混凝土橋梁溫度裂縫特點及其控制措施

陶燕瑜　鐘國齊　李甜甜

摘 要：隨著建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，中國興建了很多道路、橋梁等基礎工程，許多設計上認為完善的橋梁卻出現(xiàn)了嚴重的裂縫，通過國內(nèi)外許多學者的研究，發(fā)現(xiàn)很多裂縫由溫度應力引起的。本文闡述了溫度對混凝土橋梁的作用及其特點，溫度對橋梁的影響作用比較常見的有水化熱、日照溫差、驟然降溫、年溫差等。本文簡要介紹了這些影響因素的作用機理和一些常見的控制措施。

關鍵詞：混凝土； 溫度裂縫； 溫度應力； 水化熱； 日照溫差； 驟然降溫；年溫差

1.概述

隨著交通事業(yè)的飛速發(fā)展，橋梁作為交通樞紐，發(fā)揮著越來越重要的作用，近幾十年來，我國興建了很多各種類型的公路橋梁、鐵路橋梁、鐵路公路兩用橋梁、城市橋梁及立交橋等。但是這些橋梁，尤其是鋼筋混凝土橋梁，在使用過程中出現(xiàn)了許多缺陷和問題，橋梁裂縫就是其中主要問題之一。橋梁裂縫使得許多橋梁在未達到使用年限前就出現(xiàn)耐久性嚴重退化的現(xiàn)象，甚至造成橋梁的坍塌。

橋梁在建設之初，由于混凝土澆筑產(chǎn)生大量的水化熱，引起混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差，產(chǎn)生混凝土早期裂縫，此外混凝土表面水分散失也會產(chǎn)生早期干燥收縮裂縫。橋梁結(jié)構(gòu)至建設時處于自然環(huán)境之中，受到自然環(huán)境的影響，如陽光輻射、環(huán)境氣溫變化等，使得箱梁各個部位產(chǎn)生非均勻溫度場，非均勻溫度場引起的變形受到內(nèi)部纖維和外部約束時產(chǎn)生很大的溫度應力，當應力大于此齡期的極限抗拉強度時就會產(chǎn)生裂縫。因此，本文主要從混凝土溫度應力變化過程、水化熱、日照溫差、驟然降溫和年溫差方面分析溫度應力產(chǎn)生裂縫的原因。

2.混凝土溫度應力變化過程

混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因主要有兩類：荷載作用下的裂縫（結(jié)構(gòu)裂縫）和變形作用下的裂縫（非結(jié)構(gòu)裂縫），其中，由于結(jié)構(gòu)受溫度、收縮、不均勻沉降等變形作用下的裂縫占80%以上[1]?？梢姕囟攘芽p所占裂縫比例是很大的。溫度裂縫的主要原因是混凝土溫度和濕度的變化加上混凝土自身的脆性和不均勻性造成的?；炷料淞涸谒療岷腿照蛰椛涞淖饔孟拢淞簝?nèi)部產(chǎn)生非均勻的溫度場，非均勻溫度場引起的變形受到內(nèi)部纖維的外部約束產(chǎn)生溫度應力，當溫度應力大于此齡期的極限抗拉強度時，出現(xiàn)溫度裂縫?；炷羶?nèi)部溫度和溫度應力變化全過程可分為三個階段[2][3]。第一階段，混凝土內(nèi)部升溫，產(chǎn)生溫度壓應力，彈性模量也開始發(fā)展，在這個階段，彈性模量較小，徐變較大，對溫度應力有較大的松弛；第二階段，混凝土內(nèi)部降溫，早期溫度拉應力產(chǎn)生，此階段水化速率減緩，混凝土表面向外界放熱，溫度開始下降，而彈性模量仍在增加，因此開始產(chǎn)生溫度拉應力。第三階段，混凝土內(nèi)部溫度動態(tài)平衡，進入后期溫度應力階段，此階段水化反應完成，混凝土強度發(fā)展到一定程度，混凝土內(nèi)部溫度場趨于平衡，此時外界環(huán)境溫度變化、日照溫度等因素影響越來越明顯。溫度應力主要有外界溫度變化和日照溫度引起。此階段應力與前期應力疊加，稱之為后期溫度應力。

3.水化熱溫度裂縫和收縮裂縫的成因及防治

3.1水化熱溫度裂縫和收縮裂縫的成因分析

混凝土內(nèi)部水泥的水化過程在澆筑后前七天就基本完成。在此期間由于水泥的水化效應，內(nèi)部溫度不斷上升，隨后逐漸下降，這是一個先升溫后降溫的過程。

在升溫階段，混凝土強度和彈性模量均較低，產(chǎn)生的溫度應力也很小，此時混凝土的塑性變形能力大，徐變較大，對溫度應力有較大的松弛，因此，此時的溫差不會對混凝土造成很大的傷害。在降溫階段，混凝土內(nèi)部水化放熱和熱傳導不一致，造成相鄰混凝土層有一定的溫度梯度，此時混凝土表面向外界放熱會擴大內(nèi)外溫差。混凝土相鄰層纖維相互約束使得混凝土產(chǎn)生溫度自應力，受到外界的約束與溫度自應力疊加加大混凝土內(nèi)部和表面應力，當混凝土表面的應力大于同齡期混凝土的極限抗拉強度時表面出現(xiàn)裂縫。

普通水泥在硬化過程中會有一定的收縮，與外界濕度無關。在硬化過程中，多余水分蒸發(fā)，水泥漿收縮，混凝土表層水分蒸發(fā)損失快，內(nèi)部慢，因此產(chǎn)生混凝土表面收縮大于內(nèi)部收縮的不均勻收縮，混凝土表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使混凝土表面承受拉力，這種硬化過程收縮在水化熱應力共同作用下加劇表面裂縫的產(chǎn)生。

在混凝土降溫過程中，表面裂縫的尖端會產(chǎn)生較大的應力集中，之后受到日照溫度、驟然降溫的溫度作用和汽車荷載等活載的作用，裂縫向縱深發(fā)展，有些會發(fā)展為縱深裂縫。

3.2水化熱溫度裂縫控制機理和措施

3.2.1 水化熱溫度裂縫控制機理

混凝土溫度裂縫是由于在降溫期間截面內(nèi)鄰近層自我約束和受到體外的各種約束產(chǎn)生的應力造成的裂縫。

若混凝土的自由收縮裂縫應變 由溫降應變 和干縮應變 組成，即：

（1）

若約束拉應變?yōu)?，R為約束應變和自由應變的百分比，則 =0，R=1（無約束）； = ，R=0（完全約束）。將約束拉伸應變 乘以混凝土的彈性模量 ，記混凝土的約束拉應力 ，則：

（2）

（3）

其中： 初始拉應變， 拉伸應變， 徐變系數(shù)。

考慮混凝土水化熱引起溫度升溫而產(chǎn)生的溫度裂縫大多出現(xiàn)在5到10天內(nèi)，干燥收縮大部分發(fā)展落后溫縮，可令干燥應變 為0，則（2）式可寫為：

（4）

由于R、 、 等參數(shù)都是隨時間t的推移變化，所以混凝土溫度應力影視時間的函數(shù)，即：

（5）

因此，影響溫度應力的主要變化因素：約束、彈性模量、徐變、溫度差，由（2）-（5）可以看出，彈性模量逐漸增大，徐變逐漸減小，溫度差值先增大至最大值，后減小，則水化熱溫度裂縫控制主要應控制上面的這些變化因素。

3.2.2 水化熱溫度裂縫控制

混凝土水化熱溫度裂縫控制主要從改善約束條件，控制溫差，減緩混凝土降溫過程等方面采取措施。

（1）改善約束條件，工程建設中混凝土結(jié)構(gòu)澆筑應該合理的分縫分塊，合理的安排施工工序。

（2）控制混凝土內(nèi)部溫差 ，材料的冷卻如澆筑混凝土時冷水拌合或摻冰塊、控制各個骨料的入模溫度，并選擇合適的澆筑時間；選用低熱水泥品種，摻入外加劑，改善混凝土的和易性，較少水和水泥的含量；優(yōu)化混凝土的配合比，減少膠凝材料的用量；澆筑層內(nèi)預埋冷卻水管，通入冷水降溫，也可把鋼筋伸出澆筑物，利用鋼筋熱傳導性好降溫；分層澆筑，減少澆筑層厚度，減緩澆筑速率，控制最大溫差。

（3）減緩混凝土的降溫速率，混凝土模板拆除后，注重養(yǎng)護；溫度驟降混凝土表面蓄熱保溫保濕措施，避免溫差過大；規(guī)定合理的拆模時間，避免溫度梯度過大。

（4）控制施工質(zhì)量，采用級配良好的砂、石子，分層澆筑振搗實心密實，提高混凝土抗拉強度。采用直徑較小鋼筋，控制表面裂縫有一定的效果。

3.2.3 收縮裂縫控制

選用收縮小的水泥品種，控制水灰比，添加合理的外加劑，減少水泥漿體的干縮。同時混凝土表面采用保溫保濕的養(yǎng)護方法，較少收縮應力。

4.年溫差、驟然降溫、日照溫度等引起的裂縫及控制措施

4.1年溫差

一年中四季溫度不斷變化，但變化相對緩慢，所以，在考慮年溫對結(jié)構(gòu)物的影響時，均以結(jié)構(gòu)物的平均溫度為依據(jù)。一般以最高與最低月平均溫度的變化值作為年溫變化幅度。對橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導致橋梁的縱向位移，一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設置柔性墩等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào)，只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時才會引起溫度裂縫。

4.2驟然降溫

突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫度梯度。目前英國BS5400規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范、中國新鐵規(guī)等規(guī)范規(guī)定了降溫梯度模式，但各地狀況不同，在實際計算有條件應采用實測數(shù)據(jù)擬合的溫度梯度，不考慮彈性模量的折減，溫度驟降時應采取一定的保溫措施。

4.3日照溫度

溫度應力是引起橋梁裂縫的重要因素之一，由太陽輻射引起的溫度應力最大。但是采用不同的溫度梯度模式計算出的溫度應力相差很大，所以溫度梯度模式的確定至關重要。此外，我國幅員遼闊，橫跨寒帶、亞熱帶和熱帶，橋梁規(guī)范是否應分區(qū)表示各個地帶的正溫度梯度有待研究?！豆窐蛞?guī)》規(guī)定我國各地的橋梁采用一致的正溫度梯度，即沒有考慮地域的不同對混凝土箱梁的正溫度梯度的影響。影響溫度梯度的因素很多，如：太陽輻射、方位角、所處地區(qū)位置、風速等。我國的公路橋規(guī)主要借鑒了美國AASHTO規(guī)范的相關規(guī)定，并未考慮地區(qū)差異及溫度梯度模式選取的合理性。因此，對于溫度梯度模式的確定應該采用實測的手段確定。

4.3.1 溫度梯度模式及溫度應力分布特點

國內(nèi)外所采用的溫度梯度模式大致有這樣幾種：距離梁頂采用指數(shù)模式，距離底板一定距離采用線性分布模式；距離梁頂采用指數(shù)模式；距離梁頂一定距離采用雙折線模式，距離梁底一定距離采用線性分布模式；距離梁頂一定距離采用雙折線模式。最高溫度取值不一致，有些根據(jù)混凝土鋪裝不同分別取值。

下面是國內(nèi)外一些規(guī)范：

本文通過實橋觀測，采用常用的16點和凌晨4點時刻為最大溫度梯度，梯度模式采用指數(shù)模式，研究表明，在最不利正溫差作用下，頂板上表面受壓，下表面受拉，底板上表面受拉，下表面受壓，腹板內(nèi)外側(cè)均受拉；大多學者還提出溫度應力產(chǎn)生裂縫最多的部位是跨中和靠近支座處，這實際上也和活載最大應力分布規(guī)律在控制截面基本一致。

4.3.2溫度長期作用引起的疲勞作用

循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引起的疲勞失效為熱疲勞，是疲勞中的一種；產(chǎn)生熱疲勞必須有兩個條件，即溫度變化和機械約束。日照溫度作用的頻率雖然要比車輛荷載低的多，但日照溫度應力的變化幅度，很可能比車輛荷載應力的變化幅度更大，日照溫度對橋梁結(jié)構(gòu)的長期反復作用屬于疲勞問題范疇。

對于鋼筋混凝土試件疲勞破壞包括鋼筋疲勞破壞和混凝土疲勞破壞。鋼筋疲勞破壞以受拉鋼筋拉斷為標志；混凝土疲勞破壞又包括試件斜截面疲勞破壞和受壓區(qū)混凝土壓碎疲勞破壞。溫度長期疲勞作用，是影響橋梁安全與耐久性的一個不可忽略的因素；建議再設計時考慮溫度長期疲勞作用，分析在實際疲勞應力（汽車和溫度耦合作用）下的疲勞次數(shù)；找到影響裂縫持續(xù)開裂的疲勞應力幅，并分析長期溫度作用對此應力幅的貢獻比例。

（2）控制混凝土內(nèi)部溫差 ，材料的冷卻如澆筑混凝土時冷水拌合或摻冰塊、控制各個骨料的入模溫度，并選擇合適的澆筑時間；選用低熱水泥品種，摻入外加劑，改善混凝土的和易性，較少水和水泥的含量；優(yōu)化混凝土的配合比，減少膠凝材料的用量；澆筑層內(nèi)預埋冷卻水管，通入冷水降溫，也可把鋼筋伸出澆筑物，利用鋼筋熱傳導性好降溫；分層澆筑，減少澆筑層厚度，減緩澆筑速率，控制最大溫差。

（3）減緩混凝土的降溫速率，混凝土模板拆除后，注重養(yǎng)護；溫度驟降混凝土表面蓄熱保溫保濕措施，避免溫差過大；規(guī)定合理的拆模時間，避免溫度梯度過大。

（4）控制施工質(zhì)量，采用級配良好的砂、石子，分層澆筑振搗實心密實，提高混凝土抗拉強度。采用直徑較小鋼筋，控制表面裂縫有一定的效果。

3.2.3 收縮裂縫控制

選用收縮小的水泥品種，控制水灰比，添加合理的外加劑，減少水泥漿體的干縮。同時混凝土表面采用保溫保濕的養(yǎng)護方法，較少收縮應力。

4.年溫差、驟然降溫、日照溫度等引起的裂縫及控制措施

4.1年溫差

一年中四季溫度不斷變化，但變化相對緩慢，所以，在考慮年溫對結(jié)構(gòu)物的影響時，均以結(jié)構(gòu)物的平均溫度為依據(jù)。一般以最高與最低月平均溫度的變化值作為年溫變化幅度。對橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導致橋梁的縱向位移，一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設置柔性墩等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào)，只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時才會引起溫度裂縫。

4.2驟然降溫

突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫度梯度。目前英國BS5400規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范、中國新鐵規(guī)等規(guī)范規(guī)定了降溫梯度模式，但各地狀況不同，在實際計算有條件應采用實測數(shù)據(jù)擬合的溫度梯度，不考慮彈性模量的折減，溫度驟降時應采取一定的保溫措施。

4.3日照溫度

溫度應力是引起橋梁裂縫的重要因素之一，由太陽輻射引起的溫度應力最大。但是采用不同的溫度梯度模式計算出的溫度應力相差很大，所以溫度梯度模式的確定至關重要。此外，我國幅員遼闊，橫跨寒帶、亞熱帶和熱帶，橋梁規(guī)范是否應分區(qū)表示各個地帶的正溫度梯度有待研究?！豆窐蛞?guī)》規(guī)定我國各地的橋梁采用一致的正溫度梯度，即沒有考慮地域的不同對混凝土箱梁的正溫度梯度的影響。影響溫度梯度的因素很多，如：太陽輻射、方位角、所處地區(qū)位置、風速等。我國的公路橋規(guī)主要借鑒了美國AASHTO規(guī)范的相關規(guī)定，并未考慮地區(qū)差異及溫度梯度模式選取的合理性。因此，對于溫度梯度模式的確定應該采用實測的手段確定。

4.3.1 溫度梯度模式及溫度應力分布特點

國內(nèi)外所采用的溫度梯度模式大致有這樣幾種：距離梁頂采用指數(shù)模式，距離底板一定距離采用線性分布模式；距離梁頂采用指數(shù)模式；距離梁頂一定距離采用雙折線模式，距離梁底一定距離采用線性分布模式；距離梁頂一定距離采用雙折線模式。最高溫度取值不一致，有些根據(jù)混凝土鋪裝不同分別取值。

下面是國內(nèi)外一些規(guī)范：

本文通過實橋觀測，采用常用的16點和凌晨4點時刻為最大溫度梯度，梯度模式采用指數(shù)模式，研究表明，在最不利正溫差作用下，頂板上表面受壓，下表面受拉，底板上表面受拉，下表面受壓，腹板內(nèi)外側(cè)均受拉；大多學者還提出溫度應力產(chǎn)生裂縫最多的部位是跨中和靠近支座處，這實際上也和活載最大應力分布規(guī)律在控制截面基本一致。

4.3.2溫度長期作用引起的疲勞作用

循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引起的疲勞失效為熱疲勞，是疲勞中的一種；產(chǎn)生熱疲勞必須有兩個條件，即溫度變化和機械約束。日照溫度作用的頻率雖然要比車輛荷載低的多，但日照溫度應力的變化幅度，很可能比車輛荷載應力的變化幅度更大，日照溫度對橋梁結(jié)構(gòu)的長期反復作用屬于疲勞問題范疇。

對于鋼筋混凝土試件疲勞破壞包括鋼筋疲勞破壞和混凝土疲勞破壞。鋼筋疲勞破壞以受拉鋼筋拉斷為標志；混凝土疲勞破壞又包括試件斜截面疲勞破壞和受壓區(qū)混凝土壓碎疲勞破壞。溫度長期疲勞作用，是影響橋梁安全與耐久性的一個不可忽略的因素；建議再設計時考慮溫度長期疲勞作用，分析在實際疲勞應力（汽車和溫度耦合作用）下的疲勞次數(shù)；找到影響裂縫持續(xù)開裂的疲勞應力幅，并分析長期溫度作用對此應力幅的貢獻比例。

（2）控制混凝土內(nèi)部溫差 ，材料的冷卻如澆筑混凝土時冷水拌合或摻冰塊、控制各個骨料的入模溫度，并選擇合適的澆筑時間；選用低熱水泥品種，摻入外加劑，改善混凝土的和易性，較少水和水泥的含量；優(yōu)化混凝土的配合比，減少膠凝材料的用量；澆筑層內(nèi)預埋冷卻水管，通入冷水降溫，也可把鋼筋伸出澆筑物，利用鋼筋熱傳導性好降溫；分層澆筑，減少澆筑層厚度，減緩澆筑速率，控制最大溫差。

（3）減緩混凝土的降溫速率，混凝土模板拆除后，注重養(yǎng)護；溫度驟降混凝土表面蓄熱保溫保濕措施，避免溫差過大；規(guī)定合理的拆模時間，避免溫度梯度過大。

（4）控制施工質(zhì)量，采用級配良好的砂、石子，分層澆筑振搗實心密實，提高混凝土抗拉強度。采用直徑較小鋼筋，控制表面裂縫有一定的效果。

3.2.3 收縮裂縫控制

選用收縮小的水泥品種，控制水灰比，添加合理的外加劑，減少水泥漿體的干縮。同時混凝土表面采用保溫保濕的養(yǎng)護方法，較少收縮應力。

4.年溫差、驟然降溫、日照溫度等引起的裂縫及控制措施

4.1年溫差

一年中四季溫度不斷變化，但變化相對緩慢，所以，在考慮年溫對結(jié)構(gòu)物的影響時，均以結(jié)構(gòu)物的平均溫度為依據(jù)。一般以最高與最低月平均溫度的變化值作為年溫變化幅度。對橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導致橋梁的縱向位移，一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設置柔性墩等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào)，只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時才會引起溫度裂縫。

4.2驟然降溫

突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫度梯度。目前英國BS5400規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范、中國新鐵規(guī)等規(guī)范規(guī)定了降溫梯度模式，但各地狀況不同，在實際計算有條件應采用實測數(shù)據(jù)擬合的溫度梯度，不考慮彈性模量的折減，溫度驟降時應采取一定的保溫措施。

4.3日照溫度

溫度應力是引起橋梁裂縫的重要因素之一，由太陽輻射引起的溫度應力最大。但是采用不同的溫度梯度模式計算出的溫度應力相差很大，所以溫度梯度模式的確定至關重要。此外，我國幅員遼闊，橫跨寒帶、亞熱帶和熱帶，橋梁規(guī)范是否應分區(qū)表示各個地帶的正溫度梯度有待研究?！豆窐蛞?guī)》規(guī)定我國各地的橋梁采用一致的正溫度梯度，即沒有考慮地域的不同對混凝土箱梁的正溫度梯度的影響。影響溫度梯度的因素很多，如：太陽輻射、方位角、所處地區(qū)位置、風速等。我國的公路橋規(guī)主要借鑒了美國AASHTO規(guī)范的相關規(guī)定，并未考慮地區(qū)差異及溫度梯度模式選取的合理性。因此，對于溫度梯度模式的確定應該采用實測的手段確定。

4.3.1 溫度梯度模式及溫度應力分布特點

國內(nèi)外所采用的溫度梯度模式大致有這樣幾種：距離梁頂采用指數(shù)模式，距離底板一定距離采用線性分布模式；距離梁頂采用指數(shù)模式；距離梁頂一定距離采用雙折線模式，距離梁底一定距離采用線性分布模式；距離梁頂一定距離采用雙折線模式。最高溫度取值不一致，有些根據(jù)混凝土鋪裝不同分別取值。

下面是國內(nèi)外一些規(guī)范：

本文通過實橋觀測，采用常用的16點和凌晨4點時刻為最大溫度梯度，梯度模式采用指數(shù)模式，研究表明，在最不利正溫差作用下，頂板上表面受壓，下表面受拉，底板上表面受拉，下表面受壓，腹板內(nèi)外側(cè)均受拉；大多學者還提出溫度應力產(chǎn)生裂縫最多的部位是跨中和靠近支座處，這實際上也和活載最大應力分布規(guī)律在控制截面基本一致。

4.3.2溫度長期作用引起的疲勞作用

循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引起的疲勞失效為熱疲勞，是疲勞中的一種；產(chǎn)生熱疲勞必須有兩個條件，即溫度變化和機械約束。日照溫度作用的頻率雖然要比車輛荷載低的多，但日照溫度應力的變化幅度，很可能比車輛荷載應力的變化幅度更大，日照溫度對橋梁結(jié)構(gòu)的長期反復作用屬于疲勞問題范疇。

對于鋼筋混凝土試件疲勞破壞包括鋼筋疲勞破壞和混凝土疲勞破壞。鋼筋疲勞破壞以受拉鋼筋拉斷為標志；混凝土疲勞破壞又包括試件斜截面疲勞破壞和受壓區(qū)混凝土壓碎疲勞破壞。溫度長期疲勞作用，是影響橋梁安全與耐久性的一個不可忽略的因素；建議再設計時考慮溫度長期疲勞作用，分析在實際疲勞應力（汽車和溫度耦合作用）下的疲勞次數(shù)；找到影響裂縫持續(xù)開裂的疲勞應力幅，并分析長期溫度作用對此應力幅的貢獻比例。