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混凝土橋墩抗裂成因
（作者未知） 2010/4/27
混凝土橋墩抗裂成因
【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(shè)計、施工及運營期間可能出現(xiàn)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(yīng)力場分析，根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的處理對策。
【關(guān)鍵詞】 橋梁工程；方形橋墩；有限元；溫度效應(yīng)
一. 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(jié)構(gòu)，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(xiàn)老化、破損、裂縫等現(xiàn)象。根據(jù)相關(guān)病害調(diào)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(jié)構(gòu)中重要的下部構(gòu)件，不僅承擔(dān)著上部結(jié)構(gòu)及汽車等產(chǎn)生的豎向軸力、水平力和彎矩，有時還受到風(fēng)力、土壓力、流水壓力以及可能發(fā)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的安全性、實用性、耐久性和美觀。
二. 裂縫成因分析橋墩病害的主要表現(xiàn)形式為：混凝土剝落、露筋、砌體風(fēng)化、灰縫脫落、水平裂縫、豎向裂縫、網(wǎng)狀裂縫、水平位移、傾斜、沉降等。其中，裂縫作為混凝土結(jié)構(gòu)的主要病害之一，其成因復(fù)雜繁多，裂縫劃分無嚴格界限，每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要因素，其余因素對于裂縫起到繼續(xù)發(fā)展或加劇劣化的作用。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(cè)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(huán)向裂縫以及混凝土表面細小、不規(guī)則的裂縫。究其開裂原因，擬從橋墩的設(shè)計、施工及運營使用三方面進行分析論述。
1.橋墩設(shè)計。橋墩在設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)不計算或漏算、結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實際受力不符，內(nèi)力與配筋計算錯誤，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不夠、設(shè)計時考慮的施工可能性與實際情況出現(xiàn)差異等均會使橋墩在外荷載直接作用下產(chǎn)生裂縫。
2.橋墩施工。橋墩施工過程中，水化熱效應(yīng)、施工工藝、材料自身等因素都會影響橋墩開裂。
（1）水化熱�；炷翝沧⑦^程中水泥水化放熱，受混凝土自身的不良導(dǎo)熱性和混凝土熱脹冷縮性質(zhì)影響，橋墩內(nèi)部溫度升高體積膨脹而外部溫度相對較低發(fā)生收縮，內(nèi)外相互作用易導(dǎo)致橋墩混凝土外部產(chǎn)生很大的溫度拉應(yīng)力，當混凝土抗拉強度不足以抵抗該拉應(yīng)力時，會引發(fā)橋墩豎向開裂。該類裂縫僅存在于結(jié)構(gòu)表面。針對水化熱效應(yīng)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(shù)均參考325號普通混凝土性能參數(shù)選�。簡挝毁|(zhì)量水泥水化熱389KJ/Kg；比熱取0.96KJ/kg•K；密度取值2450Kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)取3 W/(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(shù)的變化實現(xiàn)。根據(jù)3個截面不同，體積相同的混凝土橋墩模型結(jié)果可見（如圖2），在第4天3個模型的內(nèi)外溫差都達到最大，相應(yīng)的應(yīng)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(yīng)影響都有開裂的風(fēng)險。其中，圓截面模型的應(yīng)力峰值為最小。圖1水化熱效應(yīng)模型圖
（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(zhì)量低劣，可能產(chǎn)生各種形式的裂縫，裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度都因產(chǎn)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(chǎn)生裂縫；混凝土振搗不密實、不均勻，也會引發(fā)蜂窩、麻面等缺陷；混凝土的初期養(yǎng)護時的急劇干燥也會引發(fā)混凝土表面的不規(guī)則裂縫；混凝土入模溫度過高、施工拆模過早也會導(dǎo)致墩身開裂。
3.橋墩運營。橋梁在運營階段，交通量的增長、超出設(shè)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(gòu)件的裂縫開展情況。當墩柱受壓區(qū)出現(xiàn)起皮或有沿受壓方向的短裂縫，則應(yīng)特別注意，往往是結(jié)構(gòu)達到承載力極限的標志。此外，環(huán)境溫度對橋墩等構(gòu)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(gòu)件開裂。例如：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(jié)果3個橋墩模型分別在環(huán)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(yīng)力峰值，依次為1.55MPa、1.52MPa、1.38MPa。3者中，應(yīng)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。
三. 裂縫對策研究混凝土不可避免地帶裂縫工作，裂縫（未完，下一頁）
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