桥梁薄壁墩台裂缝成因与预防论文
摘要:针对薄壁墩台施工过程中容易产生裂缝的问题,分析了裂缝形成的一般规律和原因,并进一步对薄壁墩施工过程中开裂现象提出有效防治措施。
关键词:桥梁;薄壁墩台;裂缝;设计;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
薄壁墩台是近年来小跨径的公路桥梁和高等级公路、城市道路的通道、跨线桥普遍采用的一种墩台形式,具有省工、便捷、造型美观等优点。河床不宽时,为减少桥长、节省造价,不让台前锥坡压缩河床,可采用靠河较近墩台身直立的桩基薄壁墩台,墩台下面设支撑梁,整个桥梁构成框架结构系统,由支撑梁平衡台后压力。
钢筋混凝土薄壁墩台凭其结构轻巧、美观,造价低廉,施工方便等优点在桥梁建设中得到了广泛的应用。而薄壁墩出现开裂的问题也就越显得突出。据分析,薄壁墩台产生的裂缝大多并非是受外力作用产生的荷载裂缝,而是砼在硬化过程中,由于温度变形、收缩变形等原因引起的变形裂缝。要解决薄壁墩台的裂缝问题关键在于预防,实践表明,只要措施得当,有害的变形裂缝完全是可以控制和避免的。
1裂缝形成的一般规律
1.1温度变形裂缝
混凝土在硬化过程中,拌合物中的水泥要产生大量的水化热,而构造物的表面由于受外界影响,温度下降较快,出现内外温差产生拉应力,当拉应力超过混凝土的抗拉强度时,就出现温度应力裂缝。环境温差的影响也会产生裂缝,一般在冬期施工时,白天的温度较高,而夜晚的温度下降较快,外部的气温与砼内部会产生较大的温差而导致出现裂缝。
1.2收缩变形裂缝
砼的收缩是一个长期的过程,最终收缩完成大约要20a,但是砼在硬化初期3 d～5 d的收缩最大,对砼的损害也最严重。收缩变形裂缝从时间上可分为塑性收缩裂缝和干燥收缩裂缝。
(1)塑性收缩裂缝。混凝土浇筑后,未硬化仍处塑性状态时就出现的裂缝。砼在浇筑成形后,表面的水被蒸发,而砼内部的水分通过泌水和毛细管的作用上升到表面补充,砼随着水分的蒸发而收缩。对含水量较大的砼(如泵送砼等)而言,表面水分较多,如果处在温度高、风速大和干燥的环境中,或者被模板及基础吸收,表面的水迅速被挥发或吸干,而内部的水分补充不及,造成表面体积收缩过大,而此时砼尚未有足够的强度抵抗,因而产生塑性收缩纹。
(2)干燥收缩裂缝。砼在硬化后,一般在3 d～5 d的时间,如果养护不足或处于高温干燥的环境,砼的收缩较大,而此时砼的水化热已达到或经过了最大值,砼的膨胀作用消失,砼开始整体地均匀收缩,受到外部约束时,砼会产生收缩应力,如果应力超过砼自身的抗拉强度,则会产生干燥收缩裂缝。
2裂缝形成的原因分析
2.1构 造
由于薄壁墩台的结构厚度较小,一般在60 cm～100 cm之间。厚度小,截面的抗拉能力低,大面积的表面由于温度和收缩的作用,产生的收缩力很容易超过混凝土的抗拉力,因而导致出现贯通的裂缝。薄壁墩台的底部设计一般与大体积的承台固结,承台与墩台之间由大量的钢筋联结,约束的刚度极大,造成墩台混凝土在变形时产生较大的应力,这也是形成裂缝的主要原因。
2.2材 料
水泥质量不符合要求,混凝土出现了离析与泛浆现象。骨料中含有泥土或使用了不符合要求的骨料,墩台身较高,混凝土拌和料从上往下卸落时,容易离散,并由于振捣困难,混凝土的均匀性难以得到保证,造成表面或局部位置的砂浆较多,收缩大而不均匀,引起收缩裂缝。
2.3环 境
薄壁墩台表面积大,混凝土受外界环境的影响明显,随着温度与湿度的变化,表面的水分容易蒸发,表面的温度降低较快,内外的温度差过大,表面收缩大,导致裂缝的形成。
2.4施 工
薄壁墩台身较高,钢筋稠密,混凝土搅拌不均或搅拌时间过长,水灰比过大,混凝土捣不充分,保护层厚度不够,硬化前受震动或荷载作用等。由于壁薄、钢筋密,为保证施工质量,混凝土的施工坍落度一般较大,以便于流动,对施工地面条件较差的墩台(如水中墩),常采用泵送混凝土,导致水泥、水和细集料的用量增大,增加了混凝土的收缩量。
3裂缝的预防措施
3.1设计阶段
薄壁墩台由于自身属容易开裂的结构,预防裂缝如能在设计阶予以详细考虑,解决结构本身的“先天不足”问题,将大大减少在施工阶段预防裂缝的难度。
(1)在满足受力条件的情况下,单幅薄壁墩台的横向结构设计宽度应尽量减小。宽度较大的薄壁墩宜在中间增设永久的`变形缝,减少横向的收缩量。
(2)适当增加水平钢筋的配筋率,特别在薄壁墩台的底部位置。在同等配筋率的情况下,建议采用小直径钢筋小间距布置,以增大薄壁墩台的抗裂能力。虽然配筋率的增大对防止裂缝的产生作用有限,但能降低裂缝的宽度和减少出现贯通裂缝。
(3)从预防裂缝的角度,在满足强度要求的情况下,砼的设计标号宜低不宜高。减少施工中的水泥用量和其它外加剂的掺量,并方便施工配合比的配制。
(4)在结构型式上考虑减少基础对墩(台)身的约束度,或采用一些新型的抗拉性能好的砼。
3.2施工阶段
从以上的工程实例和大量的事实表明,薄壁墩(台)出现裂缝主要是由于施工中对裂缝的认识不足和对预防措施不重视所致,往往在施工配合比设计、砼的浇筑和养护时,只注重达到砼的强度指标和其他设计的具体要求,忽略了对裂缝的控制考虑。根据裂缝形成的规律,结合以上实例分析结果,施工阶段预防变形裂缝的主要措施有:
(1)把裂缝控制作为一项重要的技术指标,精心做好砼的施工配合比设计。这是预防变形裂缝首要和根本的措施。①严格减少单方砼的水泥和水的用量,一般情况下水泥用量最好不超过350 kg/m3,可考虑采用掺加粉煤灰等活性材料,降低水泥用量和产生的水化热,掺加收缩性小的高效减水剂减少用水量。尽量通过粗、细骨料的良好级配达到设计强度。②采用较低的水灰比、砂率和施工的坍落度,宜采用较大粒径连续级配的粗骨料,尽量使用中粗砂。③外加剂(高效减水剂、缓凝剂等)的掺量不宜过大,更不能超过规定的合理范围,特别对那些收缩性能指标不明确的减水剂,更加要慎重使用。④考虑适当掺加膨胀剂增加砼的抗收缩能力。
(2)施工方案设计时,在施工场地条件允许的情况下,尽量采用普通砼浇筑,不宜采用泵送砼。虽然目前桥梁施工使用泵送砼已是发展趋势,但从预防变形裂缝角度看,特别对高标号或宽度较大的薄壁墩台的砼施工,应尽量使用普通砼浇筑。
(3)尽量缩短墩台身砼和承台砼浇筑的间隔时间,两者龄期差异不宜过大。
(4)在昼夜温差大的天气尽量不安排施工,在炎热天气要注意保持模板的湿润。
(5)严格控制砼水平浇筑,砼不能从高处直接卸落,可采用串筒或流槽等措施保证均匀进仓,并且振捣要充分。
(6)加强养护,宜采用麻袋覆盖淋水的方法养生,达到保温和保湿的作用,不宜采用直接淋水养护。在温差较大的天气,要设置专门的保温措施。建议采用在表面喷养护剂并覆盖麻袋淋水养生双重养护的办法,保证养护的效果。
4工程实例分析
4.1概 况
广西紫竹大桥主桥基础为桩基承台组合基础,薄壁墩为50#混凝土双壁墩结构,宽12.5 m,厚1.0 m,高19.5 m,分成3段(每段6.5m)浇筑砼,其中一个墩在第一段砼完成后,发现薄壁墩靠近桥中线处的两侧表面均出现两条竖向裂缝,裂缝从承台顶面向上延伸,缝长最大为3.6 m,缝宽在0.15 mm～0.2 mm之间,内外侧裂缝在平面位置上对应,估计已贯通。裂缝的形状及平面位置见图1。同时施工的另一个墩也发现裂缝,情况基本一致。出现裂缝后,经业主组织专家会议研究决定,对未施工的其它薄壁墩,主要采用增加一倍横向配筋率和24 h自来水养护的措施,但其它墩在砼完成后,还是发现有裂缝,虽然裂缝的宽度已大大减小,但条数增加到3～4条,裂缝大部分并不贯通。
4.2施工情况
广西紫竹大桥薄壁设计标号高(C50),采用的是泵送砼,坍落度大,施工配合比采用525#高标号水泥且水泥用量较大(达到510kg/m3),砼配合比的砂率和水灰比虽在正常范围,但使用了大量的高效减水剂(用量达到10‰,正常用量是3‰～6‰),并且浇筑砼时的温差也相对较大,砼养护采用不间断地流水养护。
4.3裂缝成因分析
薄壁墩裂缝一般在墩中间位置,缝较竖直,从承台底往上延伸,上窄下宽,裂缝间距较接近,可以认定是由收缩变形引起的,而裂缝出现初期是较微小的(折模后不容易发现),由于昼夜温差大,薄壁墩的养护的保温措施不够(未覆盖),在温差应力的作用下,裂缝进一步扩大被发现。而引起砼产生过大收缩的主要原因应是由于砼设计标号高达C50,又采用了泵送运输,砼配合比中水泥用量过大,为保证泵送的和易性和配制强度,在用水量和砂率不能按正常比例增加的情况下(水灰比及砂率大难以达到配制强度),通过添加大量的高效减水剂,使砼达到18 mm～20 mm的较大坍落度,造成砼在浇筑时容易离析和泌水,加上施工时卸料位置较高,形成在薄壁墩中间精骨料堆积,两侧砂浆较多的状况(这在后来凿开砼检查裂缝时得到了证实),振动较为困难,致使薄壁墩在横向收缩过大,而底部又受到承台的强大约束产生了收缩应力,应力值超过了砼硬化初期的抗拉强度,导致出现收缩裂纹。另外,对于C50高标号的砼薄壁墩,每幅12.5m的宽度显得过大,也是导致收缩过大的原因。
5结束语
近年来我国对基础设施建设的投入不断加大,桥梁施工技术也不断地进步,桥梁跨径也不断地突破,对结构的美观和耐久性要求也越来越高。墩台作为桥梁的不可更换基础部分,其耐久性尤其显得重要。薄壁墩作为桥墩的一种形式,由于其自身结构的特点和不足,在施工过程中,墩身开裂已成为一种常见病害,对桥梁的耐久性和美观都造成一定的隐患,因此在桥梁设计中,除了要满足强度和稳定的要求,还应该考虑各种因素的影响,计算桥墩截面尺寸和布筋等是否合理,计算施工过程中水化热对混凝土应力的影响等。同时,在施工过程中,更应该根据现场情况,精心组织,对施工的全过程严格控制,采取各种手段预防混凝土开裂。
参考文献
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