混凝土桥墩开裂原因及对策分析

摘要:

近年来，随着城市道路交通量的增加，道路和桥梁的荷载不断增加，其承载能力日趋饱和。考虑到很多道路和桥梁采用混凝土结构，且多为建国后修建，桥龄基本在40年左右。这些旧桥中有许多已经老化、损坏和开裂。大体积混凝土施工的关键问题是控制混凝土温度，防止混凝土裂缝。因此，施工前应制定大体积混凝土施工的技术方案，即防止混凝土温度裂缝的预案。针对方墩容易开裂的问题，列举了方墩在设计、施工和运行过程中可能出现裂缝的原因，基于施工期水化热、运行期气温骤降等因素，建立有限元模型进行应力场分析，并根据分析结果提出相应对策。

关键词:桥梁工程广场桥墩裂缝对策

简介:

据相关病害调查，桥墩裂缝是混凝土桥梁最主要的病害之一。桥墩作为桥梁结构的重要下部构件，不仅承受上部结构和汽车产生的竖向轴力、水平力和弯矩，有时还要承受风、土压力、流水压力、可能的地震力、冰压力、船舶和漂浮物对桥墩和桥台的冲击力等荷载。桥墩裂缝直接影响和损害全桥的安全性、实用性、耐久性和美观性(根据混凝土结构缺陷评定标准，桥墩和桥台构件的重量约占全桥的50%)。

裂缝产生的原因归结为温度裂缝，温度裂缝的走向通常是不规则的，大型结构裂缝往往纵横交错；裂缝宽度不同，受气温变化影响明显，冬季较宽，夏季较窄。高温膨胀引起的混凝土温度裂缝通常中间厚两端薄，而冷缩裂缝厚度变化不大。这种裂缝的出现会引起钢筋的锈蚀、混凝土的碳化，降低混凝土的抗冻性、抗疲劳性和抗渗性。

1，裂缝产生的原因。

桥墩病害主要表现为:混凝土脱皮、露筋、砌体风化、灰缝脱落、水平裂缝、垂直裂缝、网状裂缝、水平位移、倾斜、沉降。其中，裂缝作为混凝土结构的主要病害之一，其成因复杂，对于裂缝的划分也没有严格的界限。每个裂纹都有一个或几个主要因素，其余因素在裂纹的不断发展或加重中起作用。常见的桥墩裂缝形式有:靠近桥墩中心线的竖向裂缝、日照时间长的桥墩侧面裂缝、桥墩模板拉筋孔处裂缝、桥墩模板块接缝处裂缝、墩顶环向裂缝和混凝土表面细小不规则裂缝。从桥墩的设计、施工和运营三个方面对裂缝产生的原因进行了分析和探讨。

(1)桥墩设计。

在桥墩设计阶段，未进行结构计算或省略结构计算，结构应力假设与实际应力不符，内力和配筋计算有误，结构安全系数不够，设计中考虑的施工可能性与实际情况不同，在外荷载的直接作用下，会使桥墩产生裂缝。

(2)桥墩施工。

在桥墩施工过程中，水化热效应、施工工艺、材料本身等因素都会影响桥墩开裂。

①水化热。混凝土浇筑过程中，水泥浆放热受混凝土本身导热性能差和混凝土热胀冷缩性能的影响。桥墩内部温度升高，体积膨胀而外部温度相对较低，内外相互作用容易导致桥墩混凝土外部产生较大的温度拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，就会引起桥墩的竖向开裂。这种裂纹只存在于结构表面。

②施工工艺。

在桥墩浇筑和模板提升过程中，如果施工工艺不合理，质量差，就可能出现各种形式的裂缝。裂缝的位置、方向和宽度因原因而异:模板的倾斜、变形和接缝可能导致新浇混凝土产生裂缝；混凝土振捣不密实、不均匀，也会造成蜂窝、麻面等缺陷；混凝土初期养护过程中的快速干燥也会造成混凝土表面出现不规则裂缝；混凝土入模温度过高，施工时拆模过早也会导致桥墩开裂。

(3)桥墩作业。

在桥梁运营阶段，交通量的增加、超过设计荷载的重型车辆过桥、钢筋锈蚀等都会影响桥墩和桥梁其他构件的裂缝发展。当桥墩受压区出现剥离或沿受压方向有短裂缝时，要特别注意，这往往是结构达到承载能力极限的标志。此外，环境温度对桥墩等构件开裂的影响也不容忽视。引起混凝土桥墩温度变化的主要因素有:年、月温差、日照变化、突发性温差等。，特别是在冬季，气温骤降很容易造成桥墩等大体积构件开裂。

2.裂缝对策研究。

混凝土不可避免地要带着裂缝工作，裂缝的存在和发展也会在一定程度上削弱相应部位构件的承载能力，并进一步导致保护层剥落、钢筋锈蚀、混凝土碳化、持久强度低，甚至危及桥梁的正常运营，缩短其使用寿命。因此，针对设计、施工、运营阶段可能出现的前裂缝原因，研究控制对策如下。

(1)设计阶段。

在计算模型选择合理，桥墩的强度、刚度和稳定性满足规范要求的情况下，可以选择较小尺寸的桥墩，在一定程度上减缓和削弱其峰值温度应力，从而降低其开裂风险。此外，在桥墩周围增加了抗裂钢筋网。钢筋除满足承载力和构造要求外，还应结合水泥浆水化热产生的温度应力，提高钢筋控制裂缝的能力。

(2)施工阶段。

①水化热。

根据R.Springenschmid的观点，混凝土的应力有三分之二来自温度变化，1/3来自干缩和湿胀。典型的波特兰水泥在最初3天内会释放大约50%的水化热。可见，水化热是混凝土早期温度应力的主要来源，过快过高的水化热是导致早期开裂的主要原因。鉴于水化的热效应，可采取以下措施来改善和控制裂缝:在满足设计强度的前提下，尽可能采用圆形截面柱和低标号混凝土；使用低水化热的水泥或掺有粉煤灰或缓凝剂的水泥，可以改善混凝土的和易性，降低温升和收缩，也可以提高其自身的抗裂性。此外，在墩身内部设置冷水管进行循环冷却。

②模具入口温度。

降低混凝土入模温度也是降低混凝土温度应力的重要措施。一般来说，当混凝土由塑性状态变为弹性状态时，浇筑温度越低，开裂倾向越小。过高的入模温度会加剧混凝土的早期温升，使温度应力更大。

③其他。

桥墩模板应具有足够的强度、刚度和稳定性，能承受新浇混凝土的重力、侧压力和施工中可能产生的各种荷载；混凝土振捣密实均匀，能有效防止收缩裂缝，不允许过捣，否则混凝土会离析；拆模板也不算早。混凝土终凝后，及时保持墩面湿润、保温、养护，使水泥水化顺利进行，提高混凝土抗拉强度。主要养护方式有:覆盖养护、洒水养护、蓄水养护和薄膜养护。

(3)运营阶段。

运营阶段的防裂措施应主要包括两个方面:潜在开裂危害的控制和已有裂缝的修复控制。对于前者，如果不考虑地震、撞击等偶然因素，运营中桥梁出现裂缝主要与环境变化有关。根据气温骤降的影响分析，圆形截面柱的抗裂性能略好于其他两种，可以优先选择圆形截面柱作为桥墩的设计方案。

此外，还可以在气温骤降的前期或初期，在桥墩表面贴上保温材料或防护材料，以减少气温骤降的影响。对于后者，虽然在桥墩混凝土的原材料、配合比、工艺等方面加强了预防措施，但混凝土桥墩裂缝仍然不可避免。根据《公路工程质量检验评定标准》，公路桥墩裂缝宽度>:0.15mm，铁路桥墩裂缝宽度>:0.2mm以下的局部收缩裂缝应进行处理和修补。对于运行中的裂缝，变形变化引起的裂缝没有承载力危险，可采用防水化学灌浆技术进行一般表面处理。

混凝土桥墩工程多为大体积混凝土工程，容易产生裂缝。只有在设计、施工和运营阶段进行科学合理的操作，才能缓解和减缓混凝土裂缝的发展。综上所述，在相同体积下，在满足强度、刚度和稳定性要求后，施工期水化热及运行期温度骤降引起的温度应力小于矩形柱，建议桥墩设计采用圆形截面。

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