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摘 要:本文基于笔者多年从事桥梁设计工作,结合工程实践,以工程实例为研究对象,论文首先分析了大多数薄壁式桥台裂缝的状况,进而探讨了其成因,在此基础上,给出了具体的预防措施,最后,笔者探讨了处理思路,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,希望能给从事相关工作的同行提供参考和借鉴。
关键词:薄壁式桥台裂缝预防处理
中图分类号:U442 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)05(a)-0054-02
薄壁式桥台作为一种轻型桥台结构型式,相对于重力式、柱式、肋板式桥台,具有基坑开挖土方少、混凝土材料使用少、台前防护工程量少等优点。但是薄壁式桥台在施工过程中对混凝土浇筑和养护等方面有一定要求,否则很容易出现竖向裂缝。虽然这种竖向裂缝的产生虽不至于影响结构的安全,但是会导致水分的侵入,引起内部钢筋锈蚀、膨胀进而造成混凝土剥落,形成恶性循环,大大降低桥梁结构的耐久性。为解决这一问题,设计上可采取加密钢筋、加大钢筋直径以及采用螺纹钢等措施,更多的还是要加强施工控制,如降低混凝土水灰比、合理选择混凝土浇筑时间和加强养护等。
1裂缝状况
1.1 工程实例
海门市大新河桥跨径布置为2×10+16+2×10m,桥梁总宽26米,分上下行两幅桥,单幅桥宽12.50m。该桥上部结构为混凝土简支板梁,下部结构为桩柱式桥墩、薄壁式桥台,灌注桩基础。
桥台承台断面为1.60×1.0m,台身厚0.60m,高度为3.588～3.848m,台身和承台全长26m,中间设置一道伸缩缝。
两座桥台台身在浇筑后一周开始发现裂缝,先浇筑的东侧台身两侧均出现7道裂缝,后浇筑的西侧桥台一侧7道裂缝,另一侧是6道裂缝,裂缝最小间距2.30m,最大间距3.88m,平均间距在3m左右。裂缝由台身与承台交接面开始,呈下宽上窄,说明该裂缝是由下而上发展的。通过检测,裂缝均为表层裂缝,裂缝宽度在0.05～0.15mm之间,裂缝深度在0.21～0.25mm之间,裂缝在台身两侧基本对称,但除个别裂缝为通缝外,基本未贯通台身厚度。
1.2 裂缝状况
薄壁式桥台台身裂缝由基础或承台顶部开始,由下而上延伸。裂缝宽度不等,一般在0.1～0.5mm之间,下宽上窄长度约为构造物高度的1/3～2/3;也有少数通缝现象,但均发生在高度较矮的构造物上,这时构造物高度一般小于3m。构造物越长,裂缝的数量越多,裂缝间距在3m左右,起始桥台与终点桥台或箱涵涵身(两侧墙)的裂缝位置相互对应。
2 裂缝产生的原因
钢筋混凝土裂缝不外乎以下几种,即沉缩裂缝、温度裂缝、干缩裂缝、化学作用裂缝和结构性裂缝,结构性裂缝又分为应力裂缝和施工因素裂缝。钢筋混凝土薄壁式桥台竖向裂缝的形成可归为温度影响、混凝土收缩及特定的施工因素等共同作用的结果。
上述工程实例的台身竖向裂缝是在台身混凝土浇筑完成后,但其上部构件(台帽)尚示浇筑且台后基本无填土的情况下产生的,由此可知,该台身竖向裂缝不是因外荷载引起的。若是因地基(承台)不均匀沉降引起的竖向裂缝,此类裂缝通常是贯通整个台身厚度的,但根据裂缝检测,该台身裂缝为表层裂缝,未贯通台身厚度,由此推测,该裂缝也不是由不均匀沉降引起的。
2.1 混凝土浇筑施工环境温度高
关于热期混凝土施工温度限制以前强调的不多。在这方面日本规定是宜低于30℃,并不得高于35℃;美国规定是不得高于32℃;我国新公路桥涵施工规范规定:混凝土的浇筑温度应控制在32℃以下,宜选用在一天温度较低的时间内进行。上述原则被有些施工部门忽视或突破。钢筋混凝土薄壁式桥台这种结构大体积混凝土的特性较为明显,虽然可不必采取在结构内设冷水管用以降低大体积混凝土内由于水泥水化热而升高温度的措施,即使没有突破上述规定而在温度较高时浇筑混凝土时也应采取相应的降低施工环境温度的措施,这一点并没使所有施工部门引起注意,上述工程实例的施工季节时值初夏,浇筑桥台前两天又正值突然升温,当时白天最高气温达30℃左右,且施工单位是在下午2点进行的台身混凝土浇筑,给结构裂缝的产生留下隐患。
2.2 混凝土水化热和干缩的影响
钢筋混凝土薄壁式桥台的台身厚度一般为50～70cm,高度大于2m,长度一般都大于10m,此类结构可视为直立大面积混凝土厚板,这类构造物大体积混凝土特性比较明显,由于其内部水泥水化热导致的混凝土升温是不能忽视的,它给热期施工的混凝土起到热上加温的效果。混凝土的线胀系数约为5.4-14.4×10-6/℃,一般可取10.8×10-6/℃,较高温度的现浇混凝土在硬化时将产生很大的温差,这将导致结构物产生较大的收缩,甚至中午浇筑的混凝土晚上即可因收缩而开裂,一般混凝土收缩值在0.03%～0.04%时就会引起开裂。
硬化后的混凝土在干燥时的收缩率为0.05%～0.06%,水灰比大的混凝土收缩更大。当混凝土的收缩率为0.05%时, 6m长的构件会收缩3mm,处于受约束的构件则会开裂;弹性模量约2.1×105kgf/cm2的混凝土在应变0.05%时将产生相当于混凝土极限拉应力的3倍。
由于上述的大温差和干缩共同导致的混凝土开裂单靠所配置的钢筋去解决是十分困难的。更主要的因素是台身是浇筑在已成品的承台上,当混凝土降温及收缩时受到承台的约束,其内部产生很大的拉应力,因而导致结构产生裂缝。由于在这个过程中受约束的是结构物下部,其上部仍处于自由状态,因此其产生的裂缝是由下而上、并且下宽上窄。
2.3 水泥用量过多
由于薄壁式桥台厚度相对小,高度较大,钢筋设置又较密,给混凝土浇筑捣实增加了难度,易使薄壁墩(台)出现蜂窝、麻面、露筋甚至烂根的事件,以至有些构造物不得不推倒重来。施工部门为克服上述现象,通常都增大新拌混凝土的流动性。混凝土拌和物的流动性随着温度的升高而减小,温度升高10℃坍落度大约减小20～40mm,热期施工这一矛盾更为突出。为了解决上述问题,保证混凝土拌和物能有令人满意的流动性,就必须增加水泥浆用量,进而导致水和水泥用量的加大。水泥用量的加大直接结果就是水化热加强而导致混凝土升温,这就为温差裂缝的产生创造了条件。而水和水泥的用量增多,又增大了混凝土收缩的可能性。
3 预防措施
3.1 设计
钢筋混凝土薄壁式桥台台身尺寸较大,是大体积混凝土特性较明显的大面积混凝土板,混凝土温度变形和收缩变形对其影响是极不利的,更主要的是在高温干燥环境下施工,其变形又受基础和承台的约束,因此易产生裂缝也是不奇怪的。为防止裂缝的产生,首先设计上要采取相应措施。
3.1.1 设定施工要求
设计文件中应强调这种结构施工过程中一些必须满足的要求,尤其要强调混凝土浇筑时间、混凝土的水灰比要求以及养护的具体施工要求。面对目前中小桥涵施工队伍较杂、技术水平参差不齐的现实,这种强调是必要的。
3.1.2 设置抗裂鋼筋和伸缩缝
设置抗裂钢筋和伸缩缝是防止钢筋混凝土开裂的一般做法。配置分布均匀的细钢筋比同样含钢量的大间距粗钢筋更有好的效果。设置伸缩缝主要是放松基础约束的一种措施伸缩缝的长度可由基础和承台顶表面开始至台(墩)身顶部(不含台帽)。这既可保证桥涵下部的整体受力特性,又可防止台身裂缝的产生。有资料表明:混凝土结构自身收缩程度与其体积和表面积之比值成反比关系,这一特性在混凝土龄期14d以前尤为明显。也就是说,对于薄壁式钢筋混凝土桥台结构来说,其厚度较小者比较大者易因混凝土收缩而产生开裂,桥台设计时应充分考虑钢筋配置、伸缩缝设置及施工难易等因素,厚度70cm优于50cm。
3.2 施工
(1)避开高温下施工高温下施工现浇混凝土既有很多潜在的不利因素又增加施工过程的内容和施工成本,因此在做施工组织计划时尽量使薄壁式构件现浇混凝土施工避免在高温干燥季节时进行。如果客观条件不允许,具体施工时也应避开一日之内的高温时间,而在一日内温度最低时进行,如可在夜间进行。
(2)采取降温措施在高温下现浇混凝土应有全面的组织计划、准备工作充分、施工设备有足够的备件并事前做好检修及保养,保证连续进行;从拌和机到入仓的传递时间及浇筑时间要尽量缩短,并尽快开始养护。
浇筑及拌和场地应遮荫以降低模板、钢筋、拌和机械、骨料、水泥的温度,不得使用刚出厂的水泥;在浇筑前可在模板、钢筋和地基上喷水以降温,但在浇筑时不能有附着水;用冷水或有条件亦可用冰水拌和混凝土;也可结合大体积混凝土施工的一些要求进行施工,并加快浇筑后混凝土的散热。
(3)降低水泥水化热升温及改善混凝土品质。降低水泥水化热的常规措施是:选用矿渣或火山灰质早期低热水泥,最好是矿渣水泥;利用混凝土后期增长强度,减少早期升温;掺粉煤灰混合料减少水泥用量;掺减水剂等外加剂复合使用,防止高温下坍落度的损失,避免增加水和水泥的用量。
4 裂缝的处理
(1)恶劣工作环境下的裂缝修补
所谓恶劣环境是有腐蚀气体、液体侵入可能;潮湿或沿海地区;有反复冻融的条件等。裂缝的存在给气体、液体侵入形成一个通道,因此在恶劣条件下必须修补这些裂缝以阻断这些通道,保证构件的防腐蚀能力。①当裂缝宽度小于0.2mm时,此时裂缝可用环氧树脂浆液或水泥浆液进行表面封闭,即涂抹法;裂缝很深时,宜用甲基丙烯酸脂类浆液或低粘度环氧树脂浆液灌注。②当裂缝宽度大于等于0.2mm时,此时宜用环氧树脂浆液灌注。③当裂缝宽度大于1mm时,可用微膨胀水泥浆液修补。修补前,应在裂缝表面涂刷一层水泥浆界面剂。
(2)一般工作環境下的裂缝修补
所谓一般工作环境是有别于上述恶劣工作环境的客观条件,此时裂缝的处理可放宽一些。当裂缝小于0.05mm时,可不做处理,但对裂缝较深或处理并不难时,还是用涂抹法封闭处理为好。当裂缝宽度小于0.3mm时,此时处理方法同上述。①所述方法相同。当裂缝大于等于0.3mm时,此时处理方法同上述。②所述方法相同。当裂缝宽度大于1mm时,此时处理方法同上述。③所述方法相同。对于活动裂缝,即处于继续发展而未稳定的裂缝,应在裂缝停止发展后进行修补处理。至于裂缝修补的材料和施工的具体要求可遵循目前土木工程行业习惯使用的方法即可。
5 结语
总之,薄壁桥台的竖向裂缝产生是多种因素综合作用的结果。这些裂缝的存在虽然目前乃至以后一段时间内不会影响其结构功能及承载能力,但是这些裂缝如不能停止发展或得到妥善处理,必将对构造物的耐久性造成不利影响,特别是当构造物受到有害气、液体侵蚀或处于潮湿、冰冻环境及沿海地区这一矛盾显得更为突出。一些发达国家因为混凝土构造物的耐久性缺陷每年消耗巨资用于构造物的养护足以证明这一问题的重要。因此,此类裂缝还应引起各部门的重视,只要在施工时采取适当完善的措施,此类裂缝是可以避免发生的。
参考文献
[1] 张文江.钢筋混凝土薄壁式桥台裂缝成因分析[J].科技资讯,2009(2).
[2] 李军,剌建东.钢筋混凝土薄壁式桥台的计算与应用[J].科技创新导报,1994(1).
关键词:薄壁式桥台裂缝预防处理
中图分类号:U442 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)05(a)-0054-02
薄壁式桥台作为一种轻型桥台结构型式,相对于重力式、柱式、肋板式桥台,具有基坑开挖土方少、混凝土材料使用少、台前防护工程量少等优点。但是薄壁式桥台在施工过程中对混凝土浇筑和养护等方面有一定要求,否则很容易出现竖向裂缝。虽然这种竖向裂缝的产生虽不至于影响结构的安全,但是会导致水分的侵入,引起内部钢筋锈蚀、膨胀进而造成混凝土剥落,形成恶性循环,大大降低桥梁结构的耐久性。为解决这一问题,设计上可采取加密钢筋、加大钢筋直径以及采用螺纹钢等措施,更多的还是要加强施工控制,如降低混凝土水灰比、合理选择混凝土浇筑时间和加强养护等。
1裂缝状况
1.1 工程实例
海门市大新河桥跨径布置为2×10+16+2×10m,桥梁总宽26米,分上下行两幅桥,单幅桥宽12.50m。该桥上部结构为混凝土简支板梁,下部结构为桩柱式桥墩、薄壁式桥台,灌注桩基础。
桥台承台断面为1.60×1.0m,台身厚0.60m,高度为3.588～3.848m,台身和承台全长26m,中间设置一道伸缩缝。
两座桥台台身在浇筑后一周开始发现裂缝,先浇筑的东侧台身两侧均出现7道裂缝,后浇筑的西侧桥台一侧7道裂缝,另一侧是6道裂缝,裂缝最小间距2.30m,最大间距3.88m,平均间距在3m左右。裂缝由台身与承台交接面开始,呈下宽上窄,说明该裂缝是由下而上发展的。通过检测,裂缝均为表层裂缝,裂缝宽度在0.05～0.15mm之间,裂缝深度在0.21～0.25mm之间,裂缝在台身两侧基本对称,但除个别裂缝为通缝外,基本未贯通台身厚度。
1.2 裂缝状况
薄壁式桥台台身裂缝由基础或承台顶部开始,由下而上延伸。裂缝宽度不等,一般在0.1～0.5mm之间,下宽上窄长度约为构造物高度的1/3～2/3;也有少数通缝现象,但均发生在高度较矮的构造物上,这时构造物高度一般小于3m。构造物越长,裂缝的数量越多,裂缝间距在3m左右,起始桥台与终点桥台或箱涵涵身(两侧墙)的裂缝位置相互对应。
2 裂缝产生的原因
钢筋混凝土裂缝不外乎以下几种,即沉缩裂缝、温度裂缝、干缩裂缝、化学作用裂缝和结构性裂缝,结构性裂缝又分为应力裂缝和施工因素裂缝。钢筋混凝土薄壁式桥台竖向裂缝的形成可归为温度影响、混凝土收缩及特定的施工因素等共同作用的结果。
上述工程实例的台身竖向裂缝是在台身混凝土浇筑完成后,但其上部构件(台帽)尚示浇筑且台后基本无填土的情况下产生的,由此可知,该台身竖向裂缝不是因外荷载引起的。若是因地基(承台)不均匀沉降引起的竖向裂缝,此类裂缝通常是贯通整个台身厚度的,但根据裂缝检测,该台身裂缝为表层裂缝,未贯通台身厚度,由此推测,该裂缝也不是由不均匀沉降引起的。
2.1 混凝土浇筑施工环境温度高
关于热期混凝土施工温度限制以前强调的不多。在这方面日本规定是宜低于30℃,并不得高于35℃;美国规定是不得高于32℃;我国新公路桥涵施工规范规定:混凝土的浇筑温度应控制在32℃以下,宜选用在一天温度较低的时间内进行。上述原则被有些施工部门忽视或突破。钢筋混凝土薄壁式桥台这种结构大体积混凝土的特性较为明显,虽然可不必采取在结构内设冷水管用以降低大体积混凝土内由于水泥水化热而升高温度的措施,即使没有突破上述规定而在温度较高时浇筑混凝土时也应采取相应的降低施工环境温度的措施,这一点并没使所有施工部门引起注意,上述工程实例的施工季节时值初夏,浇筑桥台前两天又正值突然升温,当时白天最高气温达30℃左右,且施工单位是在下午2点进行的台身混凝土浇筑,给结构裂缝的产生留下隐患。
2.2 混凝土水化热和干缩的影响
钢筋混凝土薄壁式桥台的台身厚度一般为50～70cm,高度大于2m,长度一般都大于10m,此类结构可视为直立大面积混凝土厚板,这类构造物大体积混凝土特性比较明显,由于其内部水泥水化热导致的混凝土升温是不能忽视的,它给热期施工的混凝土起到热上加温的效果。混凝土的线胀系数约为5.4-14.4×10-6/℃,一般可取10.8×10-6/℃,较高温度的现浇混凝土在硬化时将产生很大的温差,这将导致结构物产生较大的收缩,甚至中午浇筑的混凝土晚上即可因收缩而开裂,一般混凝土收缩值在0.03%～0.04%时就会引起开裂。
硬化后的混凝土在干燥时的收缩率为0.05%～0.06%,水灰比大的混凝土收缩更大。当混凝土的收缩率为0.05%时, 6m长的构件会收缩3mm,处于受约束的构件则会开裂;弹性模量约2.1×105kgf/cm2的混凝土在应变0.05%时将产生相当于混凝土极限拉应力的3倍。
由于上述的大温差和干缩共同导致的混凝土开裂单靠所配置的钢筋去解决是十分困难的。更主要的因素是台身是浇筑在已成品的承台上,当混凝土降温及收缩时受到承台的约束,其内部产生很大的拉应力,因而导致结构产生裂缝。由于在这个过程中受约束的是结构物下部,其上部仍处于自由状态,因此其产生的裂缝是由下而上、并且下宽上窄。
2.3 水泥用量过多
由于薄壁式桥台厚度相对小,高度较大,钢筋设置又较密,给混凝土浇筑捣实增加了难度,易使薄壁墩(台)出现蜂窝、麻面、露筋甚至烂根的事件,以至有些构造物不得不推倒重来。施工部门为克服上述现象,通常都增大新拌混凝土的流动性。混凝土拌和物的流动性随着温度的升高而减小,温度升高10℃坍落度大约减小20～40mm,热期施工这一矛盾更为突出。为了解决上述问题,保证混凝土拌和物能有令人满意的流动性,就必须增加水泥浆用量,进而导致水和水泥用量的加大。水泥用量的加大直接结果就是水化热加强而导致混凝土升温,这就为温差裂缝的产生创造了条件。而水和水泥的用量增多,又增大了混凝土收缩的可能性。
3 预防措施
3.1 设计
钢筋混凝土薄壁式桥台台身尺寸较大,是大体积混凝土特性较明显的大面积混凝土板,混凝土温度变形和收缩变形对其影响是极不利的,更主要的是在高温干燥环境下施工,其变形又受基础和承台的约束,因此易产生裂缝也是不奇怪的。为防止裂缝的产生,首先设计上要采取相应措施。
3.1.1 设定施工要求
设计文件中应强调这种结构施工过程中一些必须满足的要求,尤其要强调混凝土浇筑时间、混凝土的水灰比要求以及养护的具体施工要求。面对目前中小桥涵施工队伍较杂、技术水平参差不齐的现实,这种强调是必要的。
3.1.2 设置抗裂鋼筋和伸缩缝
设置抗裂钢筋和伸缩缝是防止钢筋混凝土开裂的一般做法。配置分布均匀的细钢筋比同样含钢量的大间距粗钢筋更有好的效果。设置伸缩缝主要是放松基础约束的一种措施伸缩缝的长度可由基础和承台顶表面开始至台(墩)身顶部(不含台帽)。这既可保证桥涵下部的整体受力特性,又可防止台身裂缝的产生。有资料表明:混凝土结构自身收缩程度与其体积和表面积之比值成反比关系,这一特性在混凝土龄期14d以前尤为明显。也就是说,对于薄壁式钢筋混凝土桥台结构来说,其厚度较小者比较大者易因混凝土收缩而产生开裂,桥台设计时应充分考虑钢筋配置、伸缩缝设置及施工难易等因素,厚度70cm优于50cm。
3.2 施工
(1)避开高温下施工高温下施工现浇混凝土既有很多潜在的不利因素又增加施工过程的内容和施工成本,因此在做施工组织计划时尽量使薄壁式构件现浇混凝土施工避免在高温干燥季节时进行。如果客观条件不允许,具体施工时也应避开一日之内的高温时间,而在一日内温度最低时进行,如可在夜间进行。
(2)采取降温措施在高温下现浇混凝土应有全面的组织计划、准备工作充分、施工设备有足够的备件并事前做好检修及保养,保证连续进行;从拌和机到入仓的传递时间及浇筑时间要尽量缩短,并尽快开始养护。
浇筑及拌和场地应遮荫以降低模板、钢筋、拌和机械、骨料、水泥的温度,不得使用刚出厂的水泥;在浇筑前可在模板、钢筋和地基上喷水以降温,但在浇筑时不能有附着水;用冷水或有条件亦可用冰水拌和混凝土;也可结合大体积混凝土施工的一些要求进行施工,并加快浇筑后混凝土的散热。
(3)降低水泥水化热升温及改善混凝土品质。降低水泥水化热的常规措施是:选用矿渣或火山灰质早期低热水泥,最好是矿渣水泥;利用混凝土后期增长强度,减少早期升温;掺粉煤灰混合料减少水泥用量;掺减水剂等外加剂复合使用,防止高温下坍落度的损失,避免增加水和水泥的用量。
4 裂缝的处理
(1)恶劣工作环境下的裂缝修补
所谓恶劣环境是有腐蚀气体、液体侵入可能;潮湿或沿海地区;有反复冻融的条件等。裂缝的存在给气体、液体侵入形成一个通道,因此在恶劣条件下必须修补这些裂缝以阻断这些通道,保证构件的防腐蚀能力。①当裂缝宽度小于0.2mm时,此时裂缝可用环氧树脂浆液或水泥浆液进行表面封闭,即涂抹法;裂缝很深时,宜用甲基丙烯酸脂类浆液或低粘度环氧树脂浆液灌注。②当裂缝宽度大于等于0.2mm时,此时宜用环氧树脂浆液灌注。③当裂缝宽度大于1mm时,可用微膨胀水泥浆液修补。修补前,应在裂缝表面涂刷一层水泥浆界面剂。
(2)一般工作環境下的裂缝修补
所谓一般工作环境是有别于上述恶劣工作环境的客观条件,此时裂缝的处理可放宽一些。当裂缝小于0.05mm时,可不做处理,但对裂缝较深或处理并不难时,还是用涂抹法封闭处理为好。当裂缝宽度小于0.3mm时,此时处理方法同上述。①所述方法相同。当裂缝大于等于0.3mm时,此时处理方法同上述。②所述方法相同。当裂缝宽度大于1mm时,此时处理方法同上述。③所述方法相同。对于活动裂缝,即处于继续发展而未稳定的裂缝,应在裂缝停止发展后进行修补处理。至于裂缝修补的材料和施工的具体要求可遵循目前土木工程行业习惯使用的方法即可。
5 结语
总之,薄壁桥台的竖向裂缝产生是多种因素综合作用的结果。这些裂缝的存在虽然目前乃至以后一段时间内不会影响其结构功能及承载能力,但是这些裂缝如不能停止发展或得到妥善处理,必将对构造物的耐久性造成不利影响,特别是当构造物受到有害气、液体侵蚀或处于潮湿、冰冻环境及沿海地区这一矛盾显得更为突出。一些发达国家因为混凝土构造物的耐久性缺陷每年消耗巨资用于构造物的养护足以证明这一问题的重要。因此,此类裂缝还应引起各部门的重视,只要在施工时采取适当完善的措施,此类裂缝是可以避免发生的。
参考文献
[1] 张文江.钢筋混凝土薄壁式桥台裂缝成因分析[J].科技资讯,2009(2).
[2] 李军,剌建东.钢筋混凝土薄壁式桥台的计算与应用[J].科技创新导报,1994(1).