淺談市政橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及加固技術(shù)處理.docx

淺談市政橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及加固技術(shù)處理市政橋梁裂縫產(chǎn)生的原因復(fù)雜、種類繁多，如果不對(duì)裂縫進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析和研究，就很難揭示出市政橋梁病害產(chǎn)生的內(nèi)涵和機(jī)理。因此，市政橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及加固技術(shù)處理不僅闡明了裂縫形成機(jī)理、裂縫危害性評(píng)定等問題，還直接為今后市政橋梁病害的綜合治理提供技術(shù)前提和決策依據(jù)，這正是市政橋梁裂縫分析和研究的目的。本文主要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫分析為基礎(chǔ),分析了裂縫產(chǎn)生原因及機(jī)理，指出裂縫處理作為市政橋梁加固增強(qiáng)技術(shù)的重要性，并且針對(duì)性的介紹市政橋梁的加固技術(shù)處理。國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了道路交通的極大需求。作為道路交通中的市政橋梁，由于設(shè)計(jì)、施工及其它各種原因，直接影響和損害了這些市政橋梁的安全性、實(shí)用性和耐久性，從而嚴(yán)重影響著整條線路的暢通，也制約了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為此，對(duì)市政橋梁維修、加固補(bǔ)強(qiáng)，與如何提高其承載能力等問題的研究、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐推廣已引起了世界性的關(guān)注。線性裂縫計(jì)算理論：混凝土是一種耐久性很好的材料，但是其抗拉強(qiáng)度較低易拉裂。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)裂縫，將顯著減小構(gòu)件的剛度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形增大;裂縫寬度過寬，則由于水汽和有害氣體的侵入，將導(dǎo)致鋼筋銹蝕，從而大大降低了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限。我國舊橋數(shù)量眾多，許多市政橋梁在營運(yùn)過程中出現(xiàn)了裂縫，因此，如何較為精確地計(jì)算出市政橋梁在荷載作用下地的裂縫寬度及如何對(duì)其進(jìn)行控制就顯得十分的重要。這一經(jīng)典裂縫理論由英國的Saligar于1936年提出，這個(gè)理論認(rèn)為:鋼筋應(yīng)力是通過鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力傳遞給混凝土的，裂縫控制主要取決于鋼筋何混凝土之間的粘結(jié)性能，由于鋼筋和混凝土之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，變形不再一致而導(dǎo)致裂縫開展?；谡辰Y(jié)滑移理論，各國學(xué)者對(duì)于裂縫的計(jì)算都做了大量地研究，也有不少比較適用地成果，如Hognestad公式與Tossios公式等等。由發(fā)展的粘結(jié)滑移理論可得到如下裂縫寬度的計(jì)算公式:式中:最大裂縫寬度；構(gòu)件受力特征系數(shù);案截面的“有效受拉混凝土面積”計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率:f裂縫縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù);縱向受拉鋼筋表面特征系數(shù);d鋼筋直徑;c最外一排受拉鋼筋的保護(hù)層厚度;按荷載短期效應(yīng)組合計(jì)算的縱向受拉鋼筋應(yīng)力。市政橋梁結(jié)構(gòu)裂縫常見原因分析：混凝土市政橋梁構(gòu)造物開裂是由多方面原因形成的，從混凝土形成的機(jī)理上可分為受力裂縫和非受力裂縫，它們既有因設(shè)計(jì)失誤而引起的結(jié)構(gòu)開裂，也有在施工期因工藝水平、施工控制失誤而形成的開裂，若在運(yùn)行期間市政橋梁結(jié)構(gòu)開展裂縫則多數(shù)是由各種荷載作用而形成的。非受力裂縫的分析：市政橋梁結(jié)構(gòu)中混凝土的非受力裂縫與混凝土自身的性質(zhì)是有著密切的關(guān)系的?；炷潦怯伤?、摻和料、外加劑于與水配制的膠結(jié)材漿體將分散的砂、石經(jīng)攪拌粘結(jié)在一起的工程材料，硬結(jié)的混凝土含固相、液相，氣相，是多元、多相、非勻質(zhì)水泥基復(fù)合材料水泥與水反應(yīng)后的水化物要比原占體積有所縮減，縮減量約相當(dāng)于化合水量的1/4，拌和物中石子吸水也使水泥石體積收縮，雖不至于影響混凝土的外觀尺寸，但在骨料約束下可引發(fā)微小裂縫和增大孔隙率。微裂的原因可按混凝土的構(gòu)造理論加以解釋，即視混凝土為非均質(zhì)材料(如骨料、水泥石、氣體、水分等)，在溫度、濕度變化條等條件下，混凝土逐步硬化，同時(shí)產(chǎn)生體積變形，這種變形是不均勻的，水泥石收縮較大，骨料收縮很小，水泥石的熱膨脹系數(shù)大，骨料較小，它們之間的變形不是自由的而產(chǎn)生相互約束應(yīng)力。在構(gòu)造理論中一種極為簡單的計(jì)算模型，是假定圓形骨料不變形，且均勻地分布于均質(zhì)彈性水泥石中，當(dāng)水泥石產(chǎn)生收縮的引起內(nèi)應(yīng)力，這種應(yīng)力而引起粘著微裂和水泥石微裂?；炷劣质菑椥阅Ａ枯^高而抗拉強(qiáng)度較低的材料，在受約束條件下只要發(fā)生少許收縮，產(chǎn)生的拉應(yīng)力往往會(huì)大于該凝期混凝土的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土發(fā)生裂縫。混凝土在澆筑成型后，混凝土骨料對(duì)漿體收縮的約束，使混凝土內(nèi)部從一開始就產(chǎn)生了微裂縫，在環(huán)境溫度、濕度、荷載等因素作用下，這些混凝土就可發(fā)展為肉眼可見的宏觀裂縫。受力裂縫的分析：1、荷載引起的裂縫，混凝土市政橋梁在靜、動(dòng)荷載及次應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂縫稱為荷載裂縫。裂縫的形狀與結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布有著直接的關(guān)系。結(jié)構(gòu)中應(yīng)力值的大小是導(dǎo)致裂縫發(fā)展的內(nèi)在因素，歸納起來主要有直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。2、地基變形引起的裂縫，由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。工程實(shí)例（一）工程概況某市某交叉口高架橋孔徑布置為：第一聯(lián)、第三聯(lián)均為330等截面預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，單箱雙室，梁高1.60米，底板寬度4.5米，腹板厚0.45米；第二聯(lián)30+40+30預(yù)應(yīng)力變截面混凝土連續(xù)箱梁，單箱雙室，腹板厚從0.5-0.7米，梁高從1.60-2.50米；橋面寬度16.5m，設(shè)計(jì)車道為4車道；該橋設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)。箱梁混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50。在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋面中出現(xiàn)了寬而長的裂縫，市政橋梁使用管理部門擔(dān)心該橋的安全使用性能，要求對(duì)該橋的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行檢測并預(yù)測裂縫的發(fā)展趨勢。（二）裂縫普查在汽車荷載試驗(yàn)之前，對(duì)該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行了認(rèn)真的裂縫普查。普查發(fā)現(xiàn)該橋左右半幅（左幅靠東側(cè)，右幅靠西側(cè)）橋面已存在數(shù)條肉眼可見的裂縫，同時(shí)裂縫寬度較大。在左半幅橋面上，兩處縱向裂縫位于距橋邊防撞墻2.3米處，即腹板內(nèi)，最大裂縫寬度分別為0.40、1.29mm;長分別為15m（第一聯(lián)邊跨跨中區(qū)域）和10m（第一聯(lián)中跨跨中區(qū)域）；在右半幅橋面上，一處縱向裂縫位于距橋邊防撞墻2.0米處，即翼緣板端部，最大裂縫寬度分別為0.67、0.84mm，長分為7.6m（第三聯(lián)邊跨跨中區(qū)域）;該半幅橋面存在一處橫向裂縫（第二聯(lián)中跨距第一內(nèi)支座1/3L處），該處裂縫長0.21m，寬1.10mm。在各工況汽車荷載作用下，左右半幅橋面上各處縱橫向裂縫的最大寬度基本沒有變化，縱橫向裂縫較穩(wěn)定，觀測到的最大裂縫寬度基本沒有明顯的發(fā)展。但是，由于結(jié)構(gòu)的部分裂縫寬度超過規(guī)范的限定值，建議在市政橋梁的今后使用中應(yīng)注意裂縫的定期監(jiān)測。（三）裂縫寬度驗(yàn)算鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫寬度的計(jì)算方法有兩種，一類是力學(xué)模型為基礎(chǔ)的半理論半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法，另一類是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法。而在每類計(jì)算法中所依據(jù)的裂縫機(jī)理又不一致，以及對(duì)影響裂縫開展寬度主要因素取舍上的差異，因此，迄今為止提出的裂縫寬度計(jì)算公式是多種多樣的。其中，國內(nèi)外以往的各種規(guī)范和個(gè)別部門的現(xiàn)行規(guī)范中所采用的半理論半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算公式多是分別建立在粘結(jié)滑動(dòng)理論、粘結(jié)無滑動(dòng)理論、粘結(jié)理論、粘結(jié)和曲率理論基礎(chǔ)上提出來的，而目前各種規(guī)范中使用較多的是以統(tǒng)計(jì)分析為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)公式。1968年Gorgely和lutz根據(jù)一些實(shí)測的裂縫資料進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)影響裂縫開展寬度的主要因素采取多種組合方式，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證后進(jìn)行優(yōu)選，提出以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，有一定保證率且便于計(jì)算的裂縫寬度計(jì)算公式，并且在1971年被納入美國ACI規(guī)范；1975年前蘇聯(lián)放棄了長期采用的以粘結(jié)滑動(dòng)理論建立起來的計(jì)算公式，采用以數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析為基礎(chǔ)的適用于各種構(gòu)件的鋼筋重心處最大裂縫寬度計(jì)算公式；1980年我國趙國藩等人利用國內(nèi)試件實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，提出了適用于矩形、T形、倒T形和工字形截面的各種受力構(gòu)件的最大裂縫寬度計(jì)算公式，依據(jù)公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算，鋼筋混凝土構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度，應(yīng)按作用（或荷載）短期效應(yīng)組合并考慮效應(yīng)影響進(jìn)行驗(yàn)算，在I類和II類環(huán)境下最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.20mm。求得為0.043mm（四）市政橋梁裂縫的原因解析1、拆模過早、混凝土齡期短、施工荷載大施工中在混凝土未達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度，過早拆模，或者在混凝土未達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度就上荷載等因素都可直接造成混凝土樓板的彈性變形，致使混凝土在早期強(qiáng)度低或無強(qiáng)度時(shí)承受應(yīng)力，導(dǎo)致橋面板開裂。2、橋面板上層鋼筋位置未得到有效保護(hù)，下移嚴(yán)重鋼筋對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗裂性能的影響主要是混凝土材料結(jié)構(gòu)是非均質(zhì)的，承受拉力作用時(shí)，截面中各質(zhì)點(diǎn)受力是不均勻的，有大量不規(guī)則的應(yīng)力集中點(diǎn)，這些點(diǎn)由于應(yīng)力首先達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限，引起了局部塑性變形，如無鋼筋，繼續(xù)受力，便在應(yīng)力集中處出現(xiàn)裂縫。如進(jìn)行適當(dāng)配筋，鋼筋將約束混凝土的變形，從而分擔(dān)混凝土的內(nèi)應(yīng)力，推遲混凝土裂縫的出現(xiàn)，亦即提高了混凝土的極限拉伸能力。3、添加早強(qiáng)劑和使用泵送混凝土添加早強(qiáng)劑和使用泵送混凝土也是產(chǎn)生裂縫的一個(gè)原因，由于添加早強(qiáng)劑雖然可以縮短工期，但混凝土的抗拉強(qiáng)度并沒有得到很大提高；