混凝土桥墩抗裂成因
混凝土桥墩抗裂成因
【摘要】针对方形桥墩易于开裂的问题，本文通过对方形桥墩在设计、施工及运营期间可能出现的裂缝原因进行列述，并就施工期间水化热、运营期间的温度骤降因素建立有限元模型进行应力场分析，根据分析结果提出相应的处理对策。
【关键词】 桥梁工程；方形桥墩；有限元；温度效应
一. 近年来，随着公路交通量的增加，公路、桥梁负荷上升、其承载力日趋饱和，考虑不少公路、桥梁采用混凝土结构，且大多为建国后所建，桥龄基本在40年左右，这些旧有桥梁很多都已出现老化、破损、裂缝等现象。根据相关病害调查，桥墩裂缝是混凝土桥梁最主要的病害形式之一：桥墩作为桥梁结构中重要的下部构件，不仅承担着上部结构及汽车等产生的竖向轴力、水平力和弯矩，有时还受到风力、土压力、流水压力以及可能发生的地震力、冰压力、船只和漂流物对墩台的撞击力等荷载的作用。桥墩墩身裂缝直接影响且损害其自身乃至整体桥梁的安全性、实用性、耐久性和美观。
二. 裂缝成因分析桥墩病害的主要表现形式为：混凝土剥落、露筋、砌体风化、灰缝脱落、水平裂缝、竖向裂缝、网状裂缝、水平位移、倾斜、沉降等。其中，裂缝作为混凝土结构的主要病害之一，其成因复杂繁多，裂缝划分无严格界限，每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要因素，其余因素对于裂缝起到继续发展或加剧劣化的作用。常见的墩身裂缝形式包含：桥墩中心线附近的竖向裂缝、桥墩在日照时间较长侧的裂缝、桥墩模板对拉筋孔处的裂缝、桥墩模板分块接缝处的裂缝、桥墩顶部环向裂缝以及混凝土表面细小、不规则的裂缝。究其开裂原因，拟从桥墩的设计、施工及运营使用三方面进行分析论述。
1.桥墩设计。桥墩在设计阶段，结构不计算或漏算、结构受力假设与实际受力不符，内力与配筋计算错误，结构的安全系数不够、设计时考虑的施工可能性与实际情况出现差异等均会使桥墩在外荷载直接作用下产生裂缝。
2.桥墩施工。桥墩施工过程中，水化热效应、施工工艺、材料自身等因素都会影响桥墩开裂。
（1）水化热。混凝土浇注过程中水泥水化放热，受混凝土自身的不良导热性和混凝土热胀冷缩性质影响，桥墩内部温度升高体积膨胀而外部温度相对较低发生收缩，内外相互作用易导致桥墩混凝土外部产生很大的温度拉应力，当混凝土抗拉强度不足以抵抗该拉应力时，会引发桥墩竖向开裂。该类裂缝仅存在于结构表面。针对水化热效应影响，建立3个模型如图1：第1个模型采用边长为2.0m的方形截面柱；第2个模型采用截面为2.667m×1.5m的矩形截面柱、第3个模型采用直径为2.256m的圆形截面柱。模型参数均参考325号普通混凝土性能参数选取：单位质量水泥水化热389KJ/Kg；比热取0.96KJ/kg•K；密度取值2450Kg/m3；导热系数取3 W/(m•K)；线弹性模量取10-5 ℃-1，拆模的过程则以桥墩表面对流系数的变化实现。根据3个截面不同，体积相同的混凝土桥墩模型结果可见（如图2），在第4天3个模型的内外温差都达到最大，相应的应力也随之达到峰值，依次为3.18MPa、3.00MPa、2.70MPa。3个桥墩模型受水化热效应影响都有开裂的风险。其中，圆截面模型的应力峰值为最小。图1水化热效应模型图
（2）施工工艺。在桥墩浇注、起模等过程中，若施工工艺不合理、质量低劣，可能产生各种形式的裂缝，裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度都因产生的原因而异：模板的倾斜、变形以及接缝都可能会使新浇注的混凝土产生裂缝；混凝土振捣不密实、不均匀，也会引发蜂窝、麻面等缺陷；混凝土的初期养护时的急剧干燥也会引发混凝土表面的不规则裂缝；混凝土入模温度过高、施工拆模过早也会导致墩身开裂。
3.桥墩运营。桥梁在运营阶段，交通量的增长、超出设计荷载的重型车辆过桥、钢筋的锈蚀等都会影响桥梁墩柱及其它构件的裂缝开展情况。当墩柱受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝，则应特别注意，往往是结构达到承载力极限的标志。此外，环境温度对桥墩等构件的开裂影响也不容忽视，引起混凝土桥墩温度变化的主要因素包括：年、月温差、日照变化、骤降温差等，尤其是入冬期间温度骤降极易造成桥墩等大体积构件开裂。例如：针对边长为2m的方形桥墩、截面为2.667m×1.5m的矩形桥墩、直径为2.256m的圆形桥墩进行温度骤降的工况模拟。得到结果3个桥墩模型分别在环境温度变化后的第14小时、第12小时和第22小时达到各自的应力峰值，依次为1.55MPa、1.52MPa、1.38MPa。3者中，应力峰值最大的为截面为2m×2m的方形桥墩，圆截面柱受温度变化影响相对较小。
三. 裂缝对策研究混凝土不可避免地带裂缝工作，裂缝的存在和发展也将一定程度地削弱相应部位构件的承载力，并进一步引发保护层剥落、钢筋锈蚀、混凝土碳化、持久强度低等，甚或危害桥梁的正常运行和缩短其使用寿命。因而，针对前裂缝在设计、施工及运营阶段可能出现的原因，进行控制对策的研究，列述如下。
1.设计阶段。在计算模型选取合理、桥墩强度、刚度、稳定性等满足规范要求的条件下，可选择尺寸较小的圆形截面桥墩，以一定程度地减缓减弱其温度应力峰值，从而降低其开裂风险。此外，在桥墩四周加防裂钢筋网，配筋除满足承载力及构造要求外，应结合水泥水化热引起的温度应力增配钢筋，以提高钢筋控制裂缝的能力。
2.施工阶段。
（1）水化热。混凝土的2/3应力来自于温度变化，1/3来自干缩和湿胀。典型的波特兰水泥会在开始3天内放出约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早期开裂的主要原因。针对水化热效应，可采取以下措施以改善并控制开裂情况：在满足设计强度的前提下，尽可能采用圆形截面柱、尽可能采用低标号混凝土；采用低水化热的水泥或掺粉煤灰的水泥或掺缓凝剂，其对改善混凝土和易性、降低温升、减小收缩具有较好的效果，也可提高自身抗裂性。
（2）入模温度。降低混凝土的入模温度也是一项降低混凝土温度应力的重要措施。一般的，混凝土从塑形状态转变为弹性状态时，浇注温度越低开裂倾向越小。过高的入模温度会加剧了混凝土的早期温升，使得温度应力更大。
（3）其它。桥墩的模板应具备足够的强度、刚度和稳定性，可承受新浇混凝土的重力、侧压力以及施工过程中可能产生的各种荷载；混凝土的振捣密实、均匀，可有效防止收缩裂缝，不可过捣，否则造成混凝土离析；拆模不应太早，混凝土终凝后对墩柱表面应及时的保湿保温养护，使水泥水化作用顺利进行，以提高混凝土的抗拉强度。主要养护方法包括：覆盖养护、浇水养护、储水养护和薄膜养护等。
3.运营阶段。运营阶段的抗裂措施应主要包含两方面内容：对潜在开裂隐患的控制和既有裂缝的修补控制。对于前者，若不考虑地震、撞击等偶然因素的影响，桥梁在运营期间的裂缝则主要跟环境变化相关。根据前文的温度骤降影响分析，圆形截面柱的抗裂情况较另2者略优，因而，可优先选择圆截面柱作为桥墩的设计方案。除此，可在温度骤降前期或初期，于桥墩表面附加保温材料或涂抹防护材料以削减温度骤降带来的影响。对于后者，虽然对桥墩混凝土的原材料、配合比及工艺等方面加强预防措施，但混凝土桥墩的裂缝仍不可避免。根据《公路工程质量检验评定标准》规定，公路桥墩裂缝缝宽﹥0.15mm，铁路桥墩裂缝缝宽﹥0.2mm以下的局部收缩裂缝，须进行处理、修补。对于运营期间出现的裂缝，由变形变化所引起的裂缝，其无承载力危险，可采用防水型化学灌浆技术作一般表面处理。
四. 结束语
要避免和减少混凝土的裂缝，需要施工单位在施工过程中加强质量控制措施，对工程质量进行事前预防控制、事中检查控制，并加强对现场施工人员进行技术指导和质量系统的灌输，从而使各参与方共同承担起减少混凝土裂缝的责任。混凝土桥墩工程中，多属于大体积混凝土工程，较易出现裂缝。只有在设计、施工、运营各阶段进行科学、合理的运作，可减轻减缓混凝土的裂缝开展。根据分析，在相同体积情况下，满足强度、刚度、稳定性要求后，圆截面柱较矩形柱受施工期间水化热、运营期间温度骤降所引起的温度应力小，因而建议桥墩设计采用圆截面。
