混凝土橋梁溫度裂縫特點(diǎn)及其控制措施

陶燕瑜+鐘國(guó)齊+李甜甜

摘 要：隨著建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，中國(guó)興建了很多道路、橋梁等基礎(chǔ)工程，許多設(shè)計(jì)上認(rèn)為完善的橋梁卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂縫，通過(guò)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的研究，發(fā)現(xiàn)很多裂縫由溫度應(yīng)力引起的。本文闡述了溫度對(duì)混凝土橋梁的作用及其特點(diǎn)，溫度對(duì)橋梁的影響作用比較常見(jiàn)的有水化熱、日照溫差、驟然降溫、年溫差等。本文簡(jiǎn)要介紹了這些影響因素的作用機(jī)理和一些常見(jiàn)的控制措施。

關(guān)鍵詞：混凝土； 溫度裂縫； 溫度應(yīng)力； 水化熱； 日照溫差； 驟然降溫；年溫差

【文章編號(hào)】1627-6868（2017）08-0052-04

Abstract： With rapid development of construction industry，China has constructed many roads， bridges and other infrastructure projects. While，serious cracks occur in many bridges considered perfect in design， By the research of many scholars at home and abroad， many cracks are found to be caused by thermal stress. This paper shows how temperature influences concrete bridges and its traits， common impacts of temperature on concrete bridges can be listed as heat hydration， sudden drop in temperature， annual temperature . The paper introduces mechanism of these factors and common control measures.

Key words： Concrete； temperature cracks； thermal stress； heat of hydration； Sunshine Thermal change ； sudden drop in temperature； annual temperature range

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(lái)越重要的作用，近幾十年來(lái)，我國(guó)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(guò)程中出現(xiàn)了許多缺陷和問(wèn)題，橋梁裂縫就是其中主要問(wèn)題之一。橋梁裂縫使得許多橋梁在未達(dá)到使用年限前就出現(xiàn)耐久性嚴(yán)重退化的現(xiàn)象，甚至造成橋梁的坍塌。

橋梁在建設(shè)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(huì)產(chǎn)生早期干燥收縮裂縫。橋梁結(jié)構(gòu)至建設(shè)時(shí)處于自然環(huán)境之中，受到自然環(huán)境的影響，如陽(yáng)光輻射、環(huán)境氣溫變化等，使得箱梁各個(gè)部位產(chǎn)生非均勻溫度場(chǎng)，非均勻溫度場(chǎng)引起的變形受到內(nèi)部纖維和外部約束時(shí)產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于此齡期的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂縫。因此，本文主要從混凝土溫度應(yīng)力變化過(guò)程、水化熱、日照溫差、驟然降溫和年溫差方面分析溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫的原因。

2.混凝土溫度應(yīng)力變化過(guò)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?jiàn)溫度裂縫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?，箱梁內(nèi)部產(chǎn)生非均勻的溫度場(chǎng)，非均勻溫度場(chǎng)引起的變形受到內(nèi)部纖維的外部約束產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力大于此齡期的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)溫度裂縫?；炷羶?nèi)部溫度和溫度應(yīng)力變化全過(guò)程可分為三個(gè)階段[2][3]。第一階段，混凝土內(nèi)部升溫，產(chǎn)生溫度壓應(yīng)力，彈性模量也開(kāi)始發(fā)展，在這個(gè)階段，彈性模量較小，徐變較大，對(duì)溫度應(yīng)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(yīng)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(kāi)始下降，而彈性模量仍在增加，因此開(kāi)始產(chǎn)生溫度拉應(yīng)力。第三階段，混凝土內(nèi)部溫度動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)入后期溫度應(yīng)力階段，此階段水化反應(yīng)完成，混凝土強(qiáng)度發(fā)展到一定程度，混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)趨于平衡，此時(shí)外界環(huán)境溫度變化、日照溫度等因素影響越來(lái)越明顯。溫度應(yīng)力主要有外界溫度變化和日照溫度引起。此階段應(yīng)力與前期應(yīng)力疊加，稱之為后期溫度應(yīng)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(guò)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(yīng)，內(nèi)部溫度不斷上升，隨后逐漸下降，這是一個(gè)先升溫后降溫的過(guò)程。

在升溫階段，混凝土強(qiáng)度和彈性模量均較低，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也很小，此時(shí)混凝土的塑性變形能力大，徐變較大，對(duì)溫度應(yīng)力有較大的松弛，因此，此時(shí)的溫差不會(huì)對(duì)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(dǎo)不一致，造成相鄰混凝土層有一定的溫度梯度，此時(shí)混凝土表面向外界放熱會(huì)擴(kuò)大內(nèi)外溫差?；炷料噜弻永w維相互約束使得混凝土產(chǎn)生溫度自應(yīng)力，受到外界的約束與溫度自應(yīng)力疊加加大混凝土內(nèi)部和表面應(yīng)力，當(dāng)混凝土表面的應(yīng)力大于同齡期混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)表面出現(xiàn)裂縫。

普通水泥在硬化過(guò)程中會(huì)有一定的收縮，與外界濕度無(wú)關(guān)。在硬化過(guò)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(guò)程收縮在水化熱應(yīng)力共同作用下加劇表面裂縫的產(chǎn)生。endprint

在混凝土降溫過(guò)程中，表面裂縫的尖端會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)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(huì)發(fā)展為縱深裂縫。

3.2水化熱溫度裂縫控制機(jī)理和措施

3.2.1 水化熱溫度裂縫控制機(jī)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(yīng)力造成的裂縫。

因此，影響溫度應(yīng)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(yīng)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(guò)程等方面采取措施。

（1）改善約束條件，工程建設(shè)中混凝土結(jié)構(gòu)澆筑應(yīng)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?xí)r冷水拌合或摻冰塊、控制各個(gè)骨料的入模溫度，并選擇合適的澆筑時(shí)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(yù)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(dǎo)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(hù)；溫度驟降混凝土表面蓄熱保溫保濕措施，避免溫差過(guò)大；規(guī)定合理的拆模時(shí)間，避免溫度梯度過(guò)大。

（4）控制施工質(zhì)量，采用級(jí)配良好的砂、石子，分層澆筑振搗實(shí)心密實(shí)，提高混凝土抗拉強(qiáng)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(shí)混凝土表面采用保溫保濕的養(yǎng)護(hù)方法，較少收縮應(yīng)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(duì)緩慢，所以，在考慮年溫對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響時(shí)，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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向位移，一般可通過(guò)橋面伸縮縫、支座位移或設(shè)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(shí)才會(huì)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(dǎo)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(duì)較慢而產(chǎn)生溫度梯度。目前英國(guó)BS5400規(guī)范、美國(guó)AASHTO規(guī)范、中國(guó)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(shí)際計(jì)算有條件應(yīng)采用實(shí)測(cè)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(shí)應(yīng)采取一定的保溫措施。

4.3日照溫度

溫度應(yīng)力是引起橋梁裂縫的重要因素之一，由太陽(yáng)輻射引起的溫度應(yīng)力最大。但是采用不同的溫度梯度模式計(jì)算出的溫度應(yīng)力相差很大，所以溫度梯度模式的確定至關(guān)重要。此外，我國(guó)幅員遼闊，橫跨寒帶、亞熱帶和熱帶，橋梁規(guī)范是否應(yīng)分區(qū)表示各個(gè)地帶的正溫度梯度有待研究。《公路橋規(guī)》規(guī)定我國(guó)各地的橋梁采用一致的正溫度梯度，即沒(méi)有考慮地域的不同對(duì)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(yáng)輻射、方位角、所處地區(qū)位置、風(fēng)速等。我國(guó)的公路橋規(guī)主要借鑒了美國(guó)AASHTO規(guī)范的相關(guān)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(duì)于溫度梯度模式的確定應(yīng)該采用實(shí)測(cè)的手段確定。

4.3.1 溫度梯度模式及溫度應(yīng)力分布特點(diǎn)

國(guó)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(guó)內(nèi)外一些規(guī)范：

本文通過(guò)實(shí)橋觀測(cè)，采用常用的16點(diǎn)和凌晨4點(diǎn)時(shí)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(xué)者還提出溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫最多的部位是跨中和靠近支座處，這實(shí)際上也和活載最大應(yīng)力分布規(guī)律在控制截面基本一致。

4.3.2溫度長(zhǎng)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(gè)條件，即溫度變化和機(jī)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(yīng)力的變化幅度，很可能比車輛荷載應(yīng)力的變化幅度更大，日照溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期反復(fù)作用屬于疲勞問(wèn)題范疇。

對(duì)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(biāo)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(zhǎng)期疲勞作用，是影響橋梁安全與耐久性的一個(gè)不可忽略的因素；建議再設(shè)計(jì)時(shí)考慮溫度長(zhǎng)期疲勞作用，分析在實(shí)際疲勞應(yīng)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(kāi)裂的疲勞應(yīng)力幅，并分析長(zhǎng)期溫度作用對(duì)此應(yīng)力幅的貢獻(xiàn)比例。

5.總結(jié)

溫度作用是引起橋梁裂縫的重要原因之一，本文從橋梁建設(shè)之時(shí)介紹各種溫度作用引起裂縫的階段，簡(jiǎn)要闡述了水化熱溫度裂縫的控制機(jī)理和措施，收縮、年溫差和驟然降溫的一些特點(diǎn)，日照溫度梯度模式及引起應(yīng)力特點(diǎn)，長(zhǎng)期溫度作用的疲勞作用。溫度裂縫產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多，需要從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理等方面共同努力。

參考文獻(xiàn)

[1] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004

[2] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，1999

[3] N.維塔拉納.大型混凝土澆筑中的溫縮裂縫[J].理論與應(yīng)用，2003，24（14）

[4] 尹成柱、曹振民、任鴻鵬. 特大橋承臺(tái)混凝土施工溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)分析研究[J].中外公路，2011，31（1）：144-148

[5] 莊一舟、樊爭(zhēng)輝、陳寶春.整體式橋臺(tái)橋梁的橋頭搭板設(shè)計(jì)[J].世界橋梁，2012，40（1）：1-6endprint