重力式碼頭面層混凝土開裂原因分析及裂縫控制

鄧文杰+黃健

摘 要：根據(jù)重力式碼頭面層混凝土施工條件，通過有限元仿真計算了面層混凝土硬化過程中溫度及應(yīng)力的分布與變化規(guī)律，分析各種裂縫產(chǎn)生的原因與危害。在此基礎(chǔ)上，采用了優(yōu)化混凝土配合比、縮短分段長度、保溫養(yǎng)護、增設(shè)構(gòu)造鋼筋等措施，大幅度降低溫度收縮應(yīng)力與裂縫寬度。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭 面層 有限元 應(yīng)力 裂縫控制

1.前言

面層屬于典型的受底部強約束作用混凝土薄板，在外部環(huán)境影響下，極易因溫度與收縮而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致面層出現(xiàn)不同程度的開裂。本文針對我國某重力式碼頭的面層混凝土開裂現(xiàn)狀，利用有限元軟件計算面層混凝土硬化過程中的應(yīng)力分布及其變化規(guī)律，分析開裂的原因，提出相應(yīng)的控制措施并進行驗證。

2.胸墻面層概況

該重力式碼頭胸墻高4.8m，內(nèi)設(shè)三道管廊，頂部現(xiàn)澆50cm～80cm厚的C40面層混凝土，面層分段長為12.5m，寬為17.26m。單段面層混凝土方量約120m3，混凝土采用皮帶機輸送方式進行澆筑。面層在澆筑完成3d齡期后逐漸出現(xiàn)不同形式裂縫，根據(jù)裂縫出現(xiàn)的位置、方向、長度、深度等特征可分為三種類型，統(tǒng)計北側(cè)與南側(cè)碼頭二十段面層三種可見裂縫共計93條。

3.開裂原因分析

沿著寬度向迎水面前進，受面層底部強弱約束不同以及軌道槽附近等約束突變區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的影響，面層混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力呈現(xiàn)波浪形變化的規(guī)律。當(dāng)應(yīng)力大于2.1MPa，當(dāng)此時混凝土抗拉強度與溫度應(yīng)力比值小于1.4，具有產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險。強約束區(qū)產(chǎn)生裂縫時，會迅速向弱約束區(qū)發(fā)展，穿過弱約束區(qū)，并與由另外一段強約束區(qū)發(fā)展而來的裂縫連接，當(dāng)四個強約束區(qū)形成的裂縫均向弱約束區(qū)發(fā)展時，將形成貫通面層混凝土寬度方向的裂縫，即為第一種裂縫。

在面層的人孔、蓋板以及軌道槽附近等約束突變區(qū)域，也有較大的Y軸長度方向拉應(yīng)力出現(xiàn)。但與受底部約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力有所不同，其應(yīng)力是由上表面向面層內(nèi)部逐步降低的，引起的裂縫也是由上表面向面層內(nèi)部擴展，并逐漸延展到遠離集中約束的位置，即為第二種裂縫。

應(yīng)力主要集中在位于三道廊道上方的混凝土表面以及面層四周，沿面層長度方向有規(guī)律的變化，邊界約束導(dǎo)致邊界應(yīng)力較大，向面層內(nèi)部深入，逐漸遠離邊界約束區(qū)，應(yīng)力降低。但隨著面層內(nèi)部約束迅速增加，應(yīng)力又迅速增大，在面層中部2/3的范圍內(nèi)達到最高值并趨于穩(wěn)定。雖面層大部分區(qū)域應(yīng)力均大于2.1MPa，具有一定的開裂風(fēng)險，但畢竟拉應(yīng)力還遠低于此時混凝土的抗拉強度。因此，在應(yīng)力作用下，受混凝土不均勻性影響，在強度低于平均抗拉強度的薄弱部位可能出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，即第三種裂縫。

4.控制面層開裂的措施

4.1優(yōu)化配合比

對面層混凝土配合比進行優(yōu)化，將膠凝材料用量降低至380kg/m3，增加粉煤灰+礦粉的比例至50%，優(yōu)化前后配合比如表1所示。

通過配合比優(yōu)化，降低了膠凝材料用量20kg/m3，降低了水泥用量66kg/m3，可降低混凝土絕熱溫升3℃，降低混凝土收縮近25%。根據(jù)優(yōu)化配合比，計算面層混凝土溫度應(yīng)變，120h齡期Y軸方向的溫度收縮應(yīng)力為2.8MPa，X軸方面的溫度收縮應(yīng)力為2.1MPa，優(yōu)化配合比之后面層Y軸與X軸方向的溫度收縮應(yīng)力分布規(guī)律分布如圖1與圖2所示。與原配合比相比，Y軸與X軸方面的溫度收縮應(yīng)力降低了約8%左右，其中X軸方向的溫度收縮應(yīng)力基本處于危險應(yīng)力點以下，說明優(yōu)化配合比對于控制第三種裂縫具有明顯效果，但對于第一種與第二種裂縫的改善程度有限，還需要采取其它措施以進一步降低混凝土的溫度收縮應(yīng)力。

4.2縮短澆筑長度與保溫養(yǎng)護

重點針對Y軸方向的溫度收縮應(yīng)力，在優(yōu)化配合比的基礎(chǔ)上，將每跨面層混凝土澆筑長度降低為6.25m，同時采取覆蓋雙層土工布+熟料薄膜方式進行保溫養(yǎng)護。采取優(yōu)化配合比、縮短澆筑與保溫養(yǎng)護的控裂措施后，面層溫度收縮應(yīng)力增長速率明顯放緩，危險應(yīng)力點時間由120h推遲至150h，直到240h溫度收縮應(yīng)力均未超過混凝土的極限抗拉強度，顯著提高了面層的抗裂能力，降低了開裂風(fēng)險。

優(yōu)化配合比可通過減少混凝土絕熱溫升與干燥收縮達到直接降低面層溫度收縮應(yīng)力的效果。縮短面層混凝土澆筑長度，可以降低強約束區(qū)對面層底部的約束，達到降低Y軸方向溫度收縮應(yīng)力目的。保溫養(yǎng)護，降低面層最大內(nèi)外溫差與最大降溫速率，將出現(xiàn)危險性應(yīng)力的時間則顯著推遲。綜合采取以上措施，極大降低了開裂機率，避免了貫穿性裂縫的出現(xiàn)。

4.3構(gòu)造配筋

配筋率是影響裂縫控制效果的重要因素，工程實踐表明適當(dāng)配置鋼筋有益于控制結(jié)構(gòu)的裂縫。根據(jù)《港口工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ267）裂縫寬度驗算公式，計算面層配筋率與裂縫寬度的關(guān)系。面層結(jié)構(gòu)以0.01配筋率為界限，配筋率小于0.01時，隨著配筋率的增加，裂縫寬度減小幅度很大；當(dāng)配筋率大于0.01時，混凝土裂縫寬度隨配筋率增加而下降的趨勢已變得非常緩慢。配筋率為0.005～0.01范圍內(nèi)比較合適，裂縫最大寬度處于0.2～0.1mm，配筋率低于0.005，面層結(jié)構(gòu)裂縫寬度寬度過大，配筋率高于0.01，增加配筋率對控制裂縫無顯著作用。

在面層沿Y軸方向增設(shè)直徑不超過18mm的受拉鋼筋配筋率，控制配筋率在0.005～0.01范圍，按照鋼筋直徑小、間距密的特點進行布置，可控制最大裂縫寬度至0.2mm以下。

5.結(jié)論

（1）根據(jù)面層混凝土施工條件，通過有限元仿真計算了面層混凝土硬化過程中溫度、應(yīng)力變化規(guī)律及其分布情況，確定面層混凝土在溫度收縮以及混凝土自身收縮作用下產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致面層出現(xiàn)了三種不同形態(tài)的裂縫。

（2）針對溫度收縮應(yīng)力，在優(yōu)化混凝土配合比的基礎(chǔ)上，將每跨面層混凝土澆筑長度降低為6.25m，采取覆蓋雙層土工布+熟料薄膜方式進行保溫養(yǎng)護，可顯著降低溫度收縮應(yīng)力，推遲危險性應(yīng)力出現(xiàn)時間，極大降低了開裂機率，避免了貫穿性裂縫的出現(xiàn)。

（3）通過面層配筋率與裂縫寬度的關(guān)系，按照鋼筋直徑小、間距密的特點在沿Y軸方向增設(shè)直徑不超過18mm的受拉鋼筋配筋率，控制配筋率在0.005～0.01范圍，控制面層最大裂縫寬度至0.2mm以下。

參考文獻：

[1]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.

[2]王成啟，汪冬冬，胡力平，等.上海洋山深水港中港區(qū)碼頭面層混凝土的現(xiàn)場試驗研究[J].中國港灣建設(shè)，2008（4）：27-30.

[3]肖維，王迎飛.重力式碼頭胸墻面層混凝土裂縫形態(tài)及控制措施[J].水運工程，2015（10）：196-200.