赣江泰和特大桥施工裂缝形成原因及控制措施

刘晓燕　黄婧

摘 要:针对赣江泰和特大桥施工过程中,荷载产生的裂缝、温度变化产生的裂缝、混凝土收缩引起的裂缝、施工工艺质量引发的裂缝和施工材料引起的裂缝做了较全面的分析和总结,并提出了相应的控制预防措施。

关键词:赣江泰和特大桥裂缝控制措施

中图分类号:TB21 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0065-02

近年来,我国在交通基础建设方面得到了高速发展,特别是大跨度预应力混凝土梁桥的应用。在混凝土桥梁的建造和使用过程中,有关因出现裂缝而影响工程质量,甚至导致桥梁垮塌的现象频频发生,钢筋混凝土出现裂缝的问题经常困扰着桥梁工程技术人员。其实,现代科学和大量的工程实践证明:只要采取一定的设计手段和施工措施,很多裂缝是可以预防甚至控制、避免的。赣江泰和特大桥裂缝的种类就其产生的原因,大致可分为:荷载产生的裂缝、温度变化产生的裂缝、混凝土收缩引起的裂缝、施工工艺质量引发的裂缝、施工材料引起的裂缝。下面就针对赣江泰和特大桥的施工裂缝产生原因作较为全面的分析和总结,并且从中探究出控制赣江泰和特大桥裂缝的有效方法来指导工程实践。

1赣江泰和特大桥工程概况

赣江泰和特大桥地处江西省泉州至南宁国家高速公路石城至吉安段,起于石城县东南10km处的赣闽省界五里亭,与福建境内永安至宁化高速公路相接,途经石城县、宁都县、兴国县和泰和县,终于泰和县以北11km处的石头山,与大广高速公路及泉南高速公路吉安至莲花段相连,全长190.719km。桥梁全长1900.20m,其中主跨为(48+4×80+48)m6跨变截面预应力混凝土箱型连续梁,全联长417.20m,横截面为单箱单室箱型截面,箱梁顶宽10m,底宽5.2m,桥面全宽11.3m。主桥为(100+155+100)m,采用悬浇梁施工,左、右幅各有悬浇段19节,合龙段1节。

2赣江泰和特大桥施工裂缝的种类及控制措施

2.1 荷载产生的裂缝及控制措施

赣江泰和特大桥在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝。归纳起来主要有弯曲裂缝、剪切裂缝、断开裂缝、扭曲裂缝和局部应力引起的裂缝[1]。例如此桥梁若干桥台的1/3处出现明显的贯通桥台的水平裂缝,发生在桥台(超过4m位置)的薄壁台中,据此裂缝的发生位置分析得出,桥台的1/3处作为桥台悬臂梁模拟压力受力时的最大弯矩点,多数由于桥梁台后填土较高,土质为液性低黏性土,类似软土地基,排除设计缺陷和施工期间发生的可能,应该在桥面板安装后,在车辆活荷载及软土自然下沉作用下共同引起台背软基滑移,导致桥台受力模型拟为简支梁,桥台1/3处的裂缝实际为剪力缝。上述水平裂缝若贯通则极易引起混凝土突然开裂,钢筋在长期屈服应力状态下受力,不仅会大大缩减结构使用年限,同时存在很大的安全隐患。在施工过程中,如果一旦出现斜裂缝,就应立即加强观察。如裂缝发展缓慢并只限制在受拉区,裂缝宽度在限值以内,此时的斜裂缝还被允许;如果裂缝不断发展或者裂缝超出受拉区,则不论其宽度和长度的大小,都应及时施加必要的加固处理。

控制荷载裂缝的措施有以下几点。

(1)赣江泰和特大桥在建造时期,要正确恰当放置施工使用器械和材料;在受力的预制结构不明了的情况下,严格控制结构的活动情况;要按照图纸的设计和规定的施工程序施工;另外还要针对结构做施工机具振动条件下的疲劳强度验算等。

(2)桥梁在荷载作用下常常由于应力集中而产生裂缝,为了避免赣江泰和特大桥此类裂缝的产生,施工阶段不得随意在桥梁结构中凿槽、开洞、设置牛腿等。

2.2 温度变化产生的裂缝及控制措施

温度是影响产生粗裂缝的重要原因之一,主要出现在钢筋配备薄弱的位置。与温度引起的内应力及约束应力的大小与温差有关,特别是与昼夜间的变化关系最大,当然温度变化的速度(例如冷却的速度)也是关键,桥梁上严重损害的裂缝往往发生在气候条件最差的时候。赣江泰和特大桥多数表现为桥的薄壁台和耳墙部位中,发生的数量和位置均无明显规律,与桥台高度也没有呈现量的关系,另外,由于桥台横向长度较长,高速公路单幅长度有的甚至达到20m,尽管预留了沉降缝,但是受温度变化的影响依然存在,施工期间便产生了此类非结构裂缝。

控制温度裂缝的措施有以下几点。

(1)通过减小混凝土内外温差、降低水泥水化热来防止混凝土由于收缩和膨胀产生的温度应力超过混凝土强度,可以有效的防止产生温度裂缝。提高骨料的级配,使用干硬性的混凝土或者添加混凝土添加剂等措施,可以降低水泥的使用量;使用冷水搅拌混凝土,冷却的碎石可以降低混凝土浇筑时的温度;若果在混凝土浇筑时环境温度较高,可以降低浇筑厚度,通过浇筑表层散热;可以将通过冷水的水管埋设在混凝土中来降低温度;统一恰好的拆模时间,规定合理的拆模时间,为避免混凝土表面发生急剧的温度变化,在气温骤降时应对表面保温;遇寒冷季节,施工中长期暴露的混凝土浇筑体表面或薄壁结构应采用保温措施。

(2)保证合理地安排施工工序,防止高差超标和侧面长期暴露;为避免基础过大起伏应合理分缝分块。另外,可以通过改善混凝土的性能,提高抗裂能力,防止表面收缩。这对防止裂缝的产生有十分重要的作用,由于出现贯穿裂缝后要恢复其结构的整体性是十分困难的,因此施工中应以预防贯穿裂缝的发生为主。

(3)新浇筑混凝土早期拆模很容易导致温度冲击现象。在混凝土浇筑初期,水化热的散发会在表面引起相当大的拉应力,此时,表面温度必定过高,如为了提高模版的周转率而在此时拆除模板,混凝土表面温度骤降,必然引起温度梯度,从而在表面附加拉应力,加上水化热应力,再加上混凝土干缩,表面产生过大的拉应力,极易产生裂缝。当混凝土温度高于气温时应考虑拆模时间,避免温度超标导致混凝土表面产生早期裂缝。但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料(如塑料薄膜),可以有效防止早期裂缝的产生。

2.3 混凝土收缩引起的裂缝及控制措施

混凝土的收缩包括两点:(1)水泥的水化产物在凝固反应后体积变小。(2)混凝体的体积会随着硬化过程中水分的蒸发而减小。因为混凝土由外到里逐层干燥,内部形成含水分布阶梯,造成外表收缩程度大,内里收缩程度小的收缩不均匀。进而导致混凝土的外表承受拉力,内部承受压力的现象。如果外表拉力大过混凝土抗拉强度时,就容易出现收缩裂缝。

赣江泰和特大桥多处在Ｔ梁、箱梁腹板与顶底板交接位置,因硬化前沉实不均匀产生混凝土表面顺腹板方向的裂缝。发生在施工过程中的收缩裂缝主要是塑性收缩裂缝,混凝土在浇注后的4h～5h内水泥水化反应尤为激烈,水分急剧蒸发,混凝土失水导致收缩,同时骨料下沉,在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡,便形成沿钢筋方向的裂缝。

控制收缩裂缝的措施主要有以下几种。

(1)统一规定水泥种类、标号及用量。矿渣、快硬、低热等水泥混凝土收缩性较高,普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。另外水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越大,则混凝土收缩越大,且发生收缩时间越长。故应根据构件厚度选择水泥品种。

(2)采用合适的骨料品种。骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低;而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大、收缩性较高。另外骨料粒径越大砂率越高收缩越小,而含水量越大,表现为水泥浆量越大坍落度越大收缩越大。

(3)减少用水量,从而减小水灰比。

(4)合理选用外加剂和掺合料。外掺剂保水性越好,混凝土收缩越小。

(5)养护措施正确。正确的早期养护尤为重要,可以促使混凝土的水花反应加速,产生强度较高的混凝土。高湿度、低温度的长时间养护过程,可以使混凝土的收缩减小。还有整齐的养护方式同样可以减少混凝土的收缩。养护过程中湿度和温度是影响混凝土收缩最重要因素。浇注后立即覆盖,浇水保湿,同时保温、防风,可较好地控制混凝土收缩裂缝。

(6)环境湿度越小收缩越大;早期养护时间越长,收缩越小;混凝土暴露面越大,收缩越大;风速越大,收缩越大。

(7)振捣利用机械进行操作。机械振机械振捣混凝土的收缩性比手工小。振捣最好在5～15秒/次,具体时间长短根据机械本身性能判断。时间过短,容易造成振捣不够密实,今儿混凝土凝固不均匀或者强度不够;时间太长,造成分层,粗骨料沉入底层,细骨料留在上层,强度不均匀,上层易产生收缩裂缝。

2.4 施工工艺质量引发的裂缝及控制措施

在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中,如果不按照规定的施工方法和质量要求进行施工,可能出现各种方向和不同程度的裂缝。裂缝的位置、宽度和方向手产生原因的影响。

控制施工工艺质量引发的裂缝的措施主要有以下几点。

(1)严格控制混凝土震捣速度,过快容易使得流动性降低。如在混凝土硬化前沉实不足硬化后沉实过大,浇筑数小时后容易产生塑性收缩裂缝。

(2)正确恰当的规定混凝土搅拌和运输的时间,水分的蒸发会随着时间增长而增多,降低混凝土的塌落度,混凝土容易出现不规则的收缩裂缝。

(3)严格控制混凝土保护层厚度,厚度过大或上层钢筋被踩压变位,易使承受负弯矩的受力钢筋保护层加厚,导致构件的有效高度减少,形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。

(4)在混凝土分层或分段浇筑时,按规范处理接头部位,防止在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。

(5)施工时严格控制拆模时间,若拆模过早,混凝土强度不足,容易使构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。

(6)施工前保证支架压实充足,支架刚度满足要求。

2.5 施工材料引起的裂缝及控制措施

混凝土的主要成分有水泥、粗细骨料、水、矿物掺合料和外加剂。若其组成成分的出厂质量不合格,混合时比例、顺序发生错误,都会造成结构出现裂缝。例如水泥出厂强度不足或水泥受潮、过期,都会导致混凝土强度不足而产生裂缝。

如下是几种比较常见的裂缝形成原因。

(1)水泥安定性不合格。因水泥生产中原料未烧透,成品中残留游离的氧化钙、氧化镁,若其含量超标。由于氧化钙、氧化镁在凝结过程中水化速度很慢,在水泥结硬后仍然继续起水化作用,可引起已硬化的水泥石内部产生张力,严重者使混凝土开裂或崩溃。

(2)当水泥中碱性氧化物含量较高(超过0.6%),同时又使用含有碱活性的砂、石骨料,可能导致碱骨料反应,引起混凝土开裂。

(3)混凝土粗细骨料的粒径大小、级配、杂质含量、空隙率都会严重影响混凝土的强度,若级配不良孔隙率大都将导致水泥和拌和水用量过大,影响混凝土的强度,使混凝土收缩加大。如果使用超出规定的特细砂,后果更加严重。

(4)砂石中云母的含量较高,将削弱水泥与骨料的粘结力,降低混凝土强度。砂石中含泥量高,不仅将造成水泥和拌和水用量加大,而且还降低混凝土强度和抗冻性、抗渗性。砂石中有机质和轻物质过多,将延缓水泥的硬化过程,降低混凝土强度,特别是早期强度。

保证混凝土材料合格,改进现浇混凝土的施工工艺,根据混凝土主要技术指标及现场施工条件,选择合适的水泥和集料,并严格控制水灰比,就可以有效地防止由于施工材料质量问题引发的裂缝。

3结语

赣江泰和特大桥施工裂缝的原因复杂而繁多,涉及到荷载、材料、温度、施工环境、管理等多方面的因素,甚至多种因素相互影响。因此必须严格按照国家技术标准进行设计,规范施工,认真总结经验,采用科学的施工方法、先进的施工工艺以及合格的建筑材料,加强混凝土养护,防止出现混凝土桥梁施工裂缝是可以做到的。

参考文献

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