浅议公路钢筋混凝土裂缝成因分析-建筑设计论文发表

浅议公路钢筋混凝土裂缝成因分析
马长武
摘要：近年来，高速公路建设得到迅猛发展，高速公路在使用过程中不可避免的出现一些病害，尤其以混凝土桥梁的裂缝最为常见，在桥梁的后期养护中已成常见病害。为了进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识，本文笔者结合自己的工作经验，对混凝土桥梁裂缝的种类、产生的原因以及处理方法进行阐述。
　　关键词：公路；钢筋混凝土；裂缝；成因；
　　引言
　　由于建筑高度不大，整体性较好等特点，现浇混凝土工艺施工的钢筋混凝土连续板在高速公路的上跨线桥梁中得到了广泛应用。但是，一些已建的钢筋混凝土连续板桥，在使用中发现板体有过宽的裂缝，甚至有的在施工过程中就产生了裂缝，影响了桥梁的使用性能与耐久性。
　　1混凝土裂缝的成因及控制
　　裂缝是桥梁施工中最常见而又难以控制的通病，裂缝的发生影响了预制梁的质量，甚至危及桥梁安全。尤其是大跨径空心板梁，设计时为减小梁体自重而加大挖空率，常为薄壁箱型截面，裂缝的发展对构件安全更为不利。裂缝的成因众多，可能发生的范围较广。通过对先张法预应力混凝土空心板各种裂缝分析和研究，认为材料质量和施工工艺是形成裂缝的主要因素。
　　1.1混凝土的质量
　　配合比是混凝土浇筑时的主要控制指标，应对最大水灰比、含砂率及混凝土塌落度等进行控制，其值应经过现场实验比较确定。水灰比过大易造成离析，骨料下沉，水分泌出，导致顶底板级配相差大，顶板浮浆而发生收缩裂缝，冬季施工更易出现。水灰比过小，偏于保守，而实际上，水泥用量过大同样也易造成梁体各部位混凝土的干缩裂缝。
　　1.2混凝土的浇筑及养生对裂缝的影响
　　(1)混凝土的拌制及浇筑应在5—32℃之间进行，否则，混凝土因收缩和硬化而出现裂缝。
　　(2)加强混凝土振捣，尤其应保证梁端混凝土振捣密实，因混凝土振捣工序控制不当导致的裂缝是施工中最常见的。顶板混凝土不密实，在反拱、温差等综合影响下易引起顶板有规则的横向裂缝。底板和腹板混凝土振捣不密实，易引起底板或腹板的蜂窝和麻面，影响外观，也常引起表面不规则的细微裂缝。如果底板较薄，预应力度过大，预应力筋松张后，梁端顶底板所受瞬时压力较大，易引起梁端底板产生纵向裂缝。为此，设计时不能忽略梁端承压和抗剪要求，对梁端3m范围的底板应进行加厚及防裂配筋设计，梁端混凝土宜采用高标号小石子混凝土，利于振捣密实。
　　(3)气囊上浮造成的不利影响是较严重的，也是较常见的。大跨径空心板顶板和腹板较薄，气囊上浮幅度较大时很容易造成顶板厚度不够和露筋，影响顶板的受力安全。同时，顶板减薄后易产生混凝土收缩裂缝。为了有效控制气囊上浮，应适当加密和加粗橡胶气囊定位钢筋，在跨中局部应采用Φ12钢筋加强。同时，注意在浇筑至拆模的全过程中，应保持橡胶芯模气压恒定，一旦漏气，易造成顶板和腹板的裂缝，严重时可导致顶板混凝土塌落，整片梁报废。
　　1.3梁体温度变化不一致引起的裂缝
　　冬季先张法预应力混凝土空心板在较高温度下蒸养，一旦取消蒸养，梁体暴露于寒冷空气中，梁体顶部温度急剧下降，而下部温度变化较缓慢。梁体上下部温差将引起板梁两端向上翘曲，而底板受预加应力的约束，在翘曲和预加应力的共同作用下，导致顶板出现收缩裂缝。这种裂缝一般发生在顶板横向全宽，并可从两侧腹板顶部向下局部延伸，但一般不贯通顶板和腹板全厚度。为控制此类裂缝的发生，可在顶板或腹板适当增加纵向非预应力钢筋，以增加混凝土收缩时的抗拉能力，也可以采取其他相应措施，减小顶底板温差，减弱混凝土收缩和翘曲变形。
　　1.4温度变化过快引起的裂缝
　　降温速度过快造成梁体混凝土收缩，梁体内部产生收缩应力。升温过快易引起混凝土膨胀裂缝，顶板和腹板设计厚度较薄，配筋量较小时，难以抵抗收缩或膨胀变形而出现裂缝。为防止出现此类裂缝，除应严格按照规范要求进行工序控制外，可通过增加防裂钢筋，控制升降温速度等方式来减少裂缝出现也可以通过提前放张预应力束，对梁体施加预应力来防止膨胀裂缝的出现。
　　2工程概况
　　2.1裂缝概况
　　某桥钢筋混凝土现浇连续板的跨径为20m+4×25m+20m，板高1.2m，截面挖空圆孔直径为80cm，见图1所示。连续板采用40号混凝土，主筋为钢筋束筋(3Φ28)。板跨中截面计有25束，共75根直径28mm的钢筋。连续板施工完毕，尚未投入营运，在正弯矩区域的底板和腹板发生了较为严重的裂缝。重点检查了该桥
　　右幅第4、5、6跨连续板的腹板和底板部分，从现场检查情况来看，开裂较严重的是次中跨和中跨，即跨径为25m的钢筋混凝土连续板。第4跨即中跨，整跨在板L/4—3L/4范围内共有49道底板横桥向裂缝，并有4条顺桥向裂缝与横桥向裂缝连通。共有7条横桥向裂缝贯穿底板，其中有4条裂缝已经沿腹板向上发展。最大裂缝宽度达0.22mm。裂缝间距一般在20—30cm。第5跨即次中跨，共有5条横桥向裂缝贯穿底板，并向腹板延伸。在距5号墩支点9.5m处开始有并列3条贯穿底板的裂缝，间距大约为40cm。在号墩支点内侧附近发现有数条裂缝。最大裂缝宽度为0.2mm。裂缝间距一般为20—30cm。第6跨即边跨，连续板的底面表面共有3条横桥向裂缝。最大裂缝宽度为0.2mm。裂缝间距一般为30—40cm。由现场裂缝检查来看，在该桥施工后期，钢筋混凝土连续板就出现较多、较宽的表面混凝土裂缝。而且其发生的部位及裂缝的形态明显为受力裂缝。
　　2.2裂缝成因分析
　　除本文所述的这座钢筋混凝土连续板桥外，还调查了设计图纸完全相同的另一座钢筋混凝土连续板桥。现场调查发现20m跨径的钢筋混凝土板很少有可见裂
　　缝，但25m跨径的跨中区段都有正弯矩裂缝，但裂缝数量、裂缝宽度有所不同，上述的这座桥开裂较为严重。
　　(1)从设计对裂缝产生的原因进行分析。按照设计图纸，钢筋混凝土连续板在施工阶段是否可能受力开裂，是连续板裂缝分析的首要问题。根据桥梁钢筋混凝土结构计算理论，开裂与否主要取决于钢筋混凝土连续板截面的抗裂弯矩。
　　当截面作用弯矩值大于混凝土截面抗裂弯矩时，截面即会开裂。现行桥规建议的钢筋混凝土梁截面抗裂弯矩的计算公式为：
　　Mf=W0xrRbL r=S0W0r
　　式中：γ为受拉区混凝土塑性系数；S0为换算截面重心轴以下或以上的面积对重心轴的面积矩；W0x为对构件受拉边缘(使用荷载作用时)的换算截面抵抗矩；为混凝土抗拉标准强度。
　　由上式可见，钢筋混凝土抗裂弯矩仅与混凝土抗拉标准强度、截面配筋及截面有关，而与外荷载无关。按设计图纸提供的资料，该连续板采用40号混凝土，其弹性模量为3.3×104MPa，抗拉标准强度2.6MPa，容重25kN/m3。而实际混凝土强度经过超声—回弹、取芯等现场检测方法证明已达到施工规范要求。按设计图纸以及满堂支架上现浇全桥钢筋混凝土连续板施工工艺，计算该钢筋混凝土连续板各跨跨中截面上由自重(包括二期恒载)产生的弯矩，均小于抗裂弯矩。所以，仅在自重作用下，连续板设计上是不会产生弯曲裂缝的。
　　(2)施工温度变化对结构有一定的影响。温度变化包括年温差和日照温差引起的温度变化。其中年温差变化相对缓慢，对桥梁上部结构影响不大，而日照温差则往往是形成裂缝的主要原因之一。桥面板受太阳曝晒后，温度明显高于其它部位，温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用，导致局部拉应力较大，
　　
　　图1连续板结构图
　　因而温度(日照温差)作用不可排除。按现行桥规的温度模式计算各跨中截面由日照温差产生的弯矩，并与结构自重产生的弯矩进行叠加，所得到中跨、次中跨跨中截面的弯矩均超过了抗裂弯矩。
　　现场调查发现，连续板普遍存在沿裂缝渗出的水迹，在底板上特别明显。个别接缝处仍在继续往外渗水，这些积水是连续板浇注混凝土后滞留在板挖空部分中的养生水。连续板底部泄水孔堵塞，没有及时排除孔内养生水，现场捅开泄水孔，有大量积水流出，故考虑孔内积水为孔高的一半进行计算。孔内养生积水产生的弯矩加剧了混凝土连续板的开裂。因而，该钢筋混凝土连续板在无营运情况下会在中跨、次中跨跨中区段开裂，并且这种受力裂缝主要产生在连续板施工后期。
　　3结论
　　混凝土桥梁在施工阶段产生的裂缝，应根据设计、施工等方面的实际情况，以及裂缝发生的部位、形态，进行深入的结构分析，才能较好地判断裂缝产生的原因。现浇的混凝土连续结构，在设计中应对施工阶段进行详细计算与设计。对于混凝土连续梁板，一定要使泄水孔通畅，尽快排出养生水。钢筋混凝土连续板，最好不要采用粗钢筋的束筋布置形式，以避免施工阶段产生过大裂缝。跨径超过20m用钢筋混凝土连续板，应进一步从技术、经济角度上研究是否可行。
　　参考文献：
　　[1]JTJ041—89，公路桥涵施工技术规范[S].
　　[2]JTJ023—85，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
　　[3]徐光辉，胡明义.公路桥涵设计手册梁桥(上册)[M].北京：人民交通出版社，1996. 发表论文