天津港南疆港區(qū)神華煤炭碼頭工程面層設(shè)計(jì)

鄭廳廳，詹明，朱子平

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222；2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的騰飛，進(jìn)出口貿(mào)易量大幅提高，港口建設(shè)得到迅猛發(fā)展。作為港口設(shè)施主要部分，由于面層質(zhì)量影響到觀感和碼頭的利用效率，而越來越得到廣泛關(guān)注。碼頭面層在以往水工工程中曾被稱為磨耗層，設(shè)計(jì)一般采用100～150 mm素混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20或C25，由于施工期和使用期原因，面層裂縫一直難以得到有效控制。

本文介紹天津港南疆港區(qū)神華煤炭碼頭工程面層設(shè)計(jì)成果，對(duì)控制面層裂縫產(chǎn)生的方法進(jìn)行探討。

1 工程概況

天津港南疆港區(qū)神華煤炭碼頭工程是天津市重點(diǎn)工程，主要包括新建煤炭裝船泊位3個(gè)（其中15萬噸級(jí)泊位1個(gè)，7萬噸級(jí)泊位2個(gè)），年設(shè)計(jì)通過能力3 500萬t；碼頭長890 m；堆場42.3萬m2，堆存能力144萬t。

碼頭為樁基梁板式結(jié)構(gòu)。碼頭排架間距為8.0 m，每個(gè)排架布置7根樁，其中前軌道梁下為雙直樁，后軌道梁下為一對(duì)叉樁，基樁采用φ1 200 mm和φ1 000 mm的鋼管樁。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制預(yù)應(yīng)力橫梁、軌道梁、連系梁、面板和靠船構(gòu)件，各構(gòu)件安裝好后均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土接頭將其連接成整體。碼頭端部由于需要布置轉(zhuǎn)接機(jī)房、驅(qū)動(dòng)裝置、張緊裝置等，設(shè)備基礎(chǔ)預(yù)埋件數(shù)量多、荷載大，上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆混凝土墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)厚度為2.0 m。

為解決碼頭使用期面層開裂難題，設(shè)計(jì)中借鑒了公路行業(yè)對(duì)混凝土路面裂縫控制經(jīng)驗(yàn)和理論研究成果，在碼頭面層混凝土設(shè)計(jì)中引入剛度協(xié)調(diào)的理念，控制面板變形，減小面層和面板的剛度差，增強(qiáng)面層和面板之間的連系。具體工程措施包括面層采用和面板相近的混凝土強(qiáng)度等級(jí)、面層混凝土中摻入優(yōu)質(zhì)聚丙烯纖維、面層中加設(shè)焊接鋼筋網(wǎng)片并設(shè)置錨筋與面板連接等。這些措施取得了顯著的效果，有效防止了使用期面層開裂的產(chǎn)生，為今后解決碼頭面層的開裂問題開拓了一條新的途徑。

2 面層混凝土受力分析

天津港地區(qū)碼頭結(jié)構(gòu)形式多為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，面板支撐在縱橫梁上部，并通過現(xiàn)澆板縫與縱橫梁連接為連續(xù)結(jié)構(gòu)，面板上部澆筑面層，這種結(jié)構(gòu)形式具有現(xiàn)場施工工作量小、施工速度快、預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量易保證等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念認(rèn)為面層不受力，僅提供一層抗磨層，上部結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)將面層混凝土作為縱橫梁和面板的荷載考慮，縱橫梁和面板的受力高度計(jì)算至面板頂面。隨著碼頭上設(shè)計(jì)荷載一再增大和流動(dòng)機(jī)械作業(yè)頻率提高，面層混凝土開裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，直接影響碼頭工程創(chuàng)優(yōu)。由于開裂面層需要修補(bǔ)，對(duì)碼頭的使用效率也會(huì)造成一定影響。要減少裂縫的發(fā)生，延長使用壽命，必須重新看待面層的受力狀態(tài)。

由于面層混凝土和面板混凝土之間嚙合力的存在，面層和面板構(gòu)成了事實(shí)上的疊合結(jié)構(gòu)，當(dāng)碼頭面受到荷載作用時(shí)，面層一定會(huì)和相應(yīng)部位的縱橫梁或面板一起變形，協(xié)同動(dòng)作，因此，使用過程中，面層混凝土不可避免地受到正應(yīng)力、層間剪應(yīng)力、疲勞應(yīng)力等作用。

1）正應(yīng)力：面層混凝土受到的正應(yīng)力包括拉應(yīng)力和壓應(yīng)力兩部分，正應(yīng)力計(jì)算應(yīng)該在上部結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮。對(duì)于彎曲作用時(shí)，在面板跨中部分，面層處于疊合結(jié)構(gòu)受壓區(qū)邊緣，受到的壓應(yīng)力最大；面板支座部分，面層處于疊合結(jié)構(gòu)受拉區(qū)邊緣，受到的拉應(yīng)力最大；流動(dòng)機(jī)械輪壓或支腿作用處，面層直接處于壓應(yīng)力作用下。

2）層間剪應(yīng)力：疊合結(jié)構(gòu)受彎時(shí)，垂直于中和軸的橫斷面上各點(diǎn)發(fā)生的角變形相同，線變形與離開中和軸的距離成正比，由于線變形的差值，平行于中和軸的各層面間存在剪應(yīng)力，尤其是相對(duì)薄弱的面層和面板的結(jié)合面更易受到破壞。面板頂面有大型流動(dòng)機(jī)械行駛或打支腿作業(yè)時(shí)，面層混凝土處于受壓狀態(tài)，由于接觸面外混凝土未受力，其下混凝土除發(fā)生向下的變形外，還會(huì)發(fā)生水平方向的變位，周邊混凝土受到相應(yīng)擠壓，也會(huì)產(chǎn)生層間剪力。

3）疲勞應(yīng)力：碼頭面在每次堆貨過程或每次流動(dòng)機(jī)械通過時(shí)，均會(huì)引起碼頭面產(chǎn)生縱向、橫向的撓度，相應(yīng)也造成一次荷載疲勞；另一方面，由于溫度和濕度變化，在溫差和干縮作用下，存在溫度和濕度疲勞應(yīng)力。

3 面層混凝土裂縫的成因

1）施工期裂縫：混凝土本身具有硬化收縮的特性，面層混凝土屬于大面積薄層結(jié)構(gòu)，與其它部位混凝土相比具有一定的特性。面層混凝土澆筑完成后，暴露在空氣中的面積大，水分蒸發(fā)快，干縮變形大；下部預(yù)制鋼筋混凝土面板相對(duì)剛度很大，一定程度上限制了面層混凝土的干縮變形。由于以上因素，施工過程中面層混凝土內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力，如果不采取相應(yīng)措施，極易造成施工期裂縫的產(chǎn)生。

2）使用期裂縫：在荷載直接作用下，面層混凝土受到正應(yīng)力、層間剪力、疲勞應(yīng)力的交替作用，當(dāng)超過面層的承載能力時(shí)，相應(yīng)部位會(huì)出現(xiàn)裂縫。

4 面層混凝土設(shè)計(jì)方案

1）面層混凝土強(qiáng)度等級(jí)：面層混凝土強(qiáng)度等級(jí)是本工程中受到廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中強(qiáng)度等級(jí)均較低，但是由于面層和面板協(xié)同動(dòng)作，在正彎矩作用下，面層處于疊合結(jié)構(gòu)最上緣，是壓應(yīng)力最大的部位，如果其抗壓強(qiáng)度不足，將先于面板混凝土被壓碎，因而面層混凝土最好選用和面板混凝土相同的強(qiáng)度等級(jí)。本工程面板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，考慮到碼頭工程處于沿海地區(qū)，溫度和濕度變化劇烈，施工質(zhì)量難以控制，且是首次采用高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行面層施工，缺乏經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)將面層混凝土強(qiáng)度等級(jí)確定為C40。

2）焊接鋼筋網(wǎng)：面層混凝土內(nèi)部設(shè)置鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)的鋼筋直徑12 mm，雙向間距均采用100 mm，要求采用冷軋帶肋鋼筋在專業(yè)工廠內(nèi)通過電阻焊接方式焊接，鋼筋網(wǎng)頂面凈保護(hù)層選擇50 mm。鋼筋網(wǎng)的設(shè)置參照了JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，有助于提高使用過程中面層混凝土的承載能力，克服正應(yīng)力、疲勞應(yīng)力造成的裂縫。

3）錨固鋼筋：為了提高面層混凝土和面板混凝土層間的抗剪能力，在面板頂面設(shè)置錨固鋼筋，錨固鋼筋選用直徑14 mm的螺紋鋼筋，錨入面板內(nèi)長度不小于80 mm，外伸段頂端低于面層頂面40 mm，雙向間距均為500 mm，并要保證不少于4根/m2。錨固鋼筋施工完成后，鋪設(shè)焊接鋼筋網(wǎng)，并將鋼筋網(wǎng)按設(shè)計(jì)標(biāo)高焊接在錨固鋼筋上，錨固鋼筋同時(shí)起架立作用。

4）聚丙烯纖維：優(yōu)質(zhì)聚丙烯纖維具有直徑小、數(shù)量多、易分散等特點(diǎn)，在混凝土拌和時(shí)摻入，經(jīng)過充分拌和，纖維均勻分布在混凝土內(nèi)，限制了混凝土內(nèi)不同比重物質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于其本身具有一定的抗拉強(qiáng)度，能夠限制混凝土澆筑后早期的塑性收縮裂縫。本工程選用了奧地利產(chǎn)MCP100型聚丙烯纖維，纖度為34 μm，長度為12～15 mm，摻量為1 kg/m3，其中短切割纖維不少于1.5億根/kg。

5）角部加強(qiáng)鋼筋：在面層角部及皮帶機(jī)基礎(chǔ)支墩外側(cè)各1.2 m范圍內(nèi)設(shè)置加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)，加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)鋼筋垂直裂縫布置，放置在焊接鋼筋網(wǎng)下方，角部加強(qiáng)鋼筋的設(shè)置有助于防止角部應(yīng)力集中造成的裂縫。

6）施工措施：要求選擇用熟料生產(chǎn)的水泥，水泥水化熱盡量低；骨料必須水洗，限制含泥量，骨料級(jí)配應(yīng)良好；面層澆筑前用淡水對(duì)面板頂面沖洗潤濕不少于6 h，面層澆筑后采用合理的養(yǎng)護(hù)措施；鋸縫時(shí)機(jī)和位置應(yīng)適當(dāng)。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，面層只具備磨耗層功能，在使用過程中出現(xiàn)的開裂雖不會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的安全性，但影響到項(xiàng)目創(chuàng)優(yōu)，且對(duì)其進(jìn)行維修會(huì)在一定程度上影響生產(chǎn)及使用。面層開裂作為港口工程質(zhì)量通病，其治理措施一直受到廣泛關(guān)注。本工程面層設(shè)計(jì)中引入了鋼筋混凝土橋面鋪裝的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合高樁梁板碼頭的特點(diǎn)及港口工程作業(yè)環(huán)境，提出了新的設(shè)計(jì)方案。竣工資料顯示實(shí)際混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C45，經(jīng)核查，未發(fā)現(xiàn)有害裂縫，觀感質(zhì)量良好。

[1]傅智.水泥混凝土路面施工技術(shù) [M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.

[2]JTG D40-2002，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].