談混凝土箱梁溫度效應(yīng)與裂縫控制★

張滿健 黃金明 李長(zhǎng)鳳

(黑龍江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027)

0 引言

近年來國(guó)內(nèi)橋梁事業(yè)的飛速發(fā)展，由溫度引起的橋梁結(jié)構(gòu)的變形以及溫度作用產(chǎn)生的裂縫等問題已不容忽視。20世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)外都發(fā)現(xiàn)由于溫度應(yīng)力導(dǎo)致混凝土橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p裂的事故。德國(guó)Jagst厚腹板箱板橋通車后第五年發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重裂縫，估計(jì)溫度拉應(yīng)力高達(dá)2.6 MPa;美國(guó)對(duì)ChamPigny箱型橋梁的支座反力進(jìn)行的觀測(cè)結(jié)果顯示，其日內(nèi)變化幅度高達(dá)26%，也同樣得出會(huì)引起較大的應(yīng)力變化。在國(guó)內(nèi)，湖北光華大橋在1984年發(fā)現(xiàn)有明顯的裂縫，九江長(zhǎng)江大橋、漓江二橋等也發(fā)生了裂損。如何能夠有效防治這類裂縫的產(chǎn)生，一直是混凝土結(jié)構(gòu)施工的一個(gè)重大問題。因此，本文分析施工過程中混凝土的施工溫度與裂縫的關(guān)系，針對(duì)裂縫成因探討相關(guān)的處理措施，為今后混凝土橋梁的設(shè)計(jì)與施工提供了參考。

1 溫度變化引起混凝土裂縫的主要原因

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜而繁多，甚至多種因素相互影響。其中混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超出活載應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別其他裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴(kuò)張或合龍。引起溫度變化的主要因素有以下四個(gè)方面:

1)水泥水化熱——混凝土中的主要溫度因素。水泥的水化熱一般出現(xiàn)在施工的過程中以及后期的養(yǎng)護(hù)階段。由于水泥水化過程中將產(chǎn)生大量熱量，一般出現(xiàn)在大體積混凝土澆筑和初期養(yǎng)護(hù)階段，致使內(nèi)部溫度很高。隨著水泥水化反應(yīng)的結(jié)束及混凝土的不斷散熱，混凝土由升溫階段過渡到降溫階段?；炷林行呐c表面部分內(nèi)外溫差太大，致使表面出現(xiàn)裂縫。為此，可盡量選擇水化熱低的水泥品種，以減小內(nèi)外溫差，必要時(shí)可采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部散熱，或采用薄層連續(xù)澆筑以加快散熱。

2)年溫差。四季溫度雖不斷變化，但是溫度變化相對(duì)緩慢，且對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向位移，又一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設(shè)置柔性墩等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào)。我國(guó)年溫差一般以一月和七月的月平均溫度作為變化幅度。大量研究表明，長(zhǎng)期緩慢的年溫度荷載對(duì)橋梁的影響非常小。

3)日照溫度。在太陽輻射作用下，會(huì)使得橋梁局部溫度明顯高于其他部位，溫度梯度呈非線性分布。由于受到自身約束作用，導(dǎo)致局部正應(yīng)力較大，出現(xiàn)裂縫。

4)驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對(duì)較慢而產(chǎn)生溫度梯度。日照和驟然降溫內(nèi)力計(jì)算時(shí)可采用設(shè)計(jì)規(guī)范或參考實(shí)際資料進(jìn)行，混凝土彈性模量不考慮折減。日照和驟然降溫是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度裂縫的最常見原因，見表1。

表1 日照溫度、驟然降溫以及年溫度對(duì)結(jié)構(gòu)溫度裂縫的影響

2 溫度應(yīng)力分析

根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下三個(gè)階段:

1)早期階段:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般為30 d左右。這個(gè)階段有兩個(gè)特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這時(shí)期在混凝土內(nèi)會(huì)形成殘余應(yīng)力。

2)中期階段:自水泥放熱作用基本結(jié)束時(shí)起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止，這個(gè)時(shí)期中，溫度應(yīng)力主要由混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，而在此期間混凝土的彈性模量變化不大。

3)晚期階段:混凝土已完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期。

溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加溫度應(yīng)力根據(jù)引起的原因可分為兩類:

1)自身應(yīng)力:邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。例如，橋梁墩身，結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大，混凝土冷卻時(shí)表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。

2)約束應(yīng)力:結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力。如箱梁頂板混凝土和護(hù)欄混凝土。這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。

3 溫度的控制和防止裂縫的措施

3.1 關(guān)于溫度控制

1)采用改善骨料級(jí)配，用干硬性混凝土摻混合料，加引氣劑或塑化劑措施以減少混凝土中的水泥用量。

2)拌和混凝土?xí)r加水(水采用冰塊冷卻)或用水(或用絕熱材料進(jìn)行覆蓋)將粗骨料冷卻以降低混凝土的澆筑溫度。

3)熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度，采用分層或分段分層方式澆筑混凝土，利用澆筑層面散熱。

4)在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷水降溫。

5)規(guī)定合理的拆模時(shí)間，氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度。

6)施工中長(zhǎng)期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu)，在寒冷季節(jié)采取保溫措施。

3.2 改善約束條件的幾點(diǎn)建議

1)合理地分縫分塊。

2)避免基礎(chǔ)過大起伏。

3)合理地安排施工工序，避免過大的高差和側(cè)面長(zhǎng)期暴露。此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質(zhì)量對(duì)防止裂縫是十分重要的，應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫，出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性是十分困難的，因此施工中要以預(yù)防貫穿裂縫的發(fā)生為主。而混凝土的早期養(yǎng)護(hù)，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達(dá)到兩個(gè)方面的效果，一方面使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮。一方面使水泥水化作用順利進(jìn)行，以期達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和抗裂能力。

4 結(jié)語

由上述分析可知，溫度變化引起混凝土內(nèi)外溫差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)其大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生溫度裂縫。通過本文的分析，希望引起工程技術(shù)人員對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)與施工過程溫度作用產(chǎn)生裂縫的足夠重視，嚴(yán)格按照國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)與施工，多總結(jié)，進(jìn)一步加強(qiáng)質(zhì)量管理，采取相應(yīng)的裂縫預(yù)防控制措施，減少和避免溫度裂縫的產(chǎn)生，以延長(zhǎng)公路與橋梁的使用壽命。

[1] JTJ 041-2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] JTG E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3] 張建峰，郭志堅(jiān).淺析現(xiàn)澆板干縮裂縫的成因與防治[J].山西建筑，2005，31(21):159.

[4] 何 燕，羅 浩.淺議混凝土的施工溫度與裂縫[J].科學(xué)現(xiàn)代，2009(2):57-59.

[5] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.