浅析预应力先张法空心板产生裂缝的原因

浅析预应力先张法空心板裂缝产生原因

郑宝堂1

庞荣高2　　孙　东2

(1.辽宁省交通高等专科学校,沈阳　110122;2.辽宁省交通勘测设计院,沈阳　110005)

　　摘　要　预应力混凝土梁板是桥梁工程目前经常采用的结构形式,具有设计简便;施工方便快捷、易于工厂

化生产的特点。但由于混凝土自身的特点,经常会产生各种各样的裂缝,严重的影响了梁板的使用和寿命。本文通过对梁板裂缝原因的分析,提出了相应的解决方法,为梁板的设计、施工提供可借鉴的经验。

关键词　预应力混凝土梁板裂缝中图分类号:U445.7　　　　　　　　　　文献标识码:B

1　概述

随着交通基础建设得到迅猛发展,兴建了大量的预应力

混凝土梁板的桥梁。在桥梁建造和使用过程中,出现裂缝而影响工程质量事件时有发生。混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”。其实,如果采取相应的设计和施工措施,很多裂缝是可以克服和控制的。为了进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识,尽量避免工程中出现危害较大的裂缝,本文尽可能对混凝土桥梁裂缝的种类和产生的原因作较全面的剖析,并针对问题提出了相应的处理措施,以方便设计、施工找出控制裂缝的可行办法,达到防范于未然的目的。2　混凝土桥梁裂缝种类、成因

实际上,混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多,并且多种因素相互影响,但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。混凝土梁板裂缝的种类,就其产生的原因,大致可划分如下几种:2.1　荷载引起的裂缝

混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝,归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。2.1.1　直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝

直接应力裂缝产生的原因有:

(1)设计阶段,结构计算时出现漏误;计算模型不合理;结构受力假设与实际受力不符;内力与配筋计算错误;结构安全系数不够。结构设计时对施工的可能性考虑不周;设计断面不足;预应力钢束及钢筋设置偏少或布置错误;结构刚度不足;构造处理不当;设计图纸交代不清等。

(2)施工阶段,不了解预制结构受力特点,随意堆放、起吊、运输、安装;不按设计图纸施工,擅自更改结构施工顺序,改变结构受力模式等。

(3)使用阶段,有超出设计载荷的重型车辆通过;地震、爆炸等。2.1.2　次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝

次应力裂缝产生的原因有:

(1)在设计外荷载作用下,由于结构物的实际工作状态收稿日期:2003-11-23

同常规计算有出入或计算不考虑,从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。

(2)梁板结构中经常需要设置空心内腔,施工时由于对预应力钢束及抗剪钢筋的位置控制精度不足,造成局部预应力钢束偏心过大,抗剪钢筋过于稀疏等,致使梁板开裂。

荷载裂缝特征依荷载不同而异呈现不同的特点。这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。2.2　温度变化引起的裂缝

混凝土具有热胀冷缩性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内将产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有:年温差、日照、骤然降温、水化热、蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当等因素。2.3　收缩引起的裂缝

在实际工程中,混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中,塑性收缩和缩水收缩(干缩)是发生混凝土体积变形的主要原因,另外还有自生收缩和炭化收缩。

塑性收缩。发生在施工过程中、混凝土浇筑后4～5小时左右,此时水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,出现泌水和水分急剧蒸发,混凝土失水收缩,同时骨料因自重下沉,因此时混凝土尚未硬化,称为塑性收缩。塑性收缩所产生量级很大,可达1%左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡,便形成沿钢筋方向的裂缝。为减小混凝土塑性收缩,施工时应控制水灰比,避免过长时间的搅拌,下料不宜太快,振捣要密实,竖向变截面处宜分层浇筑。

缩水收缩(干缩)。混凝土结硬以后,随着表层水分逐步蒸发,湿度逐步降低,混凝土体积减小,称为缩水收缩(干缩)。因混凝土表层水分损失快,内部损失慢,因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩,表面收缩变形受到内部混凝土的约束,致使表面混凝土承受拉力,当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。如配筋率较大的构件(超过3%),钢筋对混凝土收缩的约束比较明显,混凝土表面容易出现龟裂裂纹。

・

41・第6卷第1期

2004年3月

辽宁省交通高等专科学校学报

JOURNAL 　OF 　L IAONIN G 　PROVINCIAL 　COLL EGE 　OF 　COMMUNICATIONS

Vol.6No.1Mar .2004

自生收缩。自生收缩是混凝土在硬化过程中,水泥与水

发生水化反应,这种收缩与外界湿度无关,且可以是正的(即收缩,如普通硅酸盐水泥混凝土),也可以是负的(即膨胀,如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土)。

炭化收缩。大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。炭化收缩一般不做计算。

混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝,裂缝宽度较细,且纵横交错,成龟裂状,形状没有任何规律。

研究表明,影响混凝土收缩裂缝的主要因素有:水泥品种、标号及用量;骨料品种;水灰比;外掺剂;养护方法;外界环境;振捣方式及时间等。

对于温度和收缩引起的裂缝,增配构造钢筋可明显提高混凝土的抗裂性,尤其是空心板结构(壁厚5～20cm )。构造

上配筋宜优先采用小直径钢筋(φ6～φ12)、小间距布置(@10

～@15cm ),全截面构造配筋率不宜低于0.3%,一般可采用

0.3%～0.5%。2.4　冻胀引起的裂缝

大气气温低于零度时,吸水饱和的混凝土出现冰冻,游离的水转变成冰,体积膨胀9%,因而混凝土产生膨胀应力;同时混凝土凝胶孔中的过冷水(结冰温度在-78度以下)在微观结构中迁移和重分布引起渗透压,使混凝土中膨胀力加大,混凝土强度降低,并导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重,成龄后混凝土强度损失可达30%～50%。冬季施工时对预应力孔道灌浆后若不采取保温措施也可能发生沿管道方向的冻胀裂缝。

温度低于零度和混凝土吸水饱和是发生冻胀破坏的必要条件。当混凝土中骨料空隙多、吸水性强;骨料中含泥土等杂质过多;混凝土水灰比偏大、振捣不密实;养护不力使混凝土早期受冻等,均可能导致混凝土冻胀裂缝。冬季施工时,采用电气加热法、暖棚法、地下蓄热法、蒸汽加热法养护以及在混凝土拌和水中掺入防冻剂(但氯盐不宜使用),可保证混凝土在低温或负温条件下硬化。2.5　施工工艺质量引起的裂缝

在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中,若施工工艺不合理、施工质量低劣,容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝,特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异,比较典型常见的因素有:施工不规范,保护层厚度与设计值相差过大;混凝土振捣不密实、不均匀,出现蜂窝、麻面、空洞,导致钢筋锈蚀或其它荷载裂缝的起源点;混凝土浇筑过快,混凝土流动性

较低,在硬化前因混凝土沉实不足,硬化后沉实过大,容易在

浇筑数小时后发生裂缝,既塑性收缩裂缝;混凝土搅拌、运输时间过长,使水分蒸发过多,引起混凝土塌落度过低,使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝;混凝土初期养护时急剧干燥,使得混凝土与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝;用泵送混凝土施工时,为保证混凝土的流动性,增加水和水泥用量,或因其它原因加大了水灰比,导致混凝土凝结硬化时收缩量增加,使得混凝土体积上出现不规则裂缝;混凝土分层或分段浇筑时,接头部位处理不好,易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝;混凝土早期受冻,使构件表面出现裂纹,或局部剥落,或脱模后出现空鼓现象;施工时模板刚度不足,在浇筑混凝土时,由于侧向压力的作用使得模板变形,产生与模板变形一致的裂缝;施工时拆模过早,混凝土强度不足,使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝;施工质量控制差。任意套用混凝土配合比,水、砂石、水泥材料计量不准,结果造成混凝土强度不足和其他性能(和易性、密实度)下降,导致结构开裂。3　处理措施3.1　设计措施

在结构计算时应全面考虑空心板的受力情况,包括施工荷载作用下的受力计算。在梁板配筋时,注意剪力筋的布设,并要做到增加钢筋根数,减小钢筋截面。对薄弱位置应做特殊设计。3.2　施工处理措施

施工环节是控制裂缝出现的主要因素,要对每个可能影响或引起裂缝的工序进行控制。首先,要对材料进行全面的抽检和试验,必须保证材料质量全面合格;其次,对混凝土的配合比进行试配,尽可能的模拟施工环境,以保证施工质量;第三,梁板预制宜采用工厂化生产,模板应采用具有足够强度和刚度的钢模板;第四,控制混凝土的入模温度,养生期应保证梁板始终保持适宜的温度和湿度,冬季施工应注意采用合理的保暖措施;第五,堆放、运输、吊装应按规定要求进行,避免野蛮装卸、施工。4　结束语

裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象,它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力,影响建筑物的使用功能,而且会引起钢筋的锈蚀,混凝土的碳化,降低材料的耐久性,影响建筑物的承载能力,因此要对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待,采用合理的方法进行处理,并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展,保证建筑物和构件安全、稳定地工作。

An Simple Analysis of Cracking Reason on Hollow Core Prestressed Concrete Slab

Zhen Baotang 　　Pang Ronggao 　　Sun Dong

〔Abstracts 〕Prestressed concrete slab is a useful structure type in bridge engineering now.It can be designed simply ,and constructed

easily and quickly.But it is affected badly in applying and its life -span when it cracks.The author analyses the reasons of concrete cracks ,and provides the methods to help towards preventing cracks and experience of slab designing and construction in this paper.〔K eyw ords 〕prestress ;　concrete ;　slab ;　crack

・

51・　第1期郑宝堂等:浅析应力先张法空心板裂缝产生原因