A类央企信托-非标淮安政信

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政信知识：

浅谈砼施工中早期裂缝的产生原因及预防措施

     关键词：桥面；裂缝；分析；预防 桥面砼裂缝是桥梁施工中的一个通病，裂缝将不同程度地降低桥面整体性和耐久性，影响桥梁的使用寿命，严重者可能导致质量事故的发生

    尽管大批工程技术人员和管理人员在这方面作出了坚持不懈的努力，但“裂缝”依旧像一名顽强的杀手，困扰着人类，因而必须高度重视、严加控制

     1、砼材料及半成品水泥砼(以下简称砼)是以水泥为胶凝材料，与水和骨料按适当比例配合拌制成拌和物经硬化后得到的人造石材 水泥水化所需结合水，一般占水泥重量的25％左右，但拌制砼时，为获得必要的流动性，水灰比通常在0.35～0.8之间，这样就有了多余的水分

    砼干缩主要由这些多余水分蒸发造成，水灰比越大，水泥石中毛细孔隙越多，干缩率也越大

    试验表明，砼用水量每增加1％，干缩率就增加2～3％

    同样，水泥安定性不良，砂石级配差，砂过细，产生干缩性裂缝；砂石含泥量过大，使混凝土强度急剧降低，减弱抗渗性，干燥时产生裂缝；混凝土配合比不良，砂率过大；不适当的掺用氯盐；水泥的水化热；混凝土沉陷、干缩等等，都会产生导致裂缝的产生

     2、砼裂缝的产生 2.1温差裂缝温差变形有二种情况：升温与降温

    水化过程将释放水化热使砼内部温度升高，而表面温度因受环境影响偏低，造成内部膨胀而外部收缩

    砼的膨胀和收缩都会受到骨料的约束，产生强制应力，当此应力超过当时的砼抗拉强度时，便产生裂缝

    文献资料表明：在砼硬化过程中，当砼受热变形超过8‰时，砼结构将不可避免地产生裂缝

     2.2泌水裂缝新浇筑砼，不可避免地产生不同程度的集料与水分离现象，造成表面泌水，最终形成表面裂缝，严重时表面脱皮

    泌水裂缝的产生主要与单位用水量有关系

     2.3干缩裂缝砼在硬化过程中，仅有一部分水分参加水化作用，而其余水分渐渐蒸发，使砼产生干缩变形

    如果干缩产生的拉应力超过砼硬化初期的抗拉强度时，就会出现裂缝

    水分蒸发受环境、季节、气温、空气湿度及风速度等因素的影响，对于新鲜砼当其表面水的蒸发速度接近0.5kg／m2?h时，便应采取措施预防干缩裂缝

     2.4冻融裂缝冻融裂缝主要是因桥面砼面大层薄，养生工作很难到位，砼中的水分结冰后困冰胀力而产生裂缝

     2.5其它裂缝桥面砼浇筑过程中，还有几种易于避免但较为常见的裂缝

    在砼浇筑过程中，因钢筋网走样造成保护层厚度过大或过小而产生的裂缝；下层结构不均匀沉降产生的应力破坏；砼张拉后的预应力破坏，这种破坏往往表现为规则的通缝

     3、裂缝的预防 3.1砼材料“质量”是以“质”为本的，材料的质量决定产品的质量

    在实际应用中，应根据工程的不同要求，选用合适的水泥、骨料品种

    就水泥矿物成分而言，桥面砼水泥应选用铝酸三钙含量低，铁铝酸四钙含量高的水泥

    就品种而言，水泥忌用矿渣水泥而首推硅酸盐道路水泥及粉煤灰硅酸盐水泥

    采用普通水泥的，可在水泥用量不变的情况下，掺入粉煤灰或减水剂

    水泥与骨料的粘结强度是由界面凹凸造成的机械啮合、摩擦力和化学结合力等共同组合而成的

    骨料对砼强度的影响取决于骨料的表面特征、矿物成分、力学性能等

    石子Dmax增大，可减少砼的收缩，但会因薄弱面的增加而使砼的抗剪性降低，故石子Dmax宜适中，并采用连续级配的碎石

    砂子宜采用细度模数较大的内河中粗砂，含砂率不应超过35％

     3.2砼浇筑砼在振捣过程中，内部原有的粘着力和摩擦力减小，骨料在重力作用下下沉紧密排列，水泥浆填充空隙，水、汽泡被排出，表面产生泌水现象

    规范要求，对泌出水分，不宜直接引走，而用吸水材料吸干，以防带走水泥

    现在的砼真空脱水工艺也是解决泌水裂缝的较好方法

    对于桥面砼，经真空脱水后，水灰比在0.31-0.36之间，强度可提高20％～50％，也增强了砼的抗裂性能

    笔者认为，在振捣完成后，很大一部分泥质及其有害杂质也随水析出，浮在表面，这种高含泥量砂浆强度差、干缩性大，易在上下两层砼间形成薄弱的夹层，使砼表面龟裂甚至脱皮

    在实际操作过程中，桥面砼浇筑面层时谊高出设计5mm左右，在振捣密实后，把高出部分表面砂浆用刮刀予以刮除抹面

    砼初凝前，往往会出现表面裂缝(主要是温差裂缝)，这时应进行及时收浆二次抹面，使砼进一步密实，并使砼表面产生裂缝愈合

    这是消除早期裂缝有效的措施

    砼浇筑应避开高温和低温

    按规范要求，在气温低于5℃或高于35℃时是不允许浇筑砼的

     3.3砼养生砼养生的目的是使砼在一段时间内保持适当的温度、湿度，营造良好砼硬化条件

    桥面砼应在浇筑后立即用活动棚罩遮盖或膜式养护剂喷洒，避免水分蒸发过快

    传统覆盖物多用湿草帘类，存在桥面污染和密实性差的弊病

    因此目前多采用针刺土工布洒水覆盖并用塑料薄膜保湿的办法进行养生，少数地方采用砼养护剂养生效果也比较理想

    桥面砼洒水养护时间不宜小于7d，粉煤灰水泥应再延长7d

     3.4接头接缝处理砼接头、按缝引起桥面砼裂缝大致有二方面的原因，首先是下层砼(接头、接缝砼)硬化造成上层砼(桥面砼)的裂缝，主要由下层砼干缩和水汽蒸发所致，故桥面砼的浇筑应在下层砼强度达到70％且养护期不能少于7d后方能进行

    其二是接头、接缝砼在受力后发生不均匀徐变

    砼徐变对砼防裂是有缓冲作用，但在某些粱板接头接缝施工中，徐变是产生裂缝的直接原因，所以任何事物都是矛盾的统一体

    砼徐变是一个漫长的过程，在TO时间内徐变基本达到徐变总量的80％，在施工中我们可将此徐变期作为桥面砼允许浇筑期限

    TO值在实际操作过程中可取砼浇筑后45天，但同时要满足予应力张拉20天后的条件

    因施工规范的缺陷，没有提到徐变期，所以在实际施工中几乎没有人去专门控制徐变期，这也是予应力砼拼接节点大都存在规则通缝的原因之一

     4、结语 砼表面质量是砼内在质量的反映，预防砼裂缝其实是和提高砼强度联系在一起的

    砼裂缝的存在，使裂缝尖端出现应力集中，致使裂缝在较小应力作用下不断扩大、延伸，并相互连接起来，破坏应力因此大幅度下降

    但也勿须“谈缝色变”，一有裂缝就一棍子打死

    理论上砼微细的裂隙是不可避免的，对于肉眼可见的表面裂缝，如果裂缝宽度、深度在许可范围内，也是正常的，只有某些梁体结构通缝、顺筋裂缝和某些严格要求不出现裂缝的预应力构件的裂缝才是让人“色变”的

    桥面砼面积大、厚度薄，比较容易产生裂缝，本文所谈的桥面砼裂缝的预防仅仅是个案，大部分防裂措施也适用于其它砼浇筑

       桩基础的桩-土动力相互作用是较为复杂的问题之一

    各国学者和桥梁设计人员针对桩土作用提出了不同的计算及模拟方法（K法、C值法等），现阶段广为设计人员接受和采用的计算方法为“m法”；基本原理是将桩作为弹性地基梁进行考虑计算

    本文针对midas计算中桩基础模拟的不同考虑方式进行论述，分析得出不同模拟方式对上部结构计算带来的影响，以对今后桥梁计算有所帮助

      关键词：桩土作用；“m法”；桩基础模拟  　　桥梁结构空间建模计算中，桩基结构的模拟方式会很大程度的影响承台底的约束刚度

    承台底约束刚度数值的变化将导致桥梁上部结构同种工况下内力和位移数值有差异

    尤其在现阶段对地震工况下对桥梁的设计，墩顶地震水平力数值对其更为敏感

    本文通过对3x30等截面现浇箱梁地震工况下的midas抗震分析；一种方法通过桩土弹簧对桩体进行模拟，另一种通过桥易软件算出桩顶刚度施加到midas模型中墩底约束

    通过两种方法计算墩顶水平力结果的对比研究，给出在桥梁设计中结构计算的建议

      　　1 midas模型模拟土弹簧结构计算  　　工程概况：3x30m等截面现浇箱梁，桥宽13.0m，墩柱采用花瓶墩，支座采用铅芯隔震橡胶支座，中墩桩基础为4颗Φ1.5m直径混凝土灌注桩

    桥梁结构midas模型如图1

      　　桥梁全桥模型采用梁单元进行建模，主梁与墩柱的连接采用模型中的减隔震支座单元进行实际刚度模拟

    承台以下桩基础采用土弹簧约束模拟（图2）

    桩基在轴向和横向荷载作用下桩身的内力和位移计算，国内外学者提出了许多方法

    目前较为普遍的是桩侧土采用文克尔假定，通过求解挠曲微分方程，再结合力的平衡条件，求出桩各个部位的内力和位移，该方法称为弹性地基梁法

    以文克尔假定为基础的弹性地基梁法从土力学观点看是不够严密的，但基本概念明确，方法简单，所得结果一般较为安全，在国内外工程得到广泛应用

    我国公路、铁路桩基础的设计中常用的“m法”就属于此种方法，本文第一种计算方法就是根据“m法”来确定桩侧的土弹簧刚度，对桥梁结构的桩基进行模拟

      　　在计算中桩侧的土弹簧等效刚度由公式：K=mzb0h0进行计算

    其中m为地基水平向抗力系数；z为自地面起深度；b0为桩的等效宽度；h0为桩基单元划分长度

    桥梁结构模型采用反应谱分析进行E2地震工况下的计算，模型后处理后查询桥梁结构墩顶在地震工况下所产生的水平力

    由于两个中墩均采用减隔震支座，支座型号一致，故模型计算得出两墩顶相同的地 震水平力H；H=2598kN

      　　上文所述关于midas中采用该软件自身土弹簧模拟建模，其中有几点需特别注意：首先，“m法”中m的取值往往在地勘资料中是没有具体数值的，一般根据地层和设计人员的经验从规范查得，m值的取值对刚度的计算结果影响较大，取值的把握应该在计算中特别注意；其次，由于实际设计桩长往往较长，而根据桩基的实际内力弯矩曲线可知，较下面的桩的刚度对承台底部抗推刚度影响较小，故在模型计算中没有必要对全部桩长进行模拟，有利于节省计算周期

      　　2 midas计算中承台底约束采用集成刚度进行约束  　　上文中所提到的采用土弹簧刚度进行桩基模拟的方法，在遇到承台底部桩基数量较多以及桥梁单联跨数较多时

    对土弹簧的计算及对模型得到约束施加较为繁琐，这较大程度的降低了计算效率

    本文所阐述的第二种计算方法为midas与其他计算软件相结合，摘取软件计算中桩基模拟后所产生的桩顶刚度数值施加于midas计算模型中承台底

    进而对模型进行计算

      　　本方法在计算所依据的方法依然为公路规范中所采用的“m法”，在计算时根据地勘资料详细输入各个图层的力学参数，并如上文所提针对图层m值进行合理取值

    图层参数输入完成后，运行软件计算，软件将会快速计算出桩顶即承台底部的集中刚度

    在midas模型计算中，承台底约束施加类型采用约束中的一般约束，即可自定义承台底各个方向的约束刚度，只需将软件中所提出的刚度数值如实输入即可

      　　Midas模型承台底约束定义完成后进行模型计算

    计算完成后进行查询墩顶在地震工况下的水平力，得出H=2687kN

    与土弹簧刚度模拟后计算结果相对比，计算结果相差较小

    并在此情况下对桥梁结构进行设计偏于安全

      　　3 结论  　　本文通过对midas模型中承台底约束的不同模拟方法分别进行计算并对比结果得出以下结论：  　　1）在对承台底桩基础进行模拟计算时，要按照地勘资料对桩基进行实际模拟，并对各个图层m值进行合理取值，m值大小将很大程度上影响计算精度；  　　2）通过两种方法计算对比得出，midas与桩顶刚度计算软件相结合，计算将会较为简便，本文建议采用此种方法进行桥梁结构计算，将会较大的减少了桥梁设计周期；  　　参考文献：  　　【1】赵元一.地震作用下桩―土―框架结构体系的数值模拟及分析【D】.合肥工业大学，2006.  　　【2】马志涛.水平荷载下桩基受力特性研究综述【J】.河海大学学报（自然科学版），2006（05）.  　　【3】邓晓燕.桩―梁―地基土共同作用分析【D】.湖南大学，2002. 

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