碼頭橫梁收縮裂縫的產生原因及防治

張雯燕， 馬華東

(1. 中交第三航務工程勘察設計院有限公司， 上海200032；2. 上海弗田建設發(fā)展有限公司， 上海201600)

隨著船舶大型化和長江航道整治工程的實施，長江下游碼頭構件的尺寸不斷增大[1]。 部分高樁梁板碼頭在施工過程中發(fā)現(xiàn)碼頭橫梁出現(xiàn)表面裂縫， 這種裂縫普遍存在， 雖然對結構安全性影響不大， 但是海港碼頭橫梁出現(xiàn)的裂縫給腐蝕介質入侵提供了通道， 對結構耐久性有不利影響， 同時可能會給港口工程的營運帶來安全隱患[2]。 港口工程施工中混凝土裂縫出現(xiàn)的原因是多方面的， 判斷裂縫產生的原因， 并采取有效的防治措施， 對結構的長久使用具有重要的現(xiàn)實意義和經濟價值。

依托蘇州港太倉港區(qū)華能煤炭碼頭工程外線碼頭工程， 通過現(xiàn)場調查、 數據分析和理論計算，對裂縫產生的原因進行研究， 并提出了防治收縮裂縫的措施， 以期為后續(xù)工程施工提供參考。

1 工程概況

蘇州港太倉港區(qū)華能煤炭碼頭工程外線碼頭工程位于長江下游白茆沙南水道右岸， 水路距上海吳淞口約25 n mile(40.2 km)。 外檔為卸船碼頭， 內檔為裝船泊位， 結構按海港設計， 本工程以卸船碼頭為研究對象(圖1)。 碼頭采用高樁梁板式結構， 基礎采用φ1 200 mm PHC 樁， 樁基與橫梁采用樁頂伸入與鋼筋伸入組合的錨固形式，預制縱梁擱置在下橫梁上， 支座處外伸鋼筋焊接。

圖1 卸船碼頭斷面(尺寸: mm； 高程m。 下同)

卸船碼頭平臺部分現(xiàn)澆橫梁共計67 根， 分上、 下橫梁兩個部分， 澆筑混凝土時間間隔平均為3 個月。 碼頭下橫梁高度為1.55 m、 上橫梁高度為2.57 m。 上橫梁共分3 次澆筑: 第1 次澆筑至縱向梁頂， 澆筑高度2.05 m， 即澆筑至上橫梁頂層腰筋N3 以上11 cm； 第2 次澆筑至預置面板頂， 澆筑厚度35 cm， 與第1 次混凝土澆筑平均時間間隔4 個月； 最后澆筑面層， 厚度為17 cm， 澆筑時間在第2 次混凝土澆筑后1 周。 上橫梁至面層頂尺寸及配筋見圖2。

圖2 上橫梁尺寸及配筋

2 現(xiàn)狀調查

現(xiàn)場調查了卸船碼頭上橫梁澆筑后30 d 時的裂縫情況， 調查上橫梁總計29 根。 各排架上橫梁裂縫數量見圖3。 以縱向梁軸線和上橫梁軸線的交點為分界點， 將上橫梁由江側向岸側依次分為6 個區(qū)段， 然后統(tǒng)計上橫梁在各區(qū)段上出現(xiàn)裂縫的數量， 上橫梁在各區(qū)段出現(xiàn)裂縫的頻度見圖4。

圖3 裂縫數量

圖4 裂縫頻度

根據現(xiàn)場調查結果， 卸船碼頭上橫梁裂縫有以下幾個特點: 1)裂縫主要出現(xiàn)在混凝土養(yǎng)護結束一段時間或澆筑后1 周左右， 在之后1 個月的觀察中， 無新的裂縫產生。 2)裂縫在上橫梁中部出現(xiàn)的頻度較高。 3)裂縫都為豎向裂縫， 裂長200～300 mm的數量較少； 裂長2 000 ～3 000 mm的數量較多。 裂縫寬度都小于0.2 mm， 并沿高度變化呈現(xiàn)為中間寬、 上下窄[3]。 4)裂縫均為表面裂縫， 無貫穿裂縫。

3 原因分析

3.1 外荷載作用

可能導致混凝土因外荷載而產生裂縫的原因:混凝土構件在設計荷載范圍內或超過設計荷載范圍， 設計未曾考慮到的作用； 混凝土強度未達到2.5 MPa 以前， 人員在已澆筑的混凝土上行走、運送工具或設置上層結構的支撐和模板； 因支點的沉降有差異， 或因地震、 臺風作用等。

現(xiàn)場水泥為42.5 硅酸鹽水泥， 混凝土強度等級為C40， 查規(guī)范可知混凝土強度達到2.5 MPa需14 ～16 h。 現(xiàn)場人員在上橫梁混凝土達到2.5 MPa以前并未在上橫梁上行走、 運送或堆放工具， 也未安裝上部面板， 這一方面現(xiàn)場控制良好；期間未發(fā)生地震、 臺風災害； 構建還未投入使用，不存在超過設計荷載范圍使用構件， 由此可以判斷上橫梁裂縫并非外荷載作用導致。

3.2 溫度變化

由于混凝土的體積較大， 大量的水化熱聚積在混凝土內部不易散發(fā)， 導致內部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快， 這樣就形成內外的較大溫差， 較大的溫差造成內部與外部熱脹冷縮的程度不同， 使混凝土表面產生一定的拉應力， 當拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時， 混凝土表面就會產生裂縫[4]。 一般大體積橫梁的溫度裂縫有如下特點: 多為表面裂縫， 且夏季較細； 裂縫多是平行于短邊； 裂縫寬度大小不一， 一般在0.5 mm以下， 且沿結構全長沒有多大變化； 大多數溫度裂縫沿結構截面高度呈上寬下窄狀， 但個別亦有上窄下寬的情況[5]。

所調查排架的上橫梁混凝土主要在夏季施工，為應對夏季高溫這一不利因素， 項目部已采取了如下措施: 減少水泥用量， 現(xiàn)場水泥用量控制在360 kg∕m3左右； 降低水灰比， 現(xiàn)場水灰比控制在0.47 左右； 避開高溫時段， 選擇夜間澆筑混凝土；在混凝土中摻加了聚羧酸外加劑， 主要起減水、緩凝效果， 以推遲熱峰的出現(xiàn)時間； 加強混凝土澆筑后的養(yǎng)護工作。

采取的措施符合規(guī)范要求， 切合實際， 能有效避免夏季高溫對澆筑混凝土產生的質量問題。根據現(xiàn)場調查裂縫的特點， 與理論大體積橫梁溫度裂縫的特點進行比較， 排除裂縫是由溫度應力產生的可能。

3.3 混凝土塑性收縮

導致混凝土塑性收縮有2 種原因: 1)液態(tài)混凝土沉降， 表面砂漿多， 表面失水收縮， 這種收縮受到表面下部混凝土的約束而形成開裂； 2)在舊混凝土上澆筑新混凝土， 舊混凝土此時已收縮完成， 如新澆筑的混凝土使新舊混凝土成為剛性整體， 新混凝土收縮受到舊混凝土的約束， 從而形成裂縫。 為應對溫度應力摻加的緩凝劑也會加大塑性收縮， 裂縫一般在混凝土澆筑后1～7 d 出現(xiàn)， 寬度不大， 較淺， 多呈中間寬、 兩端細， 且長短不一[6]。

碼頭橫梁由上橫梁和下橫梁兩部分組成， 下橫梁延伸出的箍筋， 在上橫梁現(xiàn)澆混凝土后， 上、下橫梁結合成為一個整體構件。 從時間方面考慮，下橫梁先于上橫梁3 個多月澆筑， 下橫梁澆筑時處于冬末春初， 溫度較低， 在澆筑上橫梁前， 下橫梁已完成一部分收縮。 從以上兩點可以看出，上橫梁的混凝土收縮大于下橫梁的混凝土收縮，上橫梁的收縮受到下橫梁的約束， 從而在上橫梁中出現(xiàn)拉應力， 產生裂縫。

混凝土在終凝前強度很小， 受高溫或較大風力的影響， 混凝土表面失水過快， 造成毛細管中產生較大的負壓而使混凝土體積急劇收縮， 而此時混凝土的強度又無法抵抗其本身收縮， 因此產生塑性收縮裂縫。

對比現(xiàn)場上橫梁裂縫與塑性收縮裂縫特點，可以判斷上橫梁裂縫主要為塑性收縮裂縫。

4 收縮裂縫防治措施

4.1 防治措施

根據混凝土收縮裂縫的產生原因及特點， 在無法縮短上、 下橫梁澆筑時間間隔的情況下， 提出利用鋼筋的限裂作用， 減小水灰比、 適當增配鋼筋， 來達到防治混凝土收縮裂縫的目的。 采取裂縫防治措施后， 再次對澆筑時間達30 d 的5 根上橫梁進行了裂縫統(tǒng)計， 只在33#排架上橫梁第3 跨出現(xiàn)1 條裂縫， 裂縫寬度小于0.2 mm， 裂縫防治取得了良好效果。

4.2 抗裂能力驗算

通過理論分析對采取措施前后上橫梁的抗裂能力進行比較， 可采用極限拉伸與約束拉伸之比作為結構抗裂度因子:

式中: εp為鋼筋混凝土主要部位(裂縫控制部位)的極限拉伸(mm∕mm)； αT為相應部位的自由相對降溫溫差變形(mm∕mm)； α 為線熱脹系數， 取10-5， 溫差T取10 ℃， αT=10-4； εy為相應部位的自由收縮相對變形(mm∕mm)； εs為由差異沉降或其他變形因素在結構相應部位引起的相對拉伸變形(mm∕mm)， 這一變形現(xiàn)場可忽略不計；R為約束系數， 一般情況下， 現(xiàn)場取中等約束0.6。

1)原上橫梁結構抗裂度因子K0驗算。

式中:Rf為混凝土抗裂設計強度(MPa)， 現(xiàn)場上橫梁非預應力構件， 混凝土抗裂設計強度等于混凝土軸心抗拉強度設計值ft，Rf=ft=1.71 MPa；p為截面配筋率，p=μ×100， μ=0.123%， 即p=0.123；d為鋼筋直徑(cm)， 取1.6 cm。 所以， εp=9.2×10-5。

式中:t為收縮時間(d)， 現(xiàn)場取30 d；b為經驗系數， 一般取0.01， 養(yǎng)護較差時取0.03；為標準狀態(tài)下的極限收縮，=3.24×10-4；Mn為考慮各種非標準條件的修正系數:M1為水泥品種修正系數， 普通水泥取1.0；M2為水泥細度修正系數，水泥細度在1 500 以下， 取0.9；M3為骨料修正系數， 沉積巖取1.0；M4為水灰比修正系數， 水灰比在0.47 左右， 取1.147；M5為初期養(yǎng)護時間修正系數， 養(yǎng)護時間為10 d 時取1.079；M6為環(huán)境濕度修正系數， 當地多年平均相對濕度為81%，取0.684；M7為配筋率修正系數， μ=0.123%， 取0.977 6；M8為振搗修正系數， 機械振搗， 取1.0。所以， εy(t) = 0.625。 由 式(1) 計 算 得:K0=0.944， 即原上橫梁結構抗裂度因子為0.944。

2)采取措施后上橫梁結構抗裂度因子K0驗算。

上橫梁澆筑至縱向梁頂， 現(xiàn)在上橫梁容易出現(xiàn)裂縫的第3、 4 區(qū)段增加鋼筋， 腰筋N3 間增加一道腰筋φ16 mm， 并在頂層腰筋N3 以上5 cm 水平面上增加6 根φ16 mm， 其余布筋及尺寸不變，見圖5。

圖5 上橫梁增配鋼筋

采取防裂措施后的上橫梁結構抗裂度因子K0計算如下: εp=1×10-4； 水灰比控制在0.42 左右，M4取1.042； 養(yǎng)護時間為14 d，M5取1.045； 控制濕度為90%，M6取0.54； μ=0.273%，M7取0.95； 其余系數不變， εy(t) =0.42。 計算得K0= 1.174。

根據計算， 采取防裂措施后上橫梁結構抗裂度因子為1.174， 與原上橫梁結構抗裂度因子相比提高了0.23。 對照K0與結構抗裂能力關系(表1)， 采取措施后， 結構的抗裂能力由一般提高到了較高。

表1 K0與結構抗裂能力關系

此外， 根據理論計算， 在保持截面配筋率不變的前提下， 鋼筋改為小直徑密布， 鋼筋混凝土的抗裂能力會有所提高。 若將本工程中增設的φ16 mm鋼筋， 換成φ10 mm 的鋼筋網片， 可達到K0=1.174 的要求， 減少鋼材用量、 節(jié)省成本。 具體抗裂效果， 將在以后類似項目中應用試驗。

5 結語

1)根據現(xiàn)場調查及分析， 碼頭上橫梁裂縫主要為塑性收縮裂縫。

2)混凝土工程中裂縫問題是不可避免的， 通過減小水灰比、 適當增加鋼筋能夠改善橫梁裂縫問題。

3)根據抗裂度因子計算， 采取減小水灰比、適當增加鋼筋的防裂措施后， 結構的抗裂能力由一般提高到了較高。