到3～4條,裂縫大部分并不貫通。
4.2施工情況
廣西紫竹大橋薄壁設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)高(C50),采用的是泵送砼,坍落度大,施工配合比采用525#高標(biāo)號(hào)水泥且水泥用量較大(達(dá)到510kg/m3),砼配合比的砂率和水灰比雖在正常范圍,但使用了大量的高效減水劑(用量達(dá)到10‰,正常用量是3‰～6‰),并且澆筑砼時(shí)的溫差也相對(duì)較大,砼養(yǎng)護(hù)采用不間斷地流水養(yǎng)護(hù)。
4.3裂縫成因分析
薄壁墩裂縫一般在墩中間位置,縫較豎直,從承臺(tái)底往上延伸,上窄下寬,裂縫間距較接近,可以認(rèn)定是由收縮變形引起的,而裂縫出現(xiàn)初期是較微小的(折模后不容易發(fā)現(xiàn)),由于晝夜溫差大,薄壁墩的養(yǎng)護(hù)的保溫措施不夠(未覆蓋),在溫差應(yīng)力的作用下,裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大被發(fā)現(xiàn)。而引起砼產(chǎn)生過(guò)大收縮的主要原因應(yīng)是由于砼設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)高達(dá)C50,又采用了泵送運(yùn)輸,砼配合比中水泥用量過(guò)大,為保證泵送的和易性和配制強(qiáng)度,在用水量和砂率不能按正常比例增加的情況下(水灰比及砂率大難以達(dá)到配制強(qiáng)度),通過(guò)添加大量的高效減水劑,使砼達(dá)到18 mm～20 mm的較大坍落度,造成砼在澆筑時(shí)容易離析和泌水,加上施工時(shí)卸料位置較高,形成在薄壁墩中間精骨料堆積,兩側(cè)砂漿較多的狀況(這在后來(lái)鑿開砼檢查裂縫時(shí)得到了證實(shí)),振動(dòng)較為困難,致使薄壁墩在橫向收縮過(guò)大,而底部又受到承臺(tái)的強(qiáng)大約束產(chǎn)生了收縮應(yīng)力,應(yīng)力值超過(guò)了砼硬化初期的抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致出現(xiàn)收縮裂紋。另外,對(duì)于C50高標(biāo)號(hào)的砼薄壁墩,每幅12.5m的寬度顯得過(guò)大,也是導(dǎo)致收縮過(guò)大的原因。
5結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái)我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入不斷加大,橋梁施工技術(shù)也不斷地進(jìn)步,橋梁跨徑也不斷地突破,對(duì)結(jié)構(gòu)的美觀和耐久性要求也越來(lái)越高。墩臺(tái)作為橋梁的不可更換基礎(chǔ)部分,其耐久性尤其顯得重要。薄壁墩作為橋墩的一種形式,由于其自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和不足,在施工過(guò)程中,墩身開裂已成為一種常見病害,對(duì)橋梁的耐久性和美觀都造成一定的隱患,因此在橋梁設(shè)計(jì)中,除了要滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定的要求,還應(yīng)該考慮各種因素的影響,計(jì)算橋墩截面尺寸和布筋等是否合理,計(jì)算施工過(guò)程中水化熱對(duì)混凝土應(yīng)力的影響等。同時(shí),在施工過(guò)程中,更應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,精心組織,對(duì)施工的全過(guò)程嚴(yán)格控制,采取各種手段預(yù)防混凝土開裂。
參考文獻(xiàn)
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