對混凝土橋墩開裂的原因及對策分析

駐馬店市宇暢路橋養(yǎng)護(hù)工程有限公司 張華偉

對混凝土橋墩開裂的原因及對策分析

駐馬店市宇暢路橋養(yǎng)護(hù)工程有限公司 張華偉

本文對混凝土橋墩開裂的原因進(jìn)行了分析，重點(diǎn)論述了其防治裂縫的對策。

橋梁工程 方形橋墩 裂縫 對策

根據(jù)相關(guān)病害調(diào)查，橋墩裂縫是混凝土橋梁最主要的病害形式之一：橋墩作為橋梁結(jié)構(gòu)中重要的下部構(gòu)件，不僅承擔(dān)著上部結(jié)構(gòu)及汽車等產(chǎn)生的豎向軸力、水平力和彎矩，有時還受到風(fēng)力、土壓力、流水壓力以及可能發(fā)生的地震力、冰壓力、船只和漂流物對墩臺的撞擊力等荷載的作用。橋墩墩身裂縫直接影響且損害其自身乃至整體橋梁的安全性、實(shí)用性、耐久性和美觀。

裂縫形成原因歸結(jié)為溫度裂縫，溫度裂縫的走向通常無一定規(guī)律，大面積結(jié)構(gòu)裂縫常縱橫交錯；裂縫寬度大小不一，受溫度變化影響較為明顯，冬季較寬，夏季較窄。高溫膨脹引起的混凝土溫度裂縫是通常中間粗兩端細(xì)，而冷縮裂縫的粗細(xì)變化不太明顯。此種裂縫的出現(xiàn)會引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低混凝土的抗凍融、抗疲勞及抗?jié)B能力等。

一、裂縫成因

常見的墩身裂縫形式包含：橋墩中心線附近的豎向裂縫、橋墩在日照時間較長側(cè)的裂縫、橋墩模板對拉筋孔處的裂縫、橋墩模板分塊接縫處的裂縫、橋墩頂部環(huán)向裂縫以及混凝土表面細(xì)小、不規(guī)則的裂縫。究其開裂原因，擬從橋墩的設(shè)計、施工及運(yùn)營使用三方面進(jìn)行分析論述。

1. 橋墩設(shè)計。橋墩在設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)不計算或漏算、結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符，內(nèi)力與配筋計算錯誤，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不夠、設(shè)計時考慮的施工可能性與實(shí)際情況出現(xiàn)差異等均會使橋墩在外荷載直接作用下產(chǎn)生裂縫。

2. 橋墩施工。橋墩施工過程中，水化熱效應(yīng)、施工工藝、材料自身等因素都會影響橋墩開裂。

（1）水化熱。混凝土澆注過程中水泥水化放熱，受混凝土自身的不良導(dǎo)熱性和混凝土熱脹冷縮性質(zhì)影響，橋墩內(nèi)部溫度升高體積膨脹而外部溫度相對較低發(fā)生收縮，內(nèi)外相互作用易導(dǎo)致橋墩混凝土外部產(chǎn)生很大的溫度拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土抗拉強(qiáng)度不足以抵抗該拉應(yīng)力時，會引發(fā)橋墩豎向開裂。該類裂縫僅存在于結(jié)構(gòu)表面。

（2）施工工藝。在橋墩澆注、起模等過程中，若施工工藝不合理、質(zhì)量低劣，可能產(chǎn)生各種形式的裂縫，裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度都因產(chǎn)生的原因而異：模板的傾斜、變形以及接縫都可能會使新澆注的混凝土產(chǎn)生裂縫；混凝土振搗不密實(shí)、不均勻，也會引發(fā)蜂窩、麻面等缺陷；混凝土的初期養(yǎng)護(hù)時的急劇干燥也會引發(fā)混凝土表面的不規(guī)則裂縫；混凝土入模溫度過高、施工拆模過早也會導(dǎo)致墩身開裂。

3. 橋墩運(yùn)營。橋梁在運(yùn)營階段，交通量的增長、超出設(shè)計荷載的重型車輛過橋、鋼筋的銹蝕等都會影響橋梁墩柱及其它構(gòu)件的裂縫開展情況。當(dāng)墩柱受壓區(qū)出現(xiàn)起皮或有沿受壓方向的短裂縫，則應(yīng)特別注意，往往是結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限的標(biāo)志。此外，環(huán)境溫度對橋墩等構(gòu)件的開裂影響也不容忽視，引起混凝土橋墩溫度變化的主要因素包括：年、月溫差、日照變化、驟降溫差等，尤其是入冬期間溫度驟降極易造成橋墩等大體積構(gòu)件開裂。

二、裂縫對策研究

混凝土不可避免地帶裂縫工作，裂縫的存在和發(fā)展也將一定程度地削弱相應(yīng)部位構(gòu)件的承載力，并進(jìn)一步引發(fā)保護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、持久強(qiáng)度低等，甚或危害橋梁的正常運(yùn)行和縮短其使用壽命。因而，針對前裂縫在設(shè)計、施工及運(yùn)營階段可能出現(xiàn)的原因，進(jìn)行控制對策的研究，列述如下。

1. 設(shè)計階段。在計算模型選取合理、橋墩強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等滿足規(guī)范要求的條件下，可選擇尺寸較小的圓形截面橋墩，以一定程度地減緩減弱其溫度應(yīng)力峰值，從而降低其開裂風(fēng)險。此外，在橋墩四周加防裂鋼筋網(wǎng)，配筋除滿足承載力及構(gòu)造要求外，應(yīng)結(jié)合水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力增配鋼筋，以提高鋼筋控制裂縫的能力。

2. 施工階段。

（1）水化熱。R.Springenschmid認(rèn)為，混凝土的2/3應(yīng)力來自于溫度變化，1/3來自干縮和濕脹。典型的波特蘭水泥會在開始3天內(nèi)放出約50%的水化熱?？梢?，水化熱是混凝土早期溫度應(yīng)力的主要來源，過快過高的水化熱是早期開裂的主要原因。針對水化熱效應(yīng)，可采取以下措施以改善并控制開裂情況：在滿足設(shè)計強(qiáng)度的前提下，盡可能采用圓形截面柱、盡可能采用低標(biāo)號混凝土；采用低水化熱的水泥或摻粉煤灰的水泥或摻緩凝劑，其對改善混凝土和易性、降低溫升、減小收縮具有較好的效果，也可提高自身抗裂性。此外，對墩身內(nèi)部布設(shè)冷水管以循環(huán)降溫。

（2）入模溫度。降低混凝土的入模溫度也是一項(xiàng)降低混凝土溫度應(yīng)力的重要措施。一般的，混凝土從塑形狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)時，澆注溫度越低開裂傾向越小。過高的入模溫度會加劇了混凝土的早期溫升，使得溫度應(yīng)力更大。

（3）其它。橋墩的模板應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，可承受新澆混凝土的重力、側(cè)壓力以及施工過程中可能產(chǎn)生的各種荷載；混凝土的振搗密實(shí)、均勻，可有效防止收縮裂縫，不可過搗，否則造成混凝土離析；拆模不應(yīng)太早，混凝土終凝后對墩柱表面應(yīng)及時的保濕保溫養(yǎng)護(hù)，使水泥水化作用順利進(jìn)行，以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。主要養(yǎng)護(hù)方法包括：覆蓋養(yǎng)護(hù)、澆水養(yǎng)護(hù)、儲水養(yǎng)護(hù)和薄膜養(yǎng)護(hù)等。

3. 運(yùn)營階段。運(yùn)營階段的抗裂措施應(yīng)主要包含兩方面內(nèi)容：對潛在開裂隱患的控制和既有裂縫的修補(bǔ)控制。對于前者，若不考慮地震、撞擊等偶然因素的影響，橋梁在運(yùn)營期間的裂縫則主要跟環(huán)境變化相關(guān)。根據(jù)前文的溫度驟降影響分析，圓形截面柱的抗裂情況較另二者略優(yōu)，因而，可優(yōu)先選擇圓截面柱作為橋墩的設(shè)計方案。

除此，可在溫度驟降前期或初期，于橋墩表面附加保溫材料或涂抹防護(hù)材料以削減溫度驟降帶來的影響。對于后者，雖然對橋墩混凝土的原材料、配合比及工藝等方面加強(qiáng)預(yù)防措施，但混凝土橋墩的裂縫仍不可避免。根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，公路橋墩裂縫縫寬〉0.15mm，鐵路橋墩裂縫縫寬〉0.2mm以下的局部收縮裂縫，須進(jìn)行處理、修補(bǔ)。對于運(yùn)營期間出現(xiàn)的裂縫，由變形變化所引起的裂縫，其無承載力危險，可采用防水型化學(xué)灌漿技術(shù)作一般表面處理。相同體積情況下，滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求后，圓截面柱較矩形柱受施工期間水化熱、運(yùn)營期間溫度驟降所引起的溫度應(yīng)力小，因而建議橋墩設(shè)計采用圓截面。

三、結(jié)語

總之，混凝土橋墩工程中，多屬于大體積混凝土工程，較易出現(xiàn)裂縫，但只有在設(shè)計、施工、運(yùn)營各階段進(jìn)行科學(xué)、合理的運(yùn)作，并積極采取相應(yīng)的對策，才可減少減緩混凝土的裂縫。

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