對混凝土橋墩開(kāi)裂的原因及對策分析論文
摘要：
近年來(lái)，隨著(zhù)城市公路交通量的增加，公路、橋梁負荷上升、其承載力日趨飽和，考慮不少公路、橋梁采用混凝土結構，且大多為建國后所建，橋齡基本在40年左右，這些舊有橋梁很多都已出現老化、破損、裂縫等現象。大體積混凝土施工的關(guān)鍵問(wèn)題是控制混凝土溫度，防止混凝土裂縫的產(chǎn)生，因此，施工前要制定針對大體積混凝土施工的技術(shù)方案，即防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的預案。針對方形橋墩易于開(kāi)裂的問(wèn)題，本文通過(guò)對方形橋墩在設計、施工及運營(yíng)期間可能出現的裂縫原因進(jìn)行列述，并就施工期間水化熱、運營(yíng)期間的溫度驟降因素建立有限元模型進(jìn)行應力場(chǎng)分析，根據分析結果提出相應的處理對策。
關(guān)鍵詞：橋梁工程方形橋墩裂縫對策
引言：
根據相關(guān)病害調查，橋墩裂縫是混凝土橋梁最主要的病害形式之一：橋墩作為橋梁結構中重要的下部構件，不僅承擔著(zhù)上部結構及汽車(chē)等產(chǎn)生的豎向軸力、水平力和彎矩，有時(shí)還受到風(fēng)力、土壓力、流水壓力以及可能發(fā)生的地震力、冰壓力、船只和漂流物對墩臺的撞擊力等荷載的作用。橋墩墩身裂縫直接影響且損害其自身乃至整體橋梁（根據混凝土結構缺損狀況評定標準，墩臺部件權重約占全橋的50%）的安全性、實(shí)用性、耐久性和美觀(guān)。
裂縫形成原因歸結為溫度裂縫，溫度裂縫的走向通常無(wú)一定規律，大面積結構裂縫�？v橫交錯；裂縫寬度大小不一，受溫度變化影響較為明顯，冬季較寬，夏季較窄。高溫膨脹引起的混凝土溫度裂縫是通常中間粗兩端細，而冷縮裂縫的粗細變化不太明顯。此種裂縫的出現會(huì )引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低混凝土的抗凍融、抗疲勞及抗滲能力等。
1、裂縫成因。
分析橋墩病害的主要表現形式為：混凝土剝落、露筋、砌體風(fēng)化、灰縫脫落、水平裂縫、豎向裂縫、網(wǎng)狀裂縫、水平位移、傾斜、沉降等。其中，裂縫作為混凝土結構的主要病害之一，其成因復雜繁多，裂縫劃分無(wú)嚴格界限，每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要因素，其余因素對于裂縫起到繼續發(fā)展或加劇劣化的作用。常見(jiàn)的墩身裂縫形式包含：橋墩中心線(xiàn)附近的豎向裂縫、橋墩在日照時(shí)間較長(cháng)側的裂縫、橋墩模板對拉筋孔處的裂縫、橋墩模板分塊接縫處的裂縫、橋墩頂部環(huán)向裂縫以及混凝土表面細小、不規則的裂縫。究其開(kāi)裂原因，擬從橋墩的設計、施工及運營(yíng)使用三方面進(jìn)行分析論述。
�。�1）橋墩設計。
橋墩在設計階段，結構不計算或漏算、結構受力假設與實(shí)際受力不符，內力與配筋計算錯誤，結構的安全系數不夠、設計時(shí)考慮的施工可能性與實(shí)際情況出現差異等均會(huì )使橋墩在外荷載直接作用下產(chǎn)生裂縫。
�。�2）橋墩施工。
橋墩施工過(guò)程中，水化熱效應、施工工藝、材料自身等因素都會(huì )影響橋墩開(kāi)裂。
�、偎療��；炷翝沧⑦^(guò)程中水泥水化放熱，受混凝土自身的不良導熱性和混凝土熱脹冷縮性質(zhì)影響，橋墩內部溫度升高體積膨脹而外部溫度相對較低發(fā)生收縮，內外相互作用易導致橋墩混凝土外部產(chǎn)生很大的溫度拉應力，當混凝土抗拉強度不足以抵抗該拉應力時(shí)，會(huì )引發(fā)橋墩豎向開(kāi)裂。該類(lèi)裂縫僅存在于結構表面。
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在橋墩澆注、起模等過(guò)程中，若施工工藝不合理、質(zhì)量低劣，可能產(chǎn)生各種形式的裂縫，裂縫出現的部位和走向、裂縫寬度都因產(chǎn)生的原因而異：模板的傾斜、變形以及接縫都可能會(huì )使新澆注的混凝土產(chǎn)生裂縫；混凝土振搗不密實(shí)、不均勻，也會(huì )引發(fā)蜂窩、麻面等缺陷；混凝土的初期養護時(shí)的急劇干燥也會(huì )引發(fā)混凝土表面的不規則裂縫；混凝土入模溫度過(guò)高、施工拆模過(guò)早也會(huì )導致墩身開(kāi)裂。
�。�3）橋墩運營(yíng)。
橋梁在運營(yíng)階段，交通量的增長(cháng)、超出設計荷載的重型車(chē)輛過(guò)橋、鋼筋的銹蝕等都會(huì )影響橋梁墩柱及其它構件的裂縫開(kāi)展情況。當墩柱受壓區出現起皮或有沿受壓方向的短裂縫，則應特別注意，往往是結構達到承載力極限的標志。此外，環(huán)境溫度對橋墩等構件的開(kāi)裂影響也不容忽視，引起混凝土橋墩溫度變化的主要因素包括：年、月溫差、日照變化、驟降溫差等，尤其是入冬期間溫度驟降極易造成橋墩等大體積構件開(kāi)裂。
2、裂縫對策研究。
混凝土不可避免地帶裂縫工作，裂縫的存在和發(fā)展也將一定程度地削弱相應部位構件的承載力，并進(jìn)一步引發(fā)保護層剝落、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、持久強度低等，甚或危害橋梁的正常運行和縮短其使用壽命。因而，針對前裂縫在設計、施工及運營(yíng)階段可能出現的原因，進(jìn)行控制對策的研究，列述如下。
�。�1）設計階段。
在計算模型選取合理、橋墩強度、剛度、穩定性等滿(mǎn)足規范要求的條件下，可選擇尺寸較小的圓形截面橋墩，以一定程度地減緩減弱其溫度應力峰值，從而降低其開(kāi)裂風(fēng)險。此外，在橋墩四周加防裂鋼筋網(wǎng)，配筋除滿(mǎn)足承載力及構造要求外，應結合水泥水化熱引起的溫度應力增配鋼筋，以提高鋼筋控制裂縫的能力。
�。�2）施工階段。
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R.Springenschmid認為，混凝土的2/3應力來(lái)自于溫度變化，1/3來(lái)自干縮和濕脹。典型的波特蘭水泥會(huì )在開(kāi)始3天內放出約50%的水化熱�？梢�(jiàn)，水化熱是混凝土早期溫度應力的主要來(lái)源，過(guò)快過(guò)高的水化熱是早期開(kāi)裂的主要原因。針對水化熱效應，可采取以下措施以改善并控制開(kāi)裂情況：在滿(mǎn)足設計強度的前提下，盡可能采用圓形截面柱、盡可能采用低標號混凝土；采用低水化熱的水泥或摻粉煤灰的水泥或摻緩凝劑，其對改善混凝土和易性、降低溫升、減小收縮具有較好的效果，也可提高自身抗裂性。此外，對墩身內部布設冷水管以循環(huán)降溫。
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降低混凝土的入模溫度也是一項降低混凝土溫度應力的重要措施。一般的，混凝土從塑形狀態(tài)轉變?yōu)閺椥誀顟B(tài)時(shí)，澆注溫度越低開(kāi)裂傾向越小。過(guò)高的入模溫度會(huì )加劇了混凝土的早期溫升，使得溫度應力更大。
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橋墩的模板應具備足夠的強度、剛度和穩定性，可承受新澆混凝土的重力、側壓力以及施工過(guò)程中可能產(chǎn)生的各種荷載；混凝土的振搗密實(shí)、均勻，可有效防止收縮裂縫，不可過(guò)搗，否則造成混凝土離析；拆模不應太早，混凝土終凝后對墩柱表面應及時(shí)的保濕保溫養護，使水泥水化作用順利進(jìn)行，以提高混凝土的抗拉強度。主要養護方法包括：覆蓋養護、澆水養護、儲水養護和薄膜養護等。
�。�3）運營(yíng)階段。
運營(yíng)階段的抗裂措施應主要包含兩方面內容：對潛在開(kāi)裂隱患的控制和既有裂縫的修補控制。對于前者，若不考慮地震、撞擊等偶然因素的影響，橋梁在運營(yíng)期間的裂縫則主要跟環(huán)境變化相關(guān)。根據前文的溫度驟降影響分析，圓形截面柱的抗裂情況較另2者略?xún)?yōu)，因而，可優(yōu)先選擇圓截面柱作為橋墩的設計方案。
除此，可在溫度驟降前期或初期，于橋墩表面附加保溫材料或涂抹防護材料以削減溫度驟降帶來(lái)的影響。對于后者，雖然對橋墩混凝土的原材料、配合比及工藝等方面加強預防措施，但混凝土橋墩的裂縫仍不可避免。根據《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》規定，公路橋墩裂縫縫寬>0.15mm，鐵路橋墩裂縫縫寬>0.2mm以下的局部收縮裂縫，須進(jìn)行處理、修補。對于運營(yíng)期間出現的裂縫，由變形變化所引起的裂縫，其無(wú)承載力危險，可采用防水型化學(xué)灌漿技術(shù)作一般表面處理。
混凝土橋墩工程中，多屬于大體積混凝土工程，較易出現裂縫。只有在設計、施工、運營(yíng)各階段進(jìn)行科學(xué)、合理的運作，可減輕減緩混凝土的裂縫開(kāi)展。根據前文，相同體積情況下，滿(mǎn)足強度、剛度、穩定性要求后，圓截面柱較矩形柱受施工期間水化熱、運營(yíng)期間溫度驟降所引起的溫度應力小，因而建議橋墩設計采用圓截面。
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