混凝土橋墩抗裂工程問題策略研究論文

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編者按：本文通過研究公路交通量的增加，公路橋梁負荷上升，裂縫成因橋墩病害、設計、施工、運營，凝土不可避免地帶裂縫工作，混凝土工程，并對這幾點作出了以下分析。

【摘要】針對方形橋墩易于開裂的問題，本文通過對方形橋墩在設計、施工及運營期間可能出現的裂縫原因進行列述，并就施工期間水化熱、運營期間的溫度驟降因素建立有限元模型進行應力場分析，根據分析結果提出相應的處理對策。

【關鍵詞】橋梁工程；方形橋墩；有限元；溫度效應

1.引言近年來，隨著公路交通量的增加，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。根據相關病害調查，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，不僅承擔著上部結構及汽車等產生的豎向軸力、水平力和彎矩，有時還受到風力、土壓力、流水壓力以及可能發生的地震力、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、實用性、耐久性和美觀。

2.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、砌體風化、灰縫脫落、水平裂縫、豎向裂縫、網狀裂縫、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，裂縫劃分無嚴格界限，每一條裂縫均有其產生的一種或幾種主要因素，其余因素對于裂縫起到繼續發展或加劇劣化的作用。［4］常見的墩身裂縫形式包含：橋墩中心線附近的豎向裂縫、橋墩在日照時間較長側的裂縫、橋墩模板對拉筋孔處的裂縫、橋墩模板分塊接縫處的裂縫、橋墩頂部環向裂縫以及混凝土表面細小、不規則的裂縫。［5］究其開裂原因，擬從橋墩的設計、施工及運營使用三方面進行分析論述。

2.1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、設計時考慮的施工可能性與實際情況出現差異等均會使橋墩在外荷載直接作用下產生裂縫。公務員之家

2.2橋墩施工。橋墩施工過程中，水化熱效應、施工工藝、材料自身等因素都會影響橋墩開裂。

（1）水化熱。混凝土澆注過程中水泥水化放熱，受混凝土自身的不良導熱性和混凝土熱脹冷縮性質影響，橋墩內部溫度升高體積膨脹而外部溫度相對較低發生收縮，內外相互作用易導致橋墩混凝土外部產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，會引發橋墩豎向開裂。該類裂縫僅存在于結構表面。針對水化熱效應影響，建立3個模型如圖1：第1個模型采用邊長為2.0m的方形截面柱；第2個模型采用截面為2.667m×1.5m的矩形截面柱、第3個模型采用直徑為2.256m的圓形截面柱。模型參數均參考325號普通混凝土性能參數選取：單位質量水泥水化熱389KJ/Kg；比熱取0.96KJ/kg·K；密度取值2450Kg/m3；導熱系數取3W/(m·K)；線彈性模量取10-5℃-1，拆模的過程則以橋墩表面對流系數的變化實現。根據3個截面不同，體積相同的混凝土橋墩模型結果可見（如圖2），在第4天3個模型的內外溫差都達到最大，相應的應力也隨之達到峰值，依次為3.18MPa、3.00MPa、2.70MPa。3個橋墩模型受水化熱效應影響都有開裂的風險。其中，圓截面模型的應力峰值為最小。圖1水化熱效應模型圖圖2水化熱效應應力歷時曲線圖

（2）施工工藝。在橋墩澆注、起模等過程中，若施工工藝不合理、質量低劣，可能產生各種形式的裂縫，裂縫出現的部位和走向、裂縫寬度都因產生的原因而異：模板的傾斜、變形以及接縫都可能會使新澆注的混凝土產生裂縫；混凝土振搗不密實、不均勻，也會引發蜂窩、麻面等缺陷；混凝土的初期養護時的急劇干燥也會引發混凝土表面的不規則裂縫；混凝土入模溫度過高、施工拆模過早也會導致墩身開裂。

2.3橋墩運營。橋梁在運營階段，交通量的增長、超出設計荷載的重型車輛過橋、鋼筋的銹蝕等都會影響橋梁墩柱及其它構件的裂縫開展情況。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，環境溫度對橋墩等構件的開裂影響也不容忽視，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裂。圖3不同模型溫度驟降條件下應力云圖針對邊長為2m的方形橋墩、截面為2.667m×1.5m的矩形橋墩、直徑為2.256m的圓形橋墩進行溫度驟降的工況模擬。得到結果如圖3：3個橋墩模型分別在環境溫度變化后的第14小時、第12小時和第22小時達到各自的應力峰值，依次為1.55MPa、1.52MPa、1.38MPa。3者中，應力峰值最大的為截面為2m×2m的方形橋墩，圓截面柱受溫度變化影響相對較小。

3.裂縫對策研究混凝土不可避免地帶裂縫工作，裂縫的存在和發展也將一定程度地削弱相應部位構件的承載力，并進一步引發保護層剝落、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、施工及運營階段可能出現的原因，進行控制對策的研究，列述如下。

3.1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，從而降低其開裂風險。此外，在橋墩四周加防裂鋼筋網，配筋除滿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。

3.2施工階段。

（1）水化熱。R.Springenschmid認為，混凝土的2/3應力來自于溫度變化，1/3來自干縮和濕脹。典型的波特蘭水泥會在開始3天內放出約50%的水化熱。［7］可見，水化熱是混凝土早期溫度應力的主要來源，過快過高的水化熱是早期開裂的主要原因。針對水化熱效應，可采取以下措施以改善并控制開裂情況：在滿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降溫。

（2）入模溫度。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，混凝土從塑形狀態轉變為彈性狀態時，澆注溫度越低開裂傾向越小。過高的入模溫度會加劇了混凝土的早期溫升，使得溫度應力更大。

（3）其它。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、側壓力以及施工過程中可能產生的各種荷載；混凝土的振搗密實、均勻，可有效防止收縮裂縫，不可過搗，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的保濕保溫養護，使水泥水化作用順利進行，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。

3.3運營階段。運營階段的抗裂措施應主要包含兩方面內容：對潛在開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，橋梁在運營期間的裂縫則主要跟環境變化相關。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者略優，因而，可優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，須進行處理、修補。對于運營期間出現的裂縫，由變形變化所引起的裂縫，其無承載力危險，可采用防水型化學灌漿技術作一般表面處理。

4.結語混凝土橋墩工程中，多屬于大體積混凝土工程，較易出現裂縫。只有在設計、施工、運營各階段進行科學、合理的運作，可減輕減緩混凝土的裂縫開展。根據前文，相同體積情況下，滿足強度、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。

參考文獻

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