预应力混凝土梁桥的裂缝成因及其对策

预应力混凝土梁桥裂缝成因及其对策预应力梁桥〔包括简支梁、连续梁、连续刚构〕目前是我国修建最多桥梁。在这些桥梁修建过程中与运营过程中，有时会发现梁体不同部位出现龟裂、横向、纵向与斜向裂缝。裂缝一但出现，轻那么影响构造耐久性、重那么直接影响构造承载能力，甚至危及构造平安，值得予以重视，并应弄清裂缝产生原因，首先采取措施预防裂缝发生，一旦裂缝发生，那么必须采取适当措施，予以及时观察监测与处理，以保证桥梁平安与耐久性能。］一、预应力梁桥裂缝种类及其原因1、预应力简支梁桥裂缝种类及其原因〔1〕龟裂预应力简支梁桥在预制时容易产生龟裂，其原因除了由于混凝土配比不适宜，个别混凝土浇筑不均匀外，在养护过程中洒水不及时，覆盖不严，采用蒸养时过快升、降温等均可能产生梁体外表龟裂。〔2〕纵向裂缝纵向裂缝多发生在运营期间，其原因除了张拉力过大〔设计不合理或施工超张拉〕夕卜，也与混凝土质量有关，如有一些铁路运营线上预应力混凝土简支梁，在运营10多年或20多年后出现沿纵向力筋裂缝，后通过调查确定为碱骨料反响导致混凝土承载力下降造成。由于这种裂缝处于主要受力钢束部位，极易引起纵向钢束锈蚀，对构造影响非常大。〔3〕横向裂缝横向裂缝多发生在运期间，超载、各种原因是预应力损失超过设计预想，都可能导致裂缝发生。此外，由于徐变上拱发生与开展，在梁上翼缘也会产生横向裂缝，特别对活荷载比重较大铁路桥梁更是如此，而且随徐变开展，裂缝也会开展，而当桥上荷载较大时，这种裂缝又会暂时闭合。〔4〕主拉应力方向斜裂缝这种裂缝一般发生在运营期间，且多在跨度四分之一附近区域腹板上，可以认为根本上是由于主拉应力方向抗裂平安储藏缺乏而造成。2、预应力连续梁及连续刚构桥裂缝种类及其原因〔1〕外表龟裂与预应力简支梁类似，这种裂缝一般是由于连续梁与连续刚构在施工过程中养护不及时或温度变化较大时产生。由于这类桥在国内大局部是采用悬臂灌注或支架法施工，高空养护条件比地面更差，极易因养护浇水不及时而造成混凝土外表干缩快，内部干缩慢，使外部混凝土受拉超过混凝土抗拉强度，产生开裂。此外，由于新浇筑混凝土暴露在高空大气中，周围环境温度过快变化，如施工过程中保温措施不力、水泥结硬过程产生水化热时发生骤然降温等，均有可能产生外表龟裂。〔2〕在跨度l/4附近出现斜裂缝这种裂缝一般是由于剪应力过大，主拉应力超过混凝土抗拉强度而造成，有时也与构造钢筋布置有关。当荷载增大时，裂缝会逐渐第2页向受拉区开展。在开裂严重情况下，缝隙可能沿腹板贯穿。〔3〕梁底沿纵向预应力贯穿裂缝这种裂缝一般是由于预应力或截面尺寸设计不合理，导致压力过大造成，有时与施工质量也有一定关系，有桥梁在施工过程中就发生了底板长距离贯穿开裂现象。〔4〕支撑处顶板或跨中底板横向裂缝这种裂缝一般是预应力设计不合理，梁在收缩徐变与钢束松弛影响下，弯矩最大截面混凝土受拉区出现超过混凝土抗拉强度应力，导致开裂。对于边、中跨比拟大连续梁或连续刚构，在边跨端部区域容易引起开裂，早期用顶推法施工预应力连续梁，由于设计配筋不合理，梁在顶推施工中构造受力与运营状态构造受力相反时，也容易出现横向裂缝，有桥在顶推过程中甚至出现贯穿截面裂缝，但这种裂缝在顶推就位后一般在反向受力下即可闭合。〔5〕梁全截面破坏性崩裂曾经有一座利用滑移支架法逐段施工预应力梁，在某阶段张拉只将要完毕时，锚下崩裂破坏，同时产生巨大冲击能，致使箱梁全截面开裂并发生错动。将近10m长梁体报废。经事后详细受力分析，找出事故原因是设计在箱梁底板布束过密，底板高度较小，锚下局部应力过大导致了混凝土压溃。二、预应力混凝土梁桥裂缝预防与处置对策1、龟裂预防与处置对策〔1〕对于收缩裂缝应注意合理配置适当构造钢筋，尽可能降低水灰比，并在混凝土浇筑后及时覆盖浇水养护，在枯燥环境下更应注意加强养生。〔2〕对于因温度变化过大造成裂缝，首先应选择低水化热水泥，合理配置构造钢筋；其次是对采用蒸汽养生梁，应严格控制开场升温与完毕时降温时间，按规定使梁体混凝土缓缓升、降温；在寒冷地区浇筑梁体混凝土时，要采用切实可行保温、隔热措施等。有时，新旧混凝土接缝处，沿接缝面中部垂直方向，由于新混凝土结硬水化热与已经结硬、冷却旧混凝土之间存在温差；同时由于旧混凝土龄期较长，收缩大局部完成，而新浇混凝土结硬时收缩受阻等原因也会引起混凝土开裂，这种情况应该尽量防止，假设必须如此，那么应采取增加构造布筋与其他适当减小温差措施。由于龟裂一般深入混凝土深度不大，裂缝宽度一般也较小，除对构造耐久性与美观可能有影响外，不会对构造当前受力造成影响，故可用外部涂刷或其他封闭法处理，以免减小钢筋保护层厚度，是钢筋容易遭受腐蚀。2、梁底纵向裂缝如前所述，梁底纵向裂缝一般来说是受力裂缝，所以，首先在设计时应合理拟定截面，确定适宜预应力度，对于较长跨度及桥面较宽情况，应尽量设横向预应力，此外，对锚下局部应力应给予足够重视，对超常规设计必要时应配合做锚下局部应力试验，以免混凝土受力过大。此外，对易发生碱骨料地区，应重视骨料选用以及施工用水化验，防止碱骨料反响发生。对于因截面或预应力设计不合理导致裂缝，应找出应力超过幅度，进展分析，假设应力超出不多，可用改性环氧混凝土将裂缝浇捣封闭，否那么，应采用加固截面或加体外预应力等措施处理。假设开裂非常严重，必要时应废掉重做。3、梁顶底面横向裂缝对于铁路简支梁在运营期间因徐变产生横向裂缝，一般因权衡活载上桥后下翼缘受力与徐变根本完毕后上翼缘在恒载单独作用下受力情况，以及梁竖向刚度要求，在可能情况下减小预应力度。对于一般连续梁或连续刚构桥，在设计必要时应做徐变试验，或预留张拉孔道，以便日后出现开裂时对梁受力进展调整，使裂缝闭合。对于在顶推法施工过程中开裂、顶推完毕后闭合裂缝，仍应采用环氧树脂予以封闭，以免在日后运营过程中因水汽或有害气体进入，腐蚀钢筋与高强钢束，影响构造平安及耐久性。对于在运营中发现横向裂缝，一般应采用改性环氧树脂封闭，或在梁顶、底面用碳纤维布粘贴加固方法处理。4、主拉应力方向斜裂缝在近年来，一些运营中预应力连续梁或连续刚构出现了主拉应力方向斜裂缝，应该引起注意。一般来说，由于连续混凝土构造存在次内力再分配问题，施工过程中影响因素又非常之多，在裂缝出现后要准确找出原因很困难，所以，在设计时首先应该合理地确定中、边跨比，注重跨度1/4剪应力与主拉应力检算，适当增加箍筋配置，对连续构造竖向预应力筋永存预应力核算，应充分考虑施工控制精度与工艺水平以及各项预应力损失，做到客观合理。5、梁全截面破坏性崩裂如前所述，梁全截面破坏性崩裂是一种灾难性事故，在造成工程构造与设备损失同时，有时还会造成人员伤亡，应全力防止。除在设计时详细核算截面整体受力外，还应对锚下局部应力检算予以重视，此外，施工中要从机具校验与操作工艺上严格把关，保证不超张拉。三、结语l、按照以往桥梁标准规定，预应力梁体混凝土纵向裂缝宽度不应超过0.2mm，在梁体竖向裂缝那么不允许出现。新修订公路桥梁设计标准那么对于一般环境下预应力梁体，规定其裂缝限值为0.1mm。而实际梁体一旦开裂，多数情况下裂缝宽度往往就已超过这些限值。所以，即使目前裂缝对结果受力不会造成影响，单从保证构造耐久性来讲，也必须对其进展处理。特别是对处于潮湿多雨与空气中有害气体含量较高地区桥梁，以及冬季必须在桥上撤除冰盐消冰地区桥梁，更是如此。对于因桥上超载引起裂缝，一般应详细分析超载情况，并根据未来荷载开展可能，综合考虑经济、社会影响等因素，决定是加固或对裂缝进展一般处理，或者废弃重修新构造。2、如上所述，预应力桥梁开裂是一个复杂问题，牵涉设计、施工、气候、运营期荷载及其运营养护等方面，所以，要从根本上减少以至根本消除梁体开裂现象，需要各个方面共同努力与配合，缺一不可。3、近年来，有些设计与咨询部门在对构造设计进展优化时，往往仅从理论出发，对一些构造截面尺寸与布筋进展了不适当消减，而没有综合考虑施工误差与工艺水平以及运营与养护实际情况,导致构造实际平安度与耐久性降低，在一些其他因素综合影响下，极有可能导致混凝土开裂甚或造成事故，结果有桥梁出事后处理费用非常之大，而且耽误了工期，有那么对构造耐久性造成了隐患，这种情况应该引起重视。由于与国外兴旺国家相比，我国工程构造平安度相对较低，所以，一般不应过分强调优化设计节省工程量，而应从构造平安及耐久性方面多予以考虑。4、凝土构造质量同所用骨料、砂质量及水泥品种有直接关系。因此，严把原材料关，是保证混凝土质量关键环节。此外，近年来在一些地区发生了较为严重碱骨料反响现象，其中有是运营10多年或更长时段梁，只是梁承载力大幅度下降，从而不得不换梁，这种现象必须引起重视，其对策是检验骨料，并剔除容易发生化学反映局部；限制水泥中碱分；添加火山灰类物质活性碱〔如粉煤灰或硅灰〕；细骨料级配应尽量偏于粒径粗大方面。碱骨料反响碱骨料反响是指混凝土中碱性物质与骨料中活性成分发生化学反响,引起混凝土内部自膨胀应力而开裂现象.碱骨料反响给混凝土工程带来危害是相当严重.因碱骨料反响时间较为缓慢，短那么几年，长那么几十年才能被发现.发生碱骨料反响需要具有三个条件:首先是混凝土原材料水泥、混合材、外加剂与水中含碱量高;第二是骨料中有相当数量活性成分;第三是潮湿环境，有充分水分或湿空气供给。碱骨料反响预防方法:碱骨料反响条件是在混凝土配制时形成，即配制混凝土中只有足够碱与反响性骨料，在混凝土浇筑后就会逐渐反响，在反响产物数量吸水膨胀与内应力足以使混凝土开裂时候，工程便开场出现裂缝。这种裂缝与对工程损害随着碱骨料反响开展而开展，严重时会使工程崩溃。有人试图用阻挡水分来源方法控制碱骨料反响开展，例如笔者见过日本从大孤到神户高速公路松原段陆地立交桥，桥墩与梁发生大面积碱骨料反响开裂，日本曾采取将所有裂缝注入环氧树脂，注射后又将整个梁、桥墩外表全用环氧树脂涂层封闭，企图通过阻止水分与湿空气进入方法控制碱骨料反响进展，结果仅仅经过一年，又多处开裂。因此世界各国都是在配制混凝土时采取措施,使混凝土工程不具备碱骨料反响条件。主要有以下几种措施。1、控制水泥含碱量自1941年美国提出水泥含量低于0.6%氧气化钠当量〔即Na2O+0.658K2O〕为预防发生碱骨料反响平安界限以来，虽然对有些地区骨料在水泥含量低于0.4%时仍可发生碱骨第8页料反响对工程损害，但在一般情况下，水泥含量低于0.6%作为预防碱骨料反响平安界限已为世界多数国家所承受，已有二十多个国家将此平安界限列入国家标准或标准。许多国家如新西兰、英国、日本等国内大局部水泥厂均生产含碱量低于0.6%水泥。加拿大铁路局那么规定，不讼是否使用活性骨料，铁路工程混凝土一律使用含碱量低于0.6%低碱水泥。2、控制混凝土中含碱量由于混凝土中碱来源不仅是从水泥，而且从混合材、外加剂、水，甚至有时从骨料〔例如海砂〕中来，因此控制混凝土各种原材料总碱量比单纯控制水泥含碱量更重要。对此，南非曾规定每m3混凝土中总碱量不得超过2.1kg，英国提出以每m3混凝土全部原材料总碱量〔Na2O当量〕不超过3kg，已为许多国家所承受。3、对骨料选择使用如果混凝土含碱量低于3kg/m3，可以不做骨料活性检验，如果水泥含碱量高或混凝土总碱量高于3kg/m3,那么应对骨料进展活性检测，如经检测为活性骨料，那么不能使用，或经与非活性骨料按一定比例混合后，经试验对工程无损害时，方可按试验规定比例混合使用。4、掺混合材掺某些活性混合材可缓解、抑制混凝土碱骨料反响。根据各国试验资料，掺S——10%硅灰可以有效抑制碱骨料反响，据悉冰岛自1979年以来，一直在生产水泥时掺5—7.5%硅灰，以预防碱骨料反响对工程损害。另外掺粉煤灰也很有效，粉煤灰含碱量不第9页同，经试验，即使含碱量高粉煤灰，如果取代30%水泥，也可有效地掏碱骨料反响。另外常用抑制性混合材还有高炉矿渣，但掺量必须大于50%才能有效地抑制碱骨料反响对工程损害，现大美、英、德诸国对高炉矿渣推荐掺量均为50%以上。5、隔绝水与湿空气来源如果在担忧混凝土工程发生碱骨料反响部位能有效地隔绝水与空气来源，也可以取得缓与碱骨料反响对工程损害效果。1裂缝形成原因荷载引起裂缝设计阶段，由于考虑不充分，计算简化模式与实际受力状态不相符；构造平安系数采用不当；构造刚度不够或钢筋设置有误。施工阶段，没有按照设计图纸施工，随意变更构造施工顺序；未对桥梁构造做施工时强度验算。使用阶段，超设计荷载重型车辆通过，外力及自然灾害影响。温度变化引起裂缝混凝土亦具有热胀冷缩特性，内外界发生温度变化时混凝土会变形，当外界约束产生应力超过混凝土抗拉强度时即会产生裂缝。由于四季温度变化使桥梁在纵桥向产生位移，当位移受限时即会产生裂缝。当外界条件发生急剧变化时，构造物外表温度发生快速改变,而内部变化较慢，由于内外温差较大而产生裂缝。冬季施工时温度变化，内外温度变化不均引起构造产生裂缝。根底变形引起裂缝地基冻胀。由于根底位于冻胀土层内，冬季含水率较高土冰冻膨胀，温度升高时冻土融化，地基出现沉降。北方地区此类情况比拟严重。地质资料不准确或天然扩大根底作用在差异很大土层内，由于地基土不均匀沉降而产生裂缝。道路二期工程扩建时，在原桥梁较近处重新修建新桥,新建桥梁根底处理时引起地基土重新固结而使原有桥梁根底产生较大沉降使构造产生裂缝。地质勘查及试验资料不准确，在这种情况下进展设计、施工已不符合真实地质状况，从而引起根底不均匀沉降使构造产生缝。钢筋锈蚀引起裂缝由于混凝土质量不好或混凝土保护层过薄，二氧化碳作用使钢筋周围混凝土碱性降低引起钢筋外表氧化保护膜被破坏，氧气、水、钢筋中铁离子发生锈蚀反响,使混凝土保护层开裂、剥落，沿钢筋纵向产生裂缝。因为钢筋锈蚀使钢筋有效面积减少，钢筋与混凝土握裹力减弱，使构造承载力下降，将引起更多裂缝，钢筋锈蚀加聚，从而导致构造破坏。冻胀引起裂缝吸水到达饱与状态混凝土，当外界大气温度很低低于0°C时，混凝土内呈游离状态水冻结为冰，由于水变为冰时体积会膨胀，混凝土会产生应力使混凝土强度降低，而出现裂缝。特别是当混凝土中含杂质过多，空隙较大时更容易产生裂缝。施工质量引起裂缝钢筋混凝土构造在浇注、运输过程中，由于未严格按照操作规程，造成施工质量低劣会产生各种型式裂缝。混凝土搅拌及运输时间长，混凝土中水分蒸发过多，使混凝土塌落度降低，使混凝土外表出现裂缝。混凝土分段浇注时，由于混凝土相接部位没有处理好，新旧混凝土之间或施工缝处就会产生裂缝。由于新技术不断开发应用,混凝土施工时更多采用泵送混凝土，此时为保证混凝土运送，水及水泥用量增加了，从而引起混凝土凝固时收缩量增大而产生裂缝。使用不当引起裂缝在使用上最主要是由汽车超载造成，汽车超载主要有以下几种情况：(1)早期建立桥梁已超过了设计年限或原来设计荷载较低,随着设计荷载与交通量不断增加相对于原设计超栽。(2)车辆违规超载，即车辆使用者违法超载运营。超载可使桥梁疲劳幅度加大，造成桥梁内部损伤，改变了桥梁原