混凝土橋墩抗裂策略研究
混凝土橋墩工程中，多屬于大體積混凝土工程，較易出現(xiàn)裂縫，下面是小編搜集整理的一篇相關(guān)論文范文，供大家閱讀參考。
【摘要】針對(duì)方形橋墩易于開(kāi)裂的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)方形橋墩在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)期間可能出現(xiàn)的裂縫原因進(jìn)行列述，并就施工期間水化熱、運(yùn)營(yíng)期間的溫度驟降因素建立有限元模型進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析，根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的處理對(duì)策。
【關(guān)鍵詞】 橋梁工程;方形橋墩;有限元;溫度效應(yīng)
【Abstract】In this paper, it listed some possibilities f rectangular-section piers' cracking reasons during whose designing、construction period and service period in order to study piers' often cracking problem. And by using finite element analysis software to calculate stress distribution of piers' section, it put forward some treatments to ease the temperature cracking risk.
【Key words】bridge engineering, concrete pier, finite element analysis, temperature effect
1、引言
近年來(lái)，隨著公路交通量的增加，公路、橋梁負(fù)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(guó)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(shí)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(duì)墩臺(tái)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(jù)混凝土結(jié)構(gòu)缺損狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，墩臺(tái)部件權(quán)重約占全橋的50%)的安全性、實(shí)用性、耐久性和美觀。[1][2][3]
2、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(wú)嚴(yán)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(duì)于裂縫起到繼續(xù)發(fā)展或加劇劣化的作用。[4]常見(jiàn)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(shí)間較長(zhǎng)側(cè)的裂縫、橋墩模板對(duì)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(xì)小、不規(guī)則的裂縫。[5]究其開(kāi)裂原因，擬從橋墩的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)使用三方面進(jìn)行分析論述。
2.1橋墩設(shè)計(jì)。橋墩在設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)不計(jì)算或漏算、結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符，內(nèi)力與配筋計(jì)算錯(cuò)誤，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)不夠、設(shè)計(jì)時(shí)考慮的施工可能性與實(shí)際情況出現(xiàn)差異等均會(huì)使橋墩在外荷載直接作用下產(chǎn)生裂縫。[6]
2.2橋墩施工。橋墩施工過(guò)程中，水化熱效應(yīng)、施工工藝、材料自身等因素都會(huì)影響橋墩開(kāi)裂。
(1)水化熱�；炷翝沧⑦^(guò)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(duì)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(dāng)混凝土抗拉強(qiáng)度不足以抵抗該拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)引發(fā)橋墩豎向開(kāi)裂。該類裂縫僅存在于結(jié)構(gòu)表面。針對(duì)水化熱效應(yīng)影響，建立3個(gè)模型如圖1：第1個(gè)模型采用邊長(zhǎng)為2.0m的方形截面柱;第2個(gè)模型采用截面為2.667m×1.5m的矩形截面柱、第3個(gè)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(hào)普通混凝土性能參數(shù)選取：?jiǎn)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(guò)程則以橋墩表面對(duì)流系數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)。根據(jù)3個(gè)截面不同，體積相同的混凝土橋墩模型結(jié)果可見(jiàn)(如圖2)，在第4天3個(gè)模型的內(nèi)外溫差都達(dá)到最大，相應(yīng)的應(yīng)力也隨之達(dá)到峰值，依次為3.18MPa、3.00MPa、2.70MPa。3個(gè)橋墩模型受水化熱效應(yīng)影響都有開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。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 圖2水化熱效應(yīng)應(yīng)力歷時(shí)曲線圖
(2)施工工藝。在橋墩澆注、起模等過(guò)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(huì)使新澆注的混凝土產(chǎn)生裂縫;混凝土振搗不密實(shí)、不均勻，也會(huì)引發(fā)蜂窩、麻面等缺陷;混凝土的初期養(yǎng)護(hù)時(shí)的急劇干燥也會(huì)引發(fā)混凝土表面的不規(guī)則裂縫;混凝土入模溫度過(guò)高、施工拆模過(guò)早也會(huì)導(dǎo)致墩身開(kāi)裂。
2.3橋墩運(yùn)營(yíng)。橋梁在運(yùn)營(yíng)階段，交通量的增長(zhǎng)、超出設(shè)計(jì)荷載的重型車輛過(guò)橋、鋼筋的銹蝕等都會(huì)影響橋梁墩柱及其它構(gòu)件的裂縫開(kāi)展情況。當(dāng)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(dá)到承載力極限的標(biāo)志。此外，環(huán)境溫度對(duì)橋墩等構(gòu)件的'開(kāi)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(kāi)裂。圖3不同模型溫度驟降條件下應(yīng)力云圖 針對(duì)邊長(zhǎng)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(jìn)行溫度驟降的工況模擬。得到結(jié)果如圖3：3個(gè)橋墩模型分別在環(huán)境溫度變化后的第14小時(shí)、第12小時(shí)和第22小時(shí)達(dá)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(duì)較小。
3、裂縫對(duì)策研究
混凝土不可避免地帶裂縫工作，裂縫的存在和發(fā)展也將一定程度地削弱相應(yīng)部位構(gòu)件的承載力，并進(jìn)一步引發(fā)保護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、持久強(qiáng)度低等，甚或危害橋梁的正常運(yùn)行和縮短其使用壽命。因而，針對(duì)前裂縫在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)階段可能出現(xiàn)的原因，進(jìn)行控制對(duì)策的研究，列述如下。
3.1設(shè)計(jì)階段
在計(jì)算模型選取合理、橋墩強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等滿足規(guī)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(yīng)力峰值，從而降低其開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。此外，在橋墩四周加防裂鋼筋網(wǎng)，配筋除滿足承載力及構(gòu)造要求外，應(yīng)結(jié)合水泥水化熱引起的溫度應(yīng)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(rèn)為，混凝土的2/3應(yīng)力來(lái)自于溫度變化，1/3來(lái)自干縮和濕脹。典型的波特蘭水泥會(huì)在開(kāi)始3天內(nèi)放出約50%的水化熱。[7]可見(jiàn)，水化熱是混凝土早期溫度應(yīng)力的主要來(lái)源，過(guò)快過(guò)高的水化熱是早期開(kāi)裂的主要原因。針對(duì)水化熱效應(yīng)，可采取以下措施以改善并控制開(kāi)裂情況：在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下，盡可能采用圓形截面柱、盡可能采用低標(biāo)號(hào)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(duì)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(duì)墩身內(nèi)部布設(shè)冷水管以循環(huán)降溫。
(2)入模溫度。降低混凝土的入模溫度也是一項(xiàng)降低混凝土溫度應(yīng)力的重要措施。一般的，混凝土從塑形狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)時(shí)，澆注溫度越低開(kāi)裂傾向越小。過(guò)高的入模溫度會(huì)加劇了混凝土的早期溫升，使得溫度應(yīng)力更大。
(3)其它。橋墩的模板應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，可承受新澆混凝土的重力、側(cè)壓力以及施工過(guò)程中可能產(chǎn)生的各種荷載;混凝土的振搗密實(shí)、均勻，可有效防止收縮裂縫，不可過(guò)搗，否則造成混凝土離析;拆模不應(yīng)太早，混凝土終凝后對(duì)墩柱表面應(yīng)及時(shí)的保濕保溫養(yǎng)護(hù)，使水泥水化作用順利進(jìn)行，以提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。主要養(yǎng)護(hù)方法包括：覆蓋養(yǎng)護(hù)、澆水養(yǎng)護(hù)、儲(chǔ)水養(yǎng)護(hù)和薄膜養(yǎng)護(hù)等。[8]
3.3運(yùn)營(yíng)階段
運(yùn)營(yíng)階段的抗裂措施應(yīng)主要包含兩方面內(nèi)容：對(duì)潛在開(kāi)裂隱患的控制和既有裂縫的修補(bǔ)控制。對(duì)于前者，若不考慮地震、撞擊等偶然因素的影響，橋梁在運(yùn)營(yíng)期間的裂縫則主要跟環(huán)境變化相關(guān)。根據(jù)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(yōu)，因而，可優(yōu)先選擇圓截面柱作為橋墩的設(shè)計(jì)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(hù)材料以削減溫度驟降帶來(lái)的影響。對(duì)于后者，雖然對(duì)橋墩混凝土的原材料、配合比及工藝等方面加強(qiáng)預(yù)防措施，但混凝土橋墩的裂縫仍不可避免。根據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)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(jìn)行處理、修補(bǔ)。對(duì)于運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)的裂縫，由變形變化所引起的裂縫，其無(wú)承載力危險(xiǎn)，可采用防水型化學(xué)灌漿技術(shù)作一般表面處理。
4、結(jié)語(yǔ)
混凝土橋墩工程中，多屬于大體積混凝土工程，較易出現(xiàn)裂縫。只有在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)各階段進(jìn)行科學(xué)、合理的運(yùn)作，可減輕減緩混凝土的裂縫開(kāi)展。根據(jù)前文，相同體積情況下，滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求后，圓截面柱較矩形柱受施工期間水化熱、運(yùn)營(yíng)期間溫度驟降所引起的溫度應(yīng)力小，因而建議橋墩設(shè)計(jì)采用圓截面。
參考文獻(xiàn)
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