高樁碼頭混凝土橫梁裂縫影響因素分析

徐 筠，鄧春林，鄭星偉

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州510230；2.中交四航工程研究院有限公司水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510230；3.衢州市衢江航運(yùn)開發(fā)工程項(xiàng)目建設(shè)指揮部，衢州324000）

高樁碼頭混凝土橫梁裂縫影響因素分析

徐 筠1，鄧春林2，鄭星偉3

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州510230；2.中交四航工程研究院有限公司水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510230；3.衢州市衢江航運(yùn)開發(fā)工程項(xiàng)目建設(shè)指揮部，衢州324000）

根據(jù)國內(nèi)某高樁碼頭結(jié)構(gòu)橫梁混凝土開裂情況，結(jié)合現(xiàn)場混凝土溫度監(jiān)測，從內(nèi)約束應(yīng)力和外約束應(yīng)力分析了橫梁混凝土開裂的原因。結(jié)果表明：碼頭上橫梁混凝土的開裂主要是由外約束應(yīng)力導(dǎo)致的，各種參數(shù)對外約束應(yīng)力的影響幅度從大到小依次是：基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)、澆筑間隔時(shí)間、構(gòu)件長度、構(gòu)件高度，研究成果可用于類似工程混凝土裂縫控制。

碼頭；裂縫；水平阻力系數(shù)；澆筑間隔時(shí)間；構(gòu)件長度；構(gòu)件高度

近年來，國家和相關(guān)部門出臺(tái)了不少關(guān)于大體積混凝土裂縫控制的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496-2009）、《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》（JTS 202-2-2010），混凝土溫度裂縫的重視程度逐漸提高。但是，從大量工程實(shí)際情況看，混凝土的裂縫問題依然非常多。相關(guān)文獻(xiàn)和規(guī)范提出了大量混凝土裂縫的控制措施，各種措施一般與工程進(jìn)度、成本等因素密切相關(guān)。判別何種因素是混凝土裂縫形成的主要原因，并采用相應(yīng)的控裂措施，這方面的研究較少，導(dǎo)致工程技術(shù)人員在大量裂縫控制措施中難于選擇，也很難獲得較好的控裂效果。本文通過實(shí)例分析比較各種參數(shù)對混凝土開裂的影響程度，從而為工程技術(shù)人員選擇合適、有效的控裂措施提供參考。

1 混凝土溫度應(yīng)力理論

混凝土開裂的根本原因是混凝土的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度?；炷量估瓘?qiáng)度的測試比較簡單，但是混凝土拉應(yīng)力的測試和計(jì)算則影響因素較多。

大量文獻(xiàn)［1-2］均給出了混凝土溫度收縮應(yīng)力的計(jì)算公式，公式的雛形均是虎克定律，主要包括內(nèi)約束和外約束導(dǎo)致的混凝土拉應(yīng)力的計(jì)算。

1.1 內(nèi)約束應(yīng)力計(jì)算理論

內(nèi)約束導(dǎo)致的混凝土拉應(yīng)力可按式（1）計(jì)算［1-2］

式中：σn(t)為齡期t時(shí)混凝土內(nèi)表溫差產(chǎn)生的自約束拉應(yīng)力，MPa；α為混凝土線膨脹系數(shù)，℃-1，可取10× 10-6℃-1；E為混凝土彈性模量，MPa；ΔTnb(t)為齡期t時(shí)混凝土內(nèi)表溫差，℃；Kp為由混凝土徐變引起的應(yīng)力松弛系數(shù)，在缺乏試驗(yàn)資料時(shí)可取0.50。

1.2 外約束應(yīng)力計(jì)算理論

外約束導(dǎo)致的混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力可按式（2）計(jì)算［1-3］

Biography：XU Yun（1984-），female，engineer.

式中：σwmax為外部約束導(dǎo)致的混凝土內(nèi)部最大拉應(yīng)力，MPa；μ為混凝土的泊松比，可取0.16；E為混凝土彈性模量，MPa；Kp為混凝土徐變引起的應(yīng)力松弛系數(shù)，在缺乏試驗(yàn)資料時(shí)可取0.50；cosh為雙曲余弦函數(shù)；L為混凝土構(gòu)件長度，mm；H為混凝土構(gòu)件高度，mm；Cx為基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)，N/mm3；ε1為水化熱降溫變形，從最高溫度降低至環(huán)境溫度導(dǎo)致的變形；ε2為混凝土收縮變形，按式（3）計(jì)算。

式中：ε2（t）為齡期為t天時(shí)，混凝土收縮引起的相對變形值；ε20為在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)狀態(tài)下混凝土最終收縮的相對變形值，國標(biāo)《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496-2009）建議取4.0×10-4；M1、M2、M3···M11為混凝土收縮不同條件影響修正系數(shù)，各系數(shù)乘積取0.7；m為與混凝土的干燥收縮速率有關(guān)的系數(shù)，國標(biāo)《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496-2009）推薦值為0.01，由于近年來水泥粉磨細(xì)度提高，礦渣粉、減水劑的摻入，使得水化放熱速率顯著提高，混凝土的收縮總量和收縮速率也顯著提高，圖1為混凝土試件實(shí)測的收縮值，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)修正公式（3），結(jié)果顯示m取0.05時(shí)，計(jì)算收縮量與實(shí)測收縮量比較接近，本文按m值為0.05計(jì)算收縮導(dǎo)致的約束應(yīng)力。

圖1 實(shí)測收縮值和m取0.05時(shí)計(jì)算的收縮值Fig.1 Monitoring value and calculated value with m of 0.05

圖2 碼頭橫梁斷面圖Fig.2 Section of beam

2 工程案例

圖2是華南地區(qū)某碼頭橫梁斷面圖，上橫梁寬1 m，高1.5 m；下橫梁寬2.4 m，高1.5 m。下橫梁的尺寸比上橫梁大，實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)，下橫梁沒有產(chǎn)生裂縫，而上橫梁側(cè)面和頂面卻出現(xiàn)了大量貫穿裂縫，在長度約26 m的上橫梁中出現(xiàn)了7條貫穿性裂縫，裂縫分布示意圖見圖3。

圖3 上橫梁裂縫分布Fig.3 Cracks distribution of upper beam

3 開裂因素分析

3.1 內(nèi)約束應(yīng)力分析

內(nèi)約束應(yīng)力主要與混凝土的內(nèi)表溫差相關(guān)。根據(jù)最小邊尺寸為1 m的上橫梁構(gòu)件的混凝土施工期溫度監(jiān)測結(jié)果，內(nèi)表溫差最大值僅為10℃，4 d后內(nèi)表溫差降低到2℃以下（圖4）。根據(jù)式（1）計(jì)算，內(nèi)約束導(dǎo)致的溫度應(yīng)力最大值僅為0.87 MPa，4 d后內(nèi)表溫差導(dǎo)致的內(nèi)約束應(yīng)力基本消失。

下橫梁最小邊尺寸為1.5 m，下橫梁的內(nèi)表溫差比上橫梁大，但是下橫梁內(nèi)表溫差導(dǎo)致的內(nèi)約束應(yīng)力和外約束應(yīng)力并沒有使混凝土開裂，因此判斷上橫梁的裂縫不是內(nèi)約束應(yīng)力造成的。從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和混凝土實(shí)際開裂時(shí)間等綜合分析，上橫梁混凝土開裂的主要原因是外約束導(dǎo)致的。

3.2 外約束應(yīng)力分析

影響外約束應(yīng)力的因素比較多，主要包括：混凝土彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)、松弛系數(shù)、溫差、收縮差、構(gòu)件高度、構(gòu)件長度、基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)等。上述工程中，下橫梁和上橫梁混凝土的配合比一致，也就是說，混凝土的彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)、松弛系數(shù)、水化熱降溫變形ε1基本一致，從混凝土優(yōu)化的角度改善裂縫的措施已經(jīng)有大量的研究［4-8］，本文主要對設(shè)計(jì)、施工環(huán)節(jié)的重要影響因素進(jìn)行分析。計(jì)算的基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示，根據(jù)實(shí)際情況變換以下4個(gè)參數(shù)，包括分層澆筑時(shí)間隔間t、基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)Cx、構(gòu)件高度H、構(gòu)件長度L，計(jì)算相應(yīng)的外約束應(yīng)力，通過應(yīng)力的變化幅度反映參數(shù)對裂縫的影響程度，為控裂措施的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

圖4 上橫梁澆筑后的內(nèi)表溫差Fig.4 Temperature difference between inside and surface of upper beam

3.2.1 澆筑間隔時(shí)間t

對于分層澆筑的上橫梁，澆筑間隔時(shí)間是影響ε2的重要因素，根據(jù)式（3）可以計(jì)算不同澆筑間隔時(shí)間時(shí)，上橫梁與下橫梁的相對變形ε2，只有上下層的相對變形會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。分別計(jì)算了澆筑間隔為3 d、7 d、15 d、30 d、60 d、90 d時(shí)混凝土的相對變形，并計(jì)算了相應(yīng)條件下的外約束應(yīng)力，結(jié)果見表2所示，表中的影響比例為負(fù)值代表約束應(yīng)力降低，正值代表約束應(yīng)力增大。

與上下橫梁澆筑間隔時(shí)間為30 d相比，澆筑間隔時(shí)間縮短為0 d、3 d、7 d、15 d，約束應(yīng)力分別減少52.1%、42.7%、32.3%、16.6%，澆筑時(shí)間控制在7 d以內(nèi)，外約束應(yīng)力與澆筑間隔時(shí)間為30 d的應(yīng)力值顯著降低。澆筑間隔時(shí)間延長為90 d，約束應(yīng)力增大14.1%。

表1 應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)參數(shù)取值［8］Tab.1 Parameters for stress calculation

3.2.2 基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)Cx

不同介質(zhì)的基礎(chǔ)對混凝土構(gòu)件的水平阻力系數(shù)可按表3取值［3］。澆筑于樁基上的下橫梁，由于樁基具有很大幅度的變形能力，對下橫梁的阻尼系數(shù)非常小，Cx可取0.01～0.03，澆筑于沉箱灌砂基礎(chǔ)之上的封底混凝土，Cx可取0.6，澆筑于下橫梁上面的上橫梁，底部混凝土彈性模量較大，Cx可取1.5。

表2 不同澆筑間隔時(shí)間對外約束應(yīng)力的影響Tab.2 Influence of different casting time interval on the external constraint stress

表3 不同外約束介質(zhì)下Cx取值Tab.3 Cxvalues under different external constraints N/mm3

基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)Cx取值的變化幅度較大，澆筑于鋼筋混凝土上的構(gòu)件，Cx取1.5，而澆筑于樁基礎(chǔ)上的構(gòu)件，Cx取值僅為0.03，約束應(yīng)力從4.03 MPa降低至0.14 MPa，降低幅度達(dá)到96.5%，降低基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)是降低混凝土約束應(yīng)力非常有效的手段（表4）。

表4 不同基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)對外約束應(yīng)力的影響Tab.4 Influence of Cxon the external constraint stress

3.2.3 構(gòu)件高度H

碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件高度存在較大的差異，一般根據(jù)設(shè)計(jì)和施工需要而定，但構(gòu)件高度對外約束應(yīng)力有一定的影響，選取了常用的構(gòu)件高度進(jìn)行外約束應(yīng)力的計(jì)算，結(jié)果見表5所示。

表5 不同構(gòu)件高度H對外約束應(yīng)力的影響Tab.5 Influence of component height on the external constraint stress

構(gòu)件高度對約束應(yīng)力的影響較大，構(gòu)件高度越高，內(nèi)表溫差導(dǎo)致的內(nèi)約束應(yīng)力越大，但是外約束導(dǎo)致的應(yīng)力越小。構(gòu)件高度從1 500 mm增大至3 000 mm，外約束應(yīng)力降低36.5%。構(gòu)件高度從1 500 mm減小至400 mm，外約束應(yīng)力增大69%，因此分層澆筑的混凝土構(gòu)件，每層高度不宜太小。

3.2.4 構(gòu)件長度L

碼頭結(jié)構(gòu)澆筑長度對外約束應(yīng)力有一定的影響，選取了常用的構(gòu)件長度進(jìn)行約束應(yīng)力的計(jì)算，結(jié)果見表6所示。

表6 不同構(gòu)件長度對外約束應(yīng)力的影響Tab.6 Influence of component length on the external constraint stress

構(gòu)件的長度對約束應(yīng)力的影響較大，構(gòu)件長度越長，外約束導(dǎo)致的應(yīng)力越小。構(gòu)件長度從15 m縮短至10 m，外約束應(yīng)力降低41.8%。構(gòu)件長度從15 m增大至30 m，外約束應(yīng)力增大33.0%。

表7 不同參數(shù)對外約束應(yīng)力的影響Tab.7 Influence of different parameters on the external restraint stress

3.3 討論分析

碼頭上橫梁截面尺寸比下橫梁小，內(nèi)表溫差小，上橫梁內(nèi)約束導(dǎo)致的應(yīng)力較小，但是上橫梁出現(xiàn)7條貫穿性裂縫，而下橫梁并未開裂，可以得出，內(nèi)約束并不是導(dǎo)致上橫梁開裂的主要因素。

在固定其他參數(shù)不變的情況下，改變基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)Cx、分層澆筑間隔時(shí)間t、構(gòu)件高度H、構(gòu)件長度L，計(jì)算相應(yīng)的外約束應(yīng)力，通過應(yīng)力的變化幅度反映參數(shù)對裂縫的控制的重要性，結(jié)果見表7所示。

從表7的數(shù)據(jù)可以看出，各種參數(shù)對外約束應(yīng)力的影響幅度從大到小依次是：基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)Cx、澆筑間隔時(shí)間t、構(gòu)件長度L、構(gòu)件高度H。在確定混凝土裂縫控制方法時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮優(yōu)化影響幅度較大的參數(shù)，如降低基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)、縮短澆筑間隔時(shí)間等。降低基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)的方法一般是在新澆筑構(gòu)件底部設(shè)置滑動(dòng)層，滑動(dòng)層可采用瀝青砂、兩層油氈夾滑石粉、二油一氈等滑動(dòng)層體系。當(dāng)混凝土構(gòu)件澆筑于基巖上時(shí)，宜在基巖面上設(shè)粗砂滑動(dòng)層，將墊層表面盡量做平整、光滑，可以最大限度地降低基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)。

4 結(jié)論

（1）從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和混凝土實(shí)際開裂時(shí)間等綜合分析，碼頭上橫梁混凝土開裂的主要原因是外約束應(yīng)力導(dǎo)致的。

（2）各種參數(shù)對外約束應(yīng)力的影響幅度從大到小依次是：基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)Cx、澆筑間隔時(shí)間t、構(gòu)件長度L、構(gòu)件高度H。

（3）底部為鋼筋混凝土的構(gòu)件，優(yōu)先考慮設(shè)置滑動(dòng)層降低基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)和縮短澆筑間隔時(shí)間兩項(xiàng)措施控制混凝土裂縫。

［1］GB 50496-2009,大體積混凝土施工規(guī)范［S］.

［2］JTS 202-1-2010,水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制“抗與放”的設(shè)計(jì)原則及其在“跳倉法”施工中的應(yīng)用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［4］陳肇元，崔京浩，朱金銓，等.鋼筋混凝土裂縫機(jī)理與控制措施［J］，工程力學(xué)，2006,23（S1）：86-107. CHEN Z Y,CUI J H,ZHU J Q,et al.Analysis and control of crack in reinforced concrete［J］.Engineering Mechanics,2006,23 （S1）：86-107.

［5］程多松，尚建麗，袁玲，等.礦物摻合料對高強(qiáng)混凝土斷裂性能的影響［J］.混凝土，2005（190）：67-70. CHENG D S,SHANG J L,YUAN L,et al.Mineral admixtures influencing on fracture brittleness of high strength concrete［J］.Con?crete,2005（190）：67-70.

［6］閆長旺，賈金青，張菊.鋼纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土拉壓比試驗(yàn)研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,52（2）：233-238. YAN C W,JIA J Q,ZHANG J.Experimental study of ratio between splitting tensile strength and compressive strength for steel fi?ber reinforced ultra high strength concrete［J］.Journal of Dalian University of Technology,2012,52（2）：233-238.

［7］熊建波，鄧春林，徐兆全，等.海港重力式碼頭胸墻和面層混凝土裂縫控制［J］.中國港灣建設(shè),2014（4）：30-33 XIONG J B,DENG C L,XU Z Q,et al.Crack control for quay wall and concrete cover of gravity quay in harbor engineering［J］.Chi?na Harbour Engineering,2014（4）：30-33.

［8］鄧春林，熊建波，劉行，等.某碼頭胸墻混凝土裂縫控制技術(shù)［J］.水運(yùn)工程,2014（7）：159-162，168. DENG C L,XIONG J B,LIU H,et al.Concrete crack controlling technology for wharf′s breast wall［J］.Port&Waterway Engineer?ing,2014（7）：159-162，168.

Influence factors analysis of concrete crack on crossbeam of high pile wharf

XU Yun1，DENG Chun?lin2,ZHENG Xing?wei3
（1.CCCC?FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510230,China；2.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory of Harbor and Marine Structure Durability Technology,Ministry of Transport,Guangzhou 510230,China；3.Qujiang shipping development project construction headquarters of Quzhou,Quzhou 324000, China）

According to the crack statistic of a high?piled wharf structure,combined with the field temperature monitoring of concrete,the causes of cracks of beams were analyzed from the internal and external restraint stress. The results show that the cracks of concrete beams are mainly induced by external restraint stress.The importance of various parameters of external restraint stress range from large to small in turn is the horizontal resistance coeffi?cient of foundation,casting time interval,component length and component height.The research results can be used for the concrete crack control of similar engineering.

wharf;crack;horizontal resistance coefficient;casting time interval;component length;compo?nent height

U 656.1+13

A

1005-8443（2016）02-0288-04

2015-03-30；

2015-12-07

徐筠(1984-)，女，工程師，主要從事海工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及管理工作。