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农村公路钢筋混凝土板桥行车道板裂缝分析

农村公路钢筋混凝土板桥行车道板裂缝分析

 

  混凝土因其取材广泛、价格低廉、抗压性能高、可施工性好、耐火性好、抗风化等优点,成为建筑结构中应用最广泛的材料,但混凝土最大缺点是抗拉性能差、容易开裂。大量的工程实践和理论分析表明,几乎所有的混凝土构件均带裂缝工作,只不过有些裂缝很细,甚至用肉眼看不见(裂缝宽度小于0.05mm),对结构的使用无太大的危害,可允许存在;但是有些裂缝在使用荷载下或外界环境作用下不断产生和扩展,引起混凝土开裂脱落、钢筋锈蚀。使构件的整体强度和刚度受到削弱而影响正常使用,耐久性能降低,此类裂缝就是我们分析和日常检查的重点。

裂缝种类及产生原因分析

  混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多,但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因,就其产生的原因大致分为以下几种:

  1.荷载裂缝

  混凝土桥梁在常规静、动荷载及应力作用下产生的裂缝成为荷载裂缝。这类裂缝产生的原因有设计阶段:结构计算时有漏算或计算模式不合理,以及忽略了在设计年限内交通运输车辆的更新而增加的行车荷载。施工阶段:不加限制地堆放施工机具、材料,预制构件底模强度不足引起不均匀沉降;吊装绳索之间夹角过大造成附加破坏;运输预制构件支承点不适当等。使用阶段:超出设计荷载的重型车辆以及受一些自然灾害和人为损坏。

  荷载裂缝的特征依据荷载不同而显现不同的特点,这类裂缝多出现在受拉区、受剪区和振动严重的部位,但应注意如果受压区出现起皮或受压方向的短裂缝,往往是结构达到了承载极限的标志,是结构破坏的前兆,其原因往往是截面尺寸偏小。根据结构不同的受力方向,裂缝产生的特征如下:

  〈1〉中心受拉:裂缝垂直于受力方向且贯穿于构件的底表面,裂缝间距大体相等。

  〈2〉中心受压:沿构件出现平行于受力方向的短而密的平行裂缝。

  〈3〉受弯:弯矩最大截面附近从受拉区边沿开始出现与受拉方向相垂直的裂缝,并逐渐向中性轴方向发展。当结构配筋较少时,裂缝少而宽,构件容易发生脆性破坏。

  〈4〉受剪:沿梁端腹部出现大于45o方向的斜裂缝,或梁端中下部出现约45o方向相平行的斜裂缝。

  〈5〉受扭构件一侧腹部先出现多条约45o方向斜裂缝,并相邻面以螺旋形式展开。

  〈6〉局部受压:在局部受压区出现与压力方向大致平行的多条短裂缝。

  2.温度变化引起裂缝

  混凝土具有热胀冷缩性质,当外部环境或结构内部的温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则将在结构内产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。温度裂缝区别于其它裂缝的最主要的特征是:它将随温度的变化而扩张或合扰。产生这种裂缝的主要的原因有:(1)年温差

  一年四季温度不断变化,但变化相对缓慢,对桥梁结构的影响主要是导致桥梁纵向位移,一般可通过桥梁伸缩缝、支座位移或其它的构造措施予以消除,只有结构的位移受到约束时才会引起温度裂缝。

  (2)日照

  桥面板或桥墩侧面受到太阳暴晒后,温度明显高于其它部位,温度梯度呈非线性分布。由于自身的约束作用,导致局部拉应力较大,出现裂缝。此类原因和骤然降温是引起温度裂缝的主要原因。

  (3)骤然降温

  突降大雨或冷空气的突然侵袭可导致结构外部表温度突然下降,但因内部温度变化相对较缓,而产生温度梯度,引起结构产生裂缝。

  (4)施工过程引起的裂缝

  在施工过程中,由于外界气温较高,所以施工时会增加混凝土的坍落度,从而混凝土中离析水含量会过多,因此混凝土在浇注过程中就会发生离析现象,当振捣成型后,构件某一部位的粗骨料就比较多,而在某一部位的粗骨料就比较少,由于混凝土在发生复杂的物理和化学反应时,粗骨料较少的部位由于浆级比较大,因此水化热就比较大,再加上外界的气温比较高,混凝土在收缩硬化时而产生了裂缝。

  3.收缩引起的裂缝

  在实际工程中,混凝土因收缩引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中,塑性收缩和缩水收缩是混凝土体积变化的主要原因。

  塑性收缩发生在施工过程中,混凝土浇筑4-5小时左右,此时水泥水化反应剧烈,分子链逐渐形成,出现泌水和水分积聚蒸发,混凝土失水收缩,同时骨料因自重下沉,而此时混凝土尚未完全硬化,这时发生的体积变形称为塑性变形。

  缩水收缩是混凝土结硬后,随着表面水分逐步降低,混凝土体积减小,这称为缩水收缩。

  4.地基基础变形引起的裂缝

  由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移,使结构中产生附加应力,超出混凝土结构抗拉能力,导致结构的开裂。

  5.钢筋锈蚀引起的裂缝

  由于混凝土质量较差或保护层不足,当空气温度过大时,混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化致钢筋表面时,使钢筋周围混凝土碱度降低或由于氧化物介入,钢筋周围的氯离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入混凝土中的氧气和水分发生电化腐蚀反应,发生反应的化合物体积增大2-4倍,对周围混凝土产生膨胀应力,导致混凝土保护层的开裂、剥离,钢筋有效断面面积减小,钢筋与混凝土握裹力削弱,结构承载力下降并诱发其它形式的裂缝,从而形成恶性循环,加剧了钢筋的锈蚀,导致构造物的破坏。

裂缝位置及程度

  钢筋混凝土简支梁桥在农村公路桥梁中应用较广,但桥梁裂缝现象,仍有不同程度地存在,

  现将桥梁裂缝情况归纳如下:

  1.弯拉裂缝

  主要是梁(板)受荷载作用产生弯曲拉应力超出混凝土极限抗拉强度引起的弯曲裂缝。这类裂缝一般在梁(板)跨中L/4-3L/4附近产生,在梁(板)侧面,往往在受拉区边缘,沿大致与主钢筋垂直的方向竖直延伸,一般在两条延伸较长的裂缝间有数根延伸较短的裂缝。其裂缝宽度一般在0.03-0.2mm范围内,裂缝间距最小一般为0.05-0.2m

  一般认为,只要这类裂缝在梁(板)侧面的延伸长度达不到设计计算的截面中性轴位置,这类裂缝宽度在车辆荷载作用下变化不大,因此比较稳定,所以在一般情况下,只要最大裂缝宽度不超过设计规范规定限制时,即认为此种裂缝无大防碍。

  2.梁腹板斜裂缝(主拉应力裂缝)

  这类裂缝产生原因是在车辆荷载作用下,在靠近支点部位,剪力大而弯矩小,由于产生的主拉应力超过混凝土抗拉强度,在梁腹板中出现腹剪裂缝。这类裂缝常见于跨度大于10m的钢筋混凝土T型梁中。一般在支点附近至1/4跨度范围内发生,在梁的腹板侧面上,裂缝延伸方向与梁纵向成45o-60o夹角,裂缝宽度一般在0.1-0.3m范围内。斜裂缝通常有数条,并大致平行,裂缝间距约为0.5-1.0m。 这类裂缝在较大荷载作用下,宽度会有所增大,但只要在斜裂缝的限定宽度之内,裂缝上下延伸长度不会有较大变化。

  3.梁腹板1/2梁高处的表面裂缝

  这类裂缝是梁体混凝土不均匀收缩和车辆荷载作用的裂缝,以混凝土不均匀收缩为主。这类裂缝多见于钢筋混凝土型梁腹板侧面上,裂缝位于腹板1/2梁高处,裂缝下端往往达不到梁的受拉区边缘,裂缝在腹板半梁高附近宽度较大,一般为0.2-0.6mm左右,裂缝间距无一定规律。

  4.梁(板)在主筋部位的水平纵向裂缝

  此类裂缝引起原因是施工不良,保护层薄及钢筋锈蚀胀裂混凝土等。这类裂缝往往在主筋位置附近并顺着主筋延伸的方向,其长度有长有短,此类裂缝对钢筋混凝土梁(板)的危害较大,它破坏了钢筋与混凝土的粘结作用,可使钢筋应力骤增,以致突然破坏。

  5.梁腹板侧面上网状裂缝

  这类裂缝由于梁体混凝土内外收缩不均匀引起的,是非荷载作用产生的裂缝。此类裂缝宽度一般很小(0.01-0.05mm)分布与梁腹板表面上似一片片短网,没有一定规律。

  6.梁体在钢板支座处的裂缝

  这类裂缝一般由于桥墩不均匀沉降或歪斜、以及混凝土局部承压能力不够,支座侧斜或行车道板滑动不能自如造成。裂缝由支座上垫板与混凝土交界处发生并斜向上发展,往往只有一条,最大宽度可达2mm,当行车道板滑动受到限制时将导致构件断角。

预防混凝土行车道板裂缝的措施

  1.在设计阶段,给行车道板增加一个储备强度

  在设计过程中,所采用的荷截标准应当适宜桥梁构造物使用年限期间运输车辆的发展需要,并充分考虑车辆严重超载的现实情况,给设计荷载增加一个增长系数。其次,在荷载效应不利组合的设计值并不一定能充分反映行车道板在实际使用过程中所承受的最大荷载,因为自然现实具有不可预见性,即使对各种荷载引入了荷载安全系数,而当可变荷载和偶然荷载作用时,结构物的破坏是短暂而严重的,因此,应当为混凝土行车道板的抗力附加一个储备应力。从而确保行车道板的抗力满足,由于运输车辆吨位增加引起的行车荷载的增长。如果在设计时给行车道板一个储备强度,那么,桥梁的行车道板的裂缝将会减少。

  2.协调混凝土与抗拉钢筋的应变值

  在钢筋混凝土构件中,由于混凝土的极限拉应变很小,其应变值在0.10-0.15mm/米范围内,当应力增加,应变超过0.15mm时,混凝土就出现裂缝,而钢筋作为塑性材料,应变值比较大,因此在混凝土行车道板构件中,当混凝土到达极限应变状态时,而钢筋只处于弹性变形阶段,由于钢筋弹性模量相对小于混凝土的弹性模量,因此,钢筋的应变值大于混凝土的应变值,由此,在相同的外力作用下混凝土首先产生裂缝。

  3.减小行车道板的自重,采用轻型薄壁结构

  充分利用混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能,架设轻型大跨径的桥梁是桥梁建设发展的必然趋势,通过采用轻型薄壁结构,不但减少行车道板的自重,节省建筑原材料和吊装设备,而且改善了行车道板的性能,减少构件的裂缝。在不改变行车道板承载力的前提下,采用轻型薄壁结构可以大大降低结构的自重,减少裂缝的发生。

  4.在混凝土中加入钢制纤维,提高混凝土的强度

  钢制纤维主要用碳钢加工制成的纤维,其几何特征通常用长径比表示,一般纤维的直径为0.25-0.75mm,长度约为20-60mm,长细比为40-100,钢纤维的掺加量常以体积率表示,通常加量为0.5%-2%。钢制纤维与混凝土拌和制成的复合材料,可以增强混凝土行车道板的抗弯拉强度和抗裂强度,当混凝土强度增加时,钢制纤维体积率和长细比也逐渐增加。通过加入钢制纤维可以增强混凝土和钢筋的粘结力,其抗拉强度与普通混凝土比较,其抗拉强度提高1.2-2倍,伸长率提高2倍,从而极大改善混凝土与钢筋应变的差距,因此大大降低混凝土行车道板的裂缝。

  5.改善新拌和混凝土的工作性能

  在施工阶段,由于受自然条件-温度和风速的影响,新拌和混凝土的水分蒸发引起混凝土坍落度的降低,为满足混凝土施工性能需要而增加坍落度,将会引起游离态的水分过多,引起混凝土离析,在浇筑成型混凝土的强度硬化过程中,在构件中就会出现某些部位粗骨料过多和水泥浆细集料过多,从而造成由于水化热过大而引起应力集中造成收缩产生龟裂现象。而在粗骨料过多的部位产生粒子干涉引起混凝土构件孔隙率较大降低混凝土与钢筋的啮合力。因此,改善新拌和混凝土性能也是减少行车道板裂缝的有效措施。首先,严把混凝土材料的质量,合理的碎石级配,增加混凝土的密实度,严格控制集浆比、水灰比、沙率等种种措施。其次在混凝土中加入缓凝剂,通过延缓混凝土的凝结时间,使混凝土工作性能保持一定的时间,延长放热时间,从而调整混凝土强度的增长速度,消除由于混凝土硬化过程中由于收缩和徐变引起的应力集中,确保减少混凝土行车道板的裂缝。

混凝土行车道板裂缝的处理

  在混凝土构件中,虽然裂缝小于0.05mm不影响其使用性能和构件刚度,然而由于大于0.1mm的裂缝的出现,受空气湿度和降雨等自然条件的影响,引起混凝土构件抗拉主钢筋发生了锈蚀,由于钢筋锈蚀产生体积膨胀导致构件的破坏,同时减小了的主抗拉钢筋的横截面面积,从而降低构件的刚度,影响了行车道板的使用寿命。目前裂缝的处理方法一般多采用环氧树脂材料。近年来,已开始采用炭纤维方法对桥梁裂缝进行处理。以环氧树脂处理梁板裂缝为例,材料有环氧树脂、水泥、砂。通过抗压试件抗压强度的数据表明,其抗压强度满足行车道板的使用性能。

  施工方法,用钢刷对行车道板裂缝左右10厘米的区域进行刷麻,处理完毕后用特制的钢纤将裂缝内的尘灰凿除,然后用毛刷清扫裂缝刷麻部分,涂刷丙酮以粘结混凝土与环氧树脂胶泥。将人工拌制的环氧树脂胶泥搅拌均匀后用扁铲进行填充,填充完30-60分钟后,其强度就已达到设计值。通过此方法处理,有效地防止由于裂缝引发行车道板主拉钢筋的锈蚀的发生,确保了行车道板的使用性能。


  通过对桥梁行车道板裂缝成因的分析和裂缝发展趋势的判断,以及对其检查与观测来确定桥梁的使用质量,对桥梁行车道板使用期间进行有效的监控,从而准确而有效地判断行车道板是否适应现有交通运输状况。通过桥梁行车道板的设计阶段,施工阶段予以改善和采取有效的措施,减少行车道板的裂缝,提高桥梁的使用寿命,充分发挥农村公路的投资效益,确保为经济建设提供快速、便捷的交通运输通道,为全社会提供更好的交通环境。


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