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橋梁薄壁墩臺裂縫成因與預防論文
摘要:針對薄壁墩臺施工過程中容易產生裂縫的問題,分析了裂縫形成的一般規(guī)律和原因,并進一步對薄壁墩施工過程中開裂現(xiàn)象提出有效防治措施。
關鍵詞:橋梁;薄壁墩臺;裂縫;設計;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
薄壁墩臺是近年來小跨徑的公路橋梁和高等級公路、城市道路的通道、跨線橋普遍采用的一種墩臺形式,具有省工、便捷、造型美觀等優(yōu)點。河床不寬時,為減少橋長、節(jié)省造價,不讓臺前錐坡壓縮河床,可采用靠河較近墩臺身直立的樁基薄壁墩臺,墩臺下面設支撐梁,整個橋梁構成框架結構系統(tǒng),由支撐梁平衡臺后壓力。
鋼筋混凝土薄壁墩臺憑其結構輕巧、美觀,造價低廉,施工方便等優(yōu)點在橋梁建設中得到了廣泛的應用。而薄壁墩出現(xiàn)開裂的問題也就越顯得突出。據(jù)分析,薄壁墩臺產生的裂縫大多并非是受外力作用產生的荷載裂縫,而是砼在硬化過程中,由于溫度變形、收縮變形等原因引起的變形裂縫。要解決薄壁墩臺的裂縫問題關鍵在于預防,實踐表明,只要措施得當,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
混凝土在硬化過程中,拌合物中的水泥要產生大量的水化熱,而構造物的表面由于受外界影響,溫度下降較快,出現(xiàn)內外溫差產生拉應力,當拉應力超過混凝土的抗拉強度時,就出現(xiàn)溫度應力裂縫。環(huán)境溫差的影響也會產生裂縫,一般在冬期施工時,白天的溫度較高,而夜晚的溫度下降較快,外部的氣溫與砼內部會產生較大的溫差而導致出現(xiàn)裂縫。
1.2收縮變形裂縫
砼的收縮是一個長期的過程,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,對砼的損害也最嚴重。收縮變形裂縫從時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�；炷翝仓�,未硬化仍處塑性狀態(tài)時就出現(xiàn)的裂縫。砼在澆筑成形后,表面的水被蒸發(fā),而砼內部的水分通過泌水和毛細管的作用上升到表面補充,砼隨著水分的蒸發(fā)而收縮。對含水量較大的砼(如泵送砼等)而言,表面水分較多,如果處在溫度高、風速大和干燥的環(huán)境中,或者被模板及基礎吸收,表面的水迅速被揮發(fā)或吸干,而內部的水分補充不及,造成表面體積收縮過大,而此時砼尚未有足夠的強度抵抗,因而產生塑性收縮紋。
(2)干燥收縮裂縫。砼在硬化后,一般在3 d～5 d的時間,如果養(yǎng)護不足或處于高溫干燥的環(huán)境,砼的收縮較大,而此時砼的水化熱已達到或經過了最大值,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,砼會產生收縮應力,如果應力超過砼自身的抗拉強度,則會產生干燥收縮裂縫。
2裂縫形成的原因分析
2.1構 造
由于薄壁墩臺的結構厚度較小,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,產生的收縮力很容易超過混凝土的抗拉力,因而導致出現(xiàn)貫通的裂縫。薄壁墩臺的底部設計一般與大體積的承臺固結,承臺與墩臺之間由大量的鋼筋聯(lián)結,約束的剛度極大,造成墩臺混凝土在變形時產生較大的應力,這也是形成裂縫的主要原因。
2.2材 料
水泥質量不符合要求,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,墩臺身較高,混凝土拌和料從上往下卸落時,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,內外的溫度差過大,表面收縮大,導致裂縫的形成。
2.4施 工
薄壁墩臺身較高,鋼筋稠密,混凝土攪拌不均或攪拌時間過長,水灰比過大,混凝土搗不充分,保護層厚度不夠,硬化前受震動或荷載作用等。由于壁薄、鋼筋密,為保證施工質量,混凝土的施工坍落度一般較大,以便于流動,對施工地面條件較差的墩臺(如水中墩),常采用泵送混凝土,導致水泥、水和細集料的用量增大,增加了混凝土的收縮量。
3裂縫的預防措施
3.1設計階段
薄壁墩臺由于自身屬容易開裂的結構,預防裂縫如能在設計階予以詳細考慮,解決結構本身的“先天不足”問題,將大大減少在施工階段預防裂縫的難度。
(1)在滿足受力條件的情況下,單幅薄壁墩臺的橫向結構設計寬度應盡量減小。寬度較大的薄壁墩宜在中間增設永久的變形縫,減少橫向的收縮量。
(2)適當增加水平鋼筋的配筋率,特別在薄壁墩臺的底部位置。在同等配筋率的情況下,建議采用小直徑鋼筋小間距布置,以增大薄壁墩臺的抗裂能力。雖然配筋率的增大對防止裂縫的產生作用有限,但能降低裂縫的寬度和減少出現(xiàn)貫通裂縫。
(3)從預防裂縫的角度,在滿足強度要求的情況下,砼的設計標號宜低不宜高。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)在結構型式上考慮減少基礎對墩(臺)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
從以上的工程實例和大量的事實表明,薄壁墩(臺)出現(xiàn)裂縫主要是由于施工中對裂縫的認識不足和對預防措施不重視所致,往往在施工配合比設計、砼的澆筑和養(yǎng)護時,只注重達到砼的強度指標和其他設計的具體要求,忽略了對裂縫的控制考慮。根據(jù)裂縫形成的規(guī)律,結合以上實例分析結果,施工階段預防變形裂縫的主要措施有:
(1)把裂縫控制作為一項重要的技術指標,精心做好砼的施工配合比設計。這是預防變形裂縫首要和根本的措施。①嚴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。盡量通過粗、細骨料的良好級配達到設計強度。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)的摻量不宜過大,更不能超過規(guī)定的合理范圍,特別對那些收縮性能指標不明確的減水劑,更加要慎重使用。④考慮適當摻加膨脹劑增加砼的抗收縮能力。
(2)施工方案設計時,在施工場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,但從預防變形裂縫角度看,特別對高標號或寬度較大的薄壁墩臺的砼施工,應盡量使用普通砼澆筑。
(3)盡量縮短墩臺身砼和承臺砼澆筑的間隔時間,兩者齡期差異不宜過大。
(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。
(5)嚴格控制砼水平澆筑,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倉,并且振搗要充分。
(6)加強養(yǎng)護,宜采用麻袋覆蓋淋水的方法養(yǎng)生,達到保溫和保濕的作用,不宜采用直接淋水養(yǎng)護。在溫差較大的天氣,要設置專門的保溫措施。建議采用在表面噴養(yǎng)護劑并覆蓋麻袋淋水養(yǎng)生雙重養(yǎng)護的辦法,保證養(yǎng)護的效果。
4工程實例分析
4.1概 況
廣西紫竹大橋主橋基礎為樁基承臺組合基礎,薄壁墩為50#混凝土雙壁墩結構,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表面均出現(xiàn)兩條豎向裂縫,裂縫從承臺頂面向上延伸,縫長最大為3.6 m,縫寬在0.15 mm～0.2 mm之間,內外側裂縫在平面位置上對應,估計已貫通。裂縫的形狀及平面位置見圖1。同時施工的另一個墩也發(fā)現(xiàn)裂縫,情況基本一致。出現(xiàn)裂縫后,經業(yè)主組織專家會議研究決定,對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自來水養(yǎng)護的措施,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計標號高(C50),采用的是泵送砼,坍落度大,施工配合比采用525#高標號水泥且水泥用量較大(達到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(用量達到10‰,正常用量是3‰～6‰),并且澆筑砼時的溫差也相對較大,砼養(yǎng)護采用不間斷地流水養(yǎng)護。
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,從承臺底往上延伸,上窄下寬,裂縫間距較接近,可以認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)護的保溫措施不夠(未覆蓋),在溫差應力的作用下,裂縫進一步擴大被發(fā)現(xiàn)。而引起砼產生過大收縮的主要原因應是由于砼設計標號高達C50,又采用了泵送運輸,砼配合比中水泥用量過大,為保證泵送的和易性和配制強度,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到配制強度),通過添加大量的高效減水劑,使砼達到18 mm～20 mm的較大坍落度,造成砼在澆筑時容易離析和泌水,加上施工時卸料位置較高,形成在薄壁墩中間精骨料堆積,兩側砂漿較多的狀況(這在后來鑿開砼檢查裂縫時得到了證實),振動較為困難,致使薄壁墩在橫向收縮過大,而底部又受到承臺的強大約束產生了收縮應力,應力值超過了砼硬化初期的抗拉強度,導致出現(xiàn)收縮裂紋。另外,對于C50高標號的砼薄壁墩,每幅12.5m的寬度顯得過大,也是導致收縮過大的原因。
5結束語
近年來我國對基礎設施建設的投入不斷加大,橋梁施工技術也不斷地進步,橋梁跨徑也不斷地突破,對結構的美觀和耐久性要求也越來越高。墩臺作為橋梁的不可更換基礎部分,其耐久性尤其顯得重要。薄壁墩作為橋墩的一種形式,由于其自身結構的特點和不足,在施工過程中,墩身開裂已成為一種常見病害,對橋梁的耐久性和美觀都造成一定的隱患,因此在橋梁設計中,除了要滿足強度和穩(wěn)定的要求,還應該考慮各種因素的影響,計算橋墩截面尺寸和布筋等是否合理,計算施工過程中水化熱對混凝土應力的影響等。同時,在施工過程中,更應該根據(jù)現(xiàn)場情況,精心組織,對施工的全過程嚴格控制,采取各種手段預防混凝土開裂。
參考文獻
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