波浪力作用下開孔沉箱碼頭胸墻開裂原因分析*

劉現(xiàn)鵬,張巧梅

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.中國水運(yùn)建設(shè)行業(yè)協(xié)會，北京 100011)

20世紀(jì)60年代末，加拿大學(xué)者Jarlan[1]提出了開孔式沉箱這一新型結(jié)構(gòu)形式并將其應(yīng)用到近海工程領(lǐng)域。開孔沉箱結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢在于可降低前波浪的反射力，從而實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于開孔沉箱有著獨(dú)特的消浪單元，使得水浪波產(chǎn)生的力發(fā)生非同相位疊加，從而抵消很大一部分受力，減少對結(jié)構(gòu)的作用[2]。現(xiàn)澆大體積混凝土碼頭胸墻極易產(chǎn)生裂縫，是工程中普遍存在的一個(gè)難題，且一直未能得到很好的解決。這些裂縫的存在，不僅影響外觀，而且影響碼頭結(jié)構(gòu)的自身質(zhì)量、安全性、耐久性和使用功能[3]。混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)是設(shè)計(jì)、材料、施工等因素共同影響的結(jié)果，熊建波等[4]從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方法、環(huán)境條件等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)裂縫原因的分析并進(jìn)行優(yōu)化，以最大限度控制有害裂縫的產(chǎn)生。胡英杰等[5]分析了重力式碼頭因混凝土干縮和沉縮、應(yīng)力集中、溫度等原因引起的胸墻裂縫的解決措施，將裂縫控制在了允許范圍之內(nèi)。肖維等[6]根據(jù)形態(tài)特征將重力式碼頭胸墻面層裂縫分為主要裂縫、伴生裂縫以及次要裂縫3種類型，并結(jié)合各種裂縫的長度、深度以及寬度等特征，分析各種裂縫產(chǎn)生的原因及其危害性并有針對性地提出裂縫控制措施。王春華等[7]對青銅峽大壩電站壩段3大條貫穿性裂縫及3#胸墻裂縫進(jìn)行處理，取得了很好的效果。目前完全避免混凝土裂縫是很困難的，只能采取適當(dāng)?shù)拇胧⑵淇刂圃谠试S范圍之內(nèi)。

目前對于波浪與開孔沉箱相互作用主要通過物理模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬3個(gè)方面進(jìn)行研究。由于現(xiàn)場觀測環(huán)境惡劣，儀器安裝維護(hù)難度大，觀測成本高、周期長，國內(nèi)外極少開展對開孔沉箱波浪力的現(xiàn)場觀測，也未見文獻(xiàn)報(bào)道。由此，本文采取理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試、原型觀測、物理模型試驗(yàn)等手段，對日照港某碼頭開孔沉箱上部混凝土現(xiàn)澆胸墻開裂機(jī)理進(jìn)行研究，得出開裂的根本原因。

1 工程概況

日照港某碼頭工程采用沉箱重力式結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級C40、抗凍等級F250，其胸墻為一字順岸式結(jié)構(gòu)，長約500 m、寬約15 m、厚1 m。胸墻在長度方向上共分為29段，每段混凝土工程量為270 m3，為大體積混凝土施工。胸墻與沉箱間安裝50 cm厚預(yù)制蓋板，蓋板單塊質(zhì)量約為17 t，蓋板側(cè)面預(yù)留鋼筋沿碼頭縱向進(jìn)行焊接，蓋板安裝就位后通過現(xiàn)澆接縫混凝土方式加以固定。其結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

圖1 日照港某重力式碼頭結(jié)構(gòu)斷面(高程：m；尺寸：mm)

該碼頭工程胸墻自2014年3月開始施工。在建設(shè)過程中，不斷發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆胸墻上部混凝土開裂，裂縫一般出現(xiàn)在胸墻澆筑完成后的2～14 d，并發(fā)展較快，裂縫寬度較寬且分布不規(guī)則，中間部分裂縫較長且呈十字形。從裂縫出現(xiàn)的時(shí)間分析，該問題符合大體積混凝土澆筑后溫升的時(shí)間規(guī)律，因此，施工單位后續(xù)采取了分層和分板澆筑混凝土、調(diào)整混凝土配合比、延長灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)間、面層底部增加鋼筋網(wǎng)片、混凝土中摻加聚合物纖維等多種控制措施。從實(shí)施效果看，面層橫向裂縫有所減少，裂縫出現(xiàn)時(shí)間也有所延遲，裂縫寬度也有變窄的趨勢，但現(xiàn)澆胸墻混凝土開裂問題卻無法從根本上得到解決，妨礙了工程建設(shè)的順利進(jìn)行。

相關(guān)研究資料表明，大體積混凝土裂縫主要包含2種裂縫：1)材料型裂縫，是由非受力變形引起的，主要是由溫度應(yīng)力和混凝土自身的收縮引起的;2)荷載裂縫又稱受力裂縫，是外荷載作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫。施工單位實(shí)施了多種控制材料型裂縫的措施，但無法徹底解決施工期胸墻現(xiàn)澆混凝土開裂問題，表明當(dāng)前碼頭胸墻出現(xiàn)裂縫與大體積混凝土施工工藝以及混凝土材料本身特性關(guān)系不大，或者不是根本性原因。因此，研究該結(jié)構(gòu)開裂問題應(yīng)轉(zhuǎn)至荷載裂縫方向。碼頭胸墻在建設(shè)期或建成初期就因荷載而開裂，那么荷載因素是有限的，排除土體荷載、作業(yè)荷載、地震荷載等作用外，波浪力對結(jié)構(gòu)的作用是最顯而易見的，而且本工程結(jié)構(gòu)為開孔沉箱結(jié)構(gòu)，施工期和運(yùn)行期都會有波浪進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部并對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊。碼頭胸墻出現(xiàn)的裂縫是否為由于波浪力作用下產(chǎn)生的荷載裂縫，本文通過原型觀測、實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)模計(jì)算和對比分析等手段對其加以研究和驗(yàn)證。

2 原型觀測

現(xiàn)場的外觀檢查分為水上外觀檢查和水下潛水員檢查兩種方式，分別對碼頭胸墻上表面、碼頭胸墻迎水面以及沉箱蓋板進(jìn)行檢測和測量。原型觀測結(jié)果表明：碼頭胸墻迎水面、碼頭沉箱蓋板外觀質(zhì)量良好，未見明顯裂縫；碼頭胸墻上表面發(fā)現(xiàn)大量裂縫，裂縫普遍較長，多沿垂直碼頭前沿線方向展開，部分呈現(xiàn)十字交叉形。具體裂縫走向及形態(tài)如圖2所示。

圖2 胸墻裂縫

根據(jù)圖2可知，裂縫的位置大多位于中倉上方的位置，后倉上方也存在一定的垂直碼頭前沿線的裂縫，但是前倉上方幾乎無裂縫出現(xiàn)。這表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性。對于大體積混凝土溫升造成的開裂形態(tài)并無規(guī)律性，其分布的位置不可能排除前倉位置，所以開裂的根本原因并非是大體積混凝土溫升。

另外，現(xiàn)場采用超聲波法對裂縫的深度進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，這些裂縫深度較大，一般在200～450 mm，最大的深度超過500 mm。裂縫深度較大表明這并非養(yǎng)護(hù)不夠造成龜裂，加大了其為荷載裂縫的可能性。

對于裂縫的寬度采用電子放大鏡進(jìn)行了測量。結(jié)果表明，裂縫寬度均超過了0.2 mm，不滿足《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)海港大氣區(qū)和浪濺區(qū)最大裂縫寬度限值0.2 mm的規(guī)定。裂縫的產(chǎn)生更容易導(dǎo)致海水氯鹽滲透侵蝕鋼筋，長期作用會大幅縮短碼頭結(jié)構(gòu)的使用壽命。

總之，原型觀測發(fā)現(xiàn)規(guī)律是裂縫位置均位于胸墻上表面，位置多集中在中倉和后倉附近，前倉處幾乎無開裂，且其他地方以及蓋板均無開裂；裂縫的形態(tài)多垂直碼頭前沿線，少量呈十字形；裂縫寬度和深度較大，荷載裂縫特征較強(qiáng)；裂縫造成的影響不可忽略，不合理解決會對碼頭壽命甚至安全使用造成不利影響。

3 實(shí)時(shí)監(jiān)測

目前，結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)多用于大跨橋梁、超高層建筑等大型結(jié)構(gòu)上，在沿海高樁碼頭結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用較少。隨著水運(yùn)建設(shè)行業(yè)的發(fā)展，碼頭結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測越來越受到重視。但沿海港口碼頭結(jié)構(gòu)多處于惡劣的海水環(huán)境中，海水環(huán)境及其強(qiáng)腐蝕性，對健康監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器設(shè)備的耐久性及防水性提出了很高的要求。

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)一般包括傳感器子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理子系統(tǒng)，損傷識別、安全評估及災(zāi)變預(yù)警子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。根據(jù)本工程所處環(huán)境的特殊性及相關(guān)監(jiān)測指標(biāo)，并考慮監(jiān)測系統(tǒng)方案的可行性，將本工程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)為傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、無線傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析與預(yù)警子系統(tǒng)，見圖3。

圖3 碼頭實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

3.2 監(jiān)測工程概況

對于波浪的監(jiān)測，波浪觀測頻率為1 Hz，每日觀測24次，每1 h觀測1次。每次觀測1 024組數(shù)據(jù)(約18 min)，觀測數(shù)據(jù)儲存于儀器內(nèi)存中。波浪采用自容式測量，每個(gè)月提取1次數(shù)據(jù)。

潮位觀測頻率為1 Hz，每10 min觀測1次。每次觀測1 min，觀測數(shù)據(jù)儲存于儀器內(nèi)存中。觀測結(jié)束后導(dǎo)出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)為絕對水壓強(qiáng)，與碼頭面高程基準(zhǔn)點(diǎn)建立聯(lián)系，轉(zhuǎn)化為潮位高程，基準(zhǔn)面為日照港理論最低潮面。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力監(jiān)測通過現(xiàn)場測試結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)，可獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測獲取的波浪要素，采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，可分析沉箱結(jié)構(gòu)在波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)及動(dòng)力放大效應(yīng)，進(jìn)而可為沉箱結(jié)構(gòu)力學(xué)性能計(jì)算分析提供依據(jù)。結(jié)果表明，動(dòng)力監(jiān)測結(jié)果對于研究影響很小，因此該參數(shù)不再贅述。

頂托力觀測采用傳輸距離長、耗電小且防水、耐腐蝕的光纖光柵傳感器，采樣頻率1 Hz，每1 s觀測1次，并通過系統(tǒng)組網(wǎng)采用無線傳輸技術(shù)。很顯然，頂托力是研究的重點(diǎn)，故實(shí)現(xiàn)24 h全天候在線監(jiān)測。以頂托力監(jiān)測為例，頂托力傳感器分為前倉、中倉和后倉布設(shè)，每個(gè)倉內(nèi)在不同位置布設(shè)4個(gè)傳感器，用于監(jiān)測不同位置的受力。

3.3 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析

本工程觀測周期共計(jì)2個(gè)月，實(shí)時(shí)采集了大量的波浪、潮位和頂托力的數(shù)據(jù)，具體情況見表1。

表1 觀測起止時(shí)間與數(shù)據(jù)量

面對大量數(shù)據(jù)，單獨(dú)對其某一項(xiàng)分析意義并不大，只有將其綜合分析，查明頂托力大小和波浪、潮位之間的相關(guān)關(guān)系和相關(guān)特點(diǎn)才有分析價(jià)值。根據(jù)結(jié)果知道，整個(gè)觀測期間(60 d)共有115個(gè)受力過程，從這115個(gè)受力過程中計(jì)算、歸納和總結(jié)了蓋板頂托力與潮位、波浪之間的關(guān)系，形成典型3因素同步過程見圖4，而前中后隔倉蓋板受力見圖5。

圖4 典型3因素同步過程

圖5 典型同期前中后隔艙蓋板受力

根據(jù)大量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合圖4、5，總結(jié)出如下規(guī)律：

1)受潮位漲落影響，1 d內(nèi)蓋板頂托力也呈現(xiàn)2次受力過程，且頂托力增長過程與潮位升高過程一致，在潮位最高時(shí)，頂托力也到達(dá)峰值。

2)沉箱同一隔倉內(nèi)，不同測點(diǎn)的頂托力過程幾乎重合，平均值和最大值也較為接近。即同隔倉內(nèi)不同測點(diǎn)的頂托力差別不大。但是不同位置隔倉內(nèi)則完全不同。三倉受力始終表現(xiàn)為：后倉>中倉>前倉。整個(gè)觀測期間，三倉各測點(diǎn)最大壓強(qiáng)為16.9 kPa，位于后倉。三倉中各個(gè)不同測點(diǎn)的最大值分別為前倉13.0 kPa，中倉15.4 kPa，后倉16.6 kPa。這個(gè)結(jié)果可以解釋開裂位置規(guī)律問題。因?yàn)楹髠}和中倉受力較大，所以造成開裂數(shù)量比前倉更大。后倉受力最大，但是中倉位置開裂數(shù)量最多可能是因?yàn)橹袀}位置是受中倉和后倉綜合作用而造成的。

3)蓋板受力總趨勢是緩慢上升的，表明潮位逐漸升高導(dǎo)致受力增加。同時(shí)，受力圍繞趨勢線有一定振幅的波動(dòng)，與波高振幅較為接近，表明在潮位作用的基礎(chǔ)上，波浪對蓋板受力有沖擊作用。在潮位頂托作用的基礎(chǔ)上，波浪對蓋板有沖擊作用。

4)當(dāng)潮位與蓋板接近時(shí)，波浪的貢獻(xiàn)大于潮位；當(dāng)潮位高于蓋板時(shí)，潮位的貢獻(xiàn)大于波浪。前中后倉蓋板頂托壓強(qiáng)最大為13～16.6 kPa，由此根據(jù)王夢夢[9]所做的C40早齡期混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)可知，當(dāng)混凝土蓋板養(yǎng)護(hù)期低于5 d時(shí)，潮位和波浪共同作用的頂托力是蓋板開裂的主要原因。

4 數(shù)值計(jì)算

在原型觀測和實(shí)時(shí)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，分析認(rèn)為造成胸墻結(jié)構(gòu)開裂的主要原因是沉箱開孔造成頂部蓋板會受到波浪的沖擊作用。此外，雖然沉箱蓋板是預(yù)制結(jié)構(gòu)，但是蓋板間的接縫與上部胸墻都是現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度增長階段，會間接受到來自底部的周期性波浪荷載作用，這就直接導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，而早齡期混凝土強(qiáng)度還未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，所以養(yǎng)護(hù)時(shí)間越短就越容易產(chǎn)生裂縫。

基于以上分析，可采用ANSYS有限元軟件建立開孔沉箱上部胸墻結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，分析計(jì)算一定混凝土養(yǎng)護(hù)齡期所對應(yīng)的使胸墻開裂的波浪力，如果波浪力造成混凝土應(yīng)力大于一定齡期混凝土所具有的開裂應(yīng)力，則證明波浪力是造成開裂的根本原因。但是，該過程的數(shù)值模擬存在很多的難題和無法準(zhǔn)確判定之處，例如波浪力造成蓋板的上升高度、波浪力在不同潮位下對于蓋板作用時(shí)間、不同位置現(xiàn)澆接縫混凝土性能參數(shù)存在因時(shí)間造成的差異等，造成模擬過程存在困難。但是，為證明開裂的根本原因是由于波浪力造成的，本文通過定性的方式，用數(shù)模計(jì)算的方法分析大多數(shù)為垂直碼頭前沿線裂縫的原因，也證明了波浪力的確是造成胸墻混凝土開裂的原因。

本文建立隔倉3排12個(gè)蓋板的模型，單元類型solid65，網(wǎng)格邊長為0.5 m，如圖6所示。其中蓋板采用28 d混凝土材料性能，下方支座采用28 d混凝土材料性能，按照澆注順序，第1次8個(gè)蓋板間接縫現(xiàn)澆的接縫混凝土分別采用2、3、5、7和9 d的混凝土材料性能，第2次整體現(xiàn)澆的混凝土分別采用0、1、3、5和7 d的混凝土材料性能。不同齡期的混凝土材料性能參數(shù)參考王夢夢所做試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 12個(gè)蓋板的模型

以蓋板為研究對象，波浪沖擊時(shí)間t取0.1 s，逐步增大作用于蓋板上的波浪力，但是根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，最大加載不超過16.6 kPa，用于總結(jié)和分析在波浪力作用下蓋板不同位置的受力情況。以某一工況為例，提取出計(jì)算結(jié)果中的拉應(yīng)力，如圖7所示。

圖7 蓋板某時(shí)刻拉應(yīng)力

由圖7可知，該工況下，x方向的最大拉應(yīng)力為1.32 MPa，大于y方向的最大拉應(yīng)力1.10 MPa，說明垂直于碼頭前沿方向(即x方向)更容易產(chǎn)生裂縫，這也與實(shí)際原型觀測的結(jié)果一致。由此可見，通過數(shù)值模擬計(jì)算，揭示了在同樣波浪力作用下垂直于碼頭前沿線方向上裂縫較多的規(guī)律，也證明波浪力確實(shí)是造成胸墻開裂的根本原因。

5 結(jié)語

1)大體積混凝土溫升不是造成本工程胸墻開裂的原因。工程初期，很多工程師認(rèn)為開裂是因?yàn)榇篌w積混凝土澆注時(shí)溫度應(yīng)力較大造成胸墻開裂，但經(jīng)過原型觀測后可知，開裂的位置和表現(xiàn)形態(tài)并不符合大體積混凝土溫升造成開裂的特征，因?yàn)楸竟こ讨行貕Φ拈_裂具有明顯的位置特征和形態(tài)特征，故開裂另有原因。

2)波浪力的作用是本工程胸墻開裂的根本原因。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到了波浪力的大小和受力規(guī)律，取得了波浪力沖擊蓋板的直接證據(jù)；以實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)為依托，建立數(shù)模進(jìn)行反復(fù)計(jì)算，結(jié)果表明，在同樣的波浪力作用下，垂直碼頭岸線方向的應(yīng)力相對于平行岸線方向上的應(yīng)力更大，這與原型觀測發(fā)現(xiàn)該方向上的開裂較多相互吻合，這也驗(yàn)證了波浪力是造成胸墻出現(xiàn)開裂的根本原因。多因素的相互佐證，表明了本工程中胸墻開裂原因的尋找和分析科學(xué)、可靠。

3)由于受限于研究內(nèi)容廣度和深度，對于一些疑難問題期待做進(jìn)一步工作。對于波浪力作用下蓋板和胸墻混凝土受力的模擬計(jì)算應(yīng)該繼續(xù)深入研究，同時(shí)研究模擬計(jì)算中相關(guān)參數(shù)的取值問題；對于現(xiàn)澆接縫混凝土早期強(qiáng)度不足而受到波浪力作用后受損的情況，應(yīng)研究早期的防浪工程措施，減小波浪力的影響；對于波浪力作用于蓋板等結(jié)構(gòu)情況，除了數(shù)值模擬外，應(yīng)建設(shè)物理模型試驗(yàn)加以佐證和深入研究。