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浅析桥梁矩形空心薄壁墩裂缝产生的原因与控制 摘要:在市政桥梁施工过程中,空心薄壁墩会出现各种质量问题,而最为常见的就是裂缝的产生,对桥梁的质量产生的了严重的影响,而影响裂缝产生的原因又及其复杂,必须对其有一个比较深入的研究。文章结合工作经验及具体工作实践分析了空心薄壁墩裂缝产生的主要原因,并对设计和施工方面的因素采取了具体的应对措施,以保证桥梁混凝土结构的整体性和耐久性。 下载 关键词:矩形空心薄壁墩;裂缝;施工;设计 中图分类号:U445.559文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)08-0142-03 1概述 随着市政桥梁施工技术的发展,越来越多的桥梁应用于矩形空心薄壁墩桥墩。虽然空心薄壁墩桥墩能够增大桥梁的横向刚度,但由于桥梁施工时混凝土在凝结、硬化和养生过程中,水泥水化产生的水化热使混凝土内部产生较大的温度梯度,桥墩在承台的约束下产生的温度应力较大,而且混凝土还要产生收缩,桥墩在承台的约束下产生收缩应力较大,如果这些应力超过混凝土能承受的限抗拉强度,就会在桥墩下部产生不同程度的开裂,影响结构的整体性和耐久性,危害性较大。因此,如何解决矩形空心薄壁墩墩身裂缝问题,高质量完成其施工建设任务,成为桥梁设计和施工人员必须考虑的问题之一,通过文章的总结裂缝主要有以下几种类型。由荷载效应(如弯矩、剪力、扭矩及拉力等)引起的裂缝。由荷载引起的裂缝一般是与受力钢筋以一定角度相交的横向裂缝,其中由于局部粘结应力过大引起的沿钢筋长度出现的粘结裂缝,也是荷载引起的一种裂缝,这种裂缝通常是针脚状及劈裂裂缝。由外加变形或约束变形引起的裂缝。外加变形或约束变形一般是混凝土收缩和温度差引起的,约束变形越大,裂缝宽度也越大。钢筋锈蚀裂缝。由于保护层混凝土碳化或冬季施工中掺氯盐(是一种混凝土促凝、早强剂)过多导致钢筋锈蚀,锈蚀产物的体积比钢筋被侵蚀的体积大 23倍,这种体积膨胀使外围混凝土产生相当大的拉应力,引起混凝土开裂,甚至保护层混凝土剥落,钢筋锈蚀裂缝是沿钢筋长度方向劈裂的纵向裂缝。对于上述的几种裂缝需要深入的分析其产生的原因,以便有针对性的采取不同的措施以控制裂缝的产生。 2裂缝产生的原因分析 2.1设计方面的原因 传统设计规范通常按结构承载强度进行配筋,其受力裂缝和收缩裂缝多可同时得到控制;但对收缩配筋没有做充分考虑,一旦超出一定范围,则仍有可能出现收缩裂缝。以往空心墩的结构设计, 习惯上注重按承载强度进行受力配筋, 而往往很少考虑对因温度、湿度引起的收缩变形问题;矩形空心薄壁墩结构形式一般为底部混凝土体积较大。因此,桥墩混凝土凝结固化时内部水化热及水化热温差梯度较大,养护时,内部通常采取灌水养护,外壁采用洒水养护,容易造成由于内外温度和湿度不一而引起混凝土收缩不均,进而导致收缩裂缝。 2.2施工方面的原因 施工方面的原因有很多,如配合比、沙石含量、温差等,但归结起来可视为混凝土因素。配合比不恰当,水泥用量偏多造成砂浆表面缺少细骨料的净浆,导致收缩率大,产生收缩裂缝;混凝土拌和不均、和易性差、坍落度控制不好,混凝土在拌和或运输过程中出现离析,导致混凝土强度不满足要求,抗拉强度不均匀,存在着许多抗拉能力很低、易于出现裂缝的薄弱部位;砂、石含泥量大,石子含粉尘量多,影响混凝土强度,粗集料选用不合适的塑性岩类,导致混凝土塑性大,也是导致塑性收缩裂缝的一个原因;混凝土过振致使粗骨料下沉而浆体上浮,致使混凝土构件顶部骨料少而浆体多,导致顶部混凝土的抗拉强度大大减小,而且浆体又有较多的泌水,随着水分的蒸发,构件顶部出现大量塑性收缩裂缝;高温日晒加快水分的蒸发,以及拆模后没有按要求进行及时的覆盖及洒水湿润养生,从而导致收缩裂缝;施工时模板刚度不足,在浇注混凝土时,由于侧向压力的作用,使得模板变形,产生与模板变形一致的裂缝;墩身结构尺寸相对较大, 混凝土冷却时表面温度低,内部温度高,在表面出现拉应力,在中间出现压应力,也容易导致裂缝的产生;混凝土硬化期间,水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,在表面引起拉应力,后期的降温过程由于受到基础或老混凝土的约束,又会在混凝土内部出现拉应力, 当这些拉应力超出混凝土的拉裂能力时,即会出现裂缝;气温低于 0 时,吸水饱和的混凝土出现冰冻,游离的水转变成冰,体积膨胀,因而混凝土产生膨胀应力,同时混凝土凝胶孔中的过冷水(结冰温度在-78 以下)在微观结构中迁移和重分布引起渗透压力,使混凝土中膨胀力过大,混凝土温度降低,并导致裂缝出现。钢筋锈蚀裂缝的产生,一般是由于施工中混凝土的保护层厚度不够,或混凝土不够密实,或早强剂、早凝剂掺入量过多引起的。 3工程概况 某城区高架大桥,全长410 m,1#、9#桥墩为矩形实心墩,2#8#桥墩为矩形空心薄壁墩,基础为挖孔桩。为了预防裂缝的发生,该工程主要从结构配筋设计、混凝土配合比、混凝土水化热和施工温度控制、混凝土养生等方面预防矩形空心薄壁墩裂缝。 4裂缝控制对策 4.1结构设计 4.1.1合理配制钢筋数量 增加矩形空心薄壁墩截面变化处的水平防裂钢筋,采用细筋密布布置,增大薄壁墩身的抗裂能力,降低裂缝宽度和减少贯通裂缝的出现。 由于墩底受压,因此横向湿缩缝不会出现,而多是因受压或湿缩而引起的竖向裂缝。横向箍筋正是为满足这种要求布设的,但其数量应能保证钢筋应力即使在因混凝土开裂而增大后仍不超越屈服强度,能使裂缝充分分散,数量多而宽度小,从而避免出现“非控制性” 的不可容许的少数宽缝。箍筋间距可以影响裂缝距离,设计中依次在传统空心墩设计的基础上,增加箍筋数量,减小钢筋间距。因此,除控制最小钢筋面积之外,还要控制空心墩中的箍筋间距。一般情况下可以代替控制荷载裂缝时的钢筋最大间距, 对于由约束收缩(干缩、湿缩)引起的裂缝必须限制钢筋直径,因此要保证钢筋直径。为了避免或分散混凝土裂缝,增设混凝土防裂网,该钢筋网与混凝土共同作用受力,改善混凝土工作性能。 4.1.2合理选择混凝土标号 在能满足结构强度的同时,降低墩身混凝土设计标号(该工程墩身混凝土标号选择C50),以减少水泥用量,并与承台混凝土设计标号一致,减少温差收缩不一致引起的内部应力以及约束应力引起的约束裂缝。 4.2控制混凝土原材料质量 水泥。水泥的发热量、使用量、干缩性都是决定混凝土干缩裂缝的重要原因。不同的水泥,甚至是同一品种、同一强度的水泥,如果生产厂家不同,其发热值、干缩值都有可能相差很大。经设计院同意,该工程墩身混凝土标号选择C50, 减小水泥用量,降低水化热,并方便配合比的配制。 细集料。提高砂的细度模数,并级配良好,其细度模数为2.83。特别控制砂的含泥量2%,因此,桥墩施工全部应选用质量稳定、性能良好的中砂。 粗集料。为了提高混凝土的抗拉伸性能,本工程采用带有棱角、有麻面的碎石,并严格控制含泥量、针片状颗粒含量及最大粒径。 外加剂。合理、 科学地使用外加剂,既能提高混凝土的均匀性和密实性, 也可提高混凝土的抗拉性和抗裂性。采用缓凝高效减水剂,不仅可以减少混凝土的水泥用量,而且还可以相应减少拌和水量,从而达到降低水热的目的。为了保证了在浇筑上层混凝土时,下层混凝土不至于初凝,且能延缓混凝土内部温度峰值的出现,其加入量为0.01%,并且保证初凝时间要在34 h之间。 掺加粉煤灰。在配合比中,加人粉煤灰,取代等量水泥,削减水化热的高温峰值。粉煤灰应满足II级粉煤灰要求,且对其进行检测,其主要技术指标符合国家标准。 4.3控制配合比 通过多次试配,该工程采用亲和性较好的水泥,缓凝高效减水剂,使混凝土的初凝时间达到34 h,坍落度每小时损失23 cm,具体配比为水泥:砂:碎石:水:外加剂=510:661:1079:170:3.06(其中砂率38%,外加剂掺量0.6%) 。 4.4计量准确 本桥混凝土拌和采用电子计量,拌和时间控制在 2.53 min,采用混凝土搅拌运输车运送,泵送入模,混凝土坍落度控制在 1416 cm。 4.5控制温度 本工程混凝土配料前,采用了以下措施来降低混凝土的浇筑温度: 调整混凝土浇筑时间。由于施工时持续高温,日最高气温达37,故选择在下午 5点以后浇筑混凝土。降低骨料温度。为了避免太阳直射,在集料堆上搭设凉棚;同时,喷洒冷水以冷却碎石,使碎石温度从30 35降低到30以内。降低拌和温度。在浇筑空心墩底部混凝土体积较大处时, 建议采用加冰屑拌和,冰的吸热量大约是水泥和集料的4.5倍,采用冰屑冷却水拌和,可以有效地降低混凝土混合料的浇筑温度。避免吸取外热。为了降低仓温,混凝土拌和前,提前用冷水冲洗拌和仓;混凝土浇筑前,也同样用冷水冲淋混凝土泵送管道;混凝土浇筑时,在模板外洒水冲淋。防止过早拆模混凝土浇注完成后 , 不要过早拆模,以防出现温度裂缝。在浇注初期,由于水化热的散发,表面会引起很大的拉应力。此时,表面温度比气温高,拆模后表面温度骤然下降引起温度梯度,从而在表面附加一拉应力,与水化热应力叠加,致使表面拉应力很大,就会导致裂缝。本桥墩身拆模时间控制在48 h,有效地消除了温度应力产生的裂缝。 4.6钢筋锈蚀裂缝控制 对于钢筋锈蚀裂缝,由于它的出现将影响结构的使用寿命,危害性较大,故必须防止其出现。钢筋锈蚀裂缝是目前正处在研究阶段的一种裂缝,在施工中应保证有足够厚度的混凝土保护层和保证混凝土的密实性,严格控制早凝剂、早强剂的掺入量,一旦出现钢筋锈蚀裂缝应及时处理。 4.7精心组织和安排施工 从搅拌站集中拌和的混凝土由混凝土运输罐车运至施工现场后, 由吊斗至串筒均匀入模, 浇筑过程中采用分层连续浇注,分层厚度为30 cm, 分层浇注时间不得超过混凝土初凝时间,防止出现施工冷缝。 采用一根50与两根75插入式振捣棒进行混凝土振捣,振捣时以主筋间隔依次振捣,振捣棒插入下层混凝土510 cm,振捣棒快插慢拔,防止漏振及过振,确保混凝土振捣到位、密实。 4.8注重混凝土养生措施 在混凝土浇注完成后,为了防止因拆模时间较长面水化热散发不及时,第二天早上拿遮阳网在主墩脚手架外围围护遮阳,并对钢模表面喷水,拆模后立即用较厚的吸水柔软的土工布包裹主墩新浇注的混凝土,对其进行不少于14d的持续喷水保湿养生。 另外,为了掌握混凝土强度变化情况,在施工现场增加3 d与7 d同条件养生抗压强度试件,并及时进行分析总结,持续改进。 5结语 通过实际观察,在上述措施完成之后,该桥梁的空心薄壁墩裂缝发现较少,说明以上措施是确实可行的,文章对空心薄壁墩裂缝作了一个追本溯源的分析,给相关设计及工作人员提供了参考,但在具体实践过程中还需结合工程的实际情况,分析裂缝的类型和产生的