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力的分布與變化規律，分析各種裂縫產生的原因與危害。在此基礎上，采用了優化混凝土配合比、縮短分段長度、保溫養護、增設構造鋼筋等措施，大幅度降低溫度收縮應力與裂縫寬度。

關鍵詞：重力式碼頭 面層 有限元 應力 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，在外部環境影響下，極易因溫度與收縮而產生較大的拉應力，導致面層出現不同程度的開裂。本文針對我國某重力式碼頭的面層混凝土開裂現狀，利用有限元軟件計算面層混凝土硬化過程中的應力分布及其變化規律，分析開裂的原因，提出相應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，內設三道管廊，頂部現澆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齡期后逐漸出現不同形式裂縫，根據裂縫出現的位置、方向、長度、深度等特征可分為三種類型，統計北側與南側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域容易產生應力集中的影響，面層混凝土結構的溫度應力呈現波浪形變化的規律。當應力大于2.1MPa，當此時混凝土抗拉強度與溫度應力比值小于1.4，具有產生裂縫的風險。強約束區產生裂縫時，會迅速向弱約束區發展，穿過弱約束區，并與由另外一段強約束區發展而來的裂縫連接，當四個強約束區形成的裂縫均向弱約束區發展時，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域，也有較大的Y軸長度方向拉應力出現。但與受底部約束產生的拉應力有所不同，其應力是由上表面向面層內部逐步降低的，引起的裂縫也是由上表面向面層內部擴展，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律的變化，邊界約束導致邊界應力較大，向面層內部深入，逐漸遠離邊界約束區，應力降低。但隨著面層內部約束迅速增加，應力又迅速增大，在面層中部2/3的范圍內達到最高值并趨于穩定。雖面層大部分區域應力均大于2.1MPa，具有一定的開裂風險，但畢竟拉應力還遠低于此時混凝土的抗拉強度。因此，在應力作用下，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不規則裂縫，即第三種裂縫。

4.控制面層開裂的措施

4.1優化配合比

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

通過配合比優化，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%。根據優化配合比，計算面層混凝土溫度應變，120h齡期Y軸方向的溫度收縮應力為2.8MPa，X軸方面的溫度收縮應力為2.1MPa，優化配合比之后面層Y軸與X軸方向的溫度收縮應力分布規律分布如圖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力降低了約8%左右，其中X軸方向的溫度收縮應力基本處于危險應力點以下，說明優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力。

4.2縮短澆筑長度與保溫養護

重點針對Y軸方向的溫度收縮應力，在優化配合比的基礎上，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護。采取優化配合比、縮短澆筑與保溫養護的控裂措施后，面層溫度收縮應力增長速率明顯放緩，危險應力點時間由120h推遲至150h，直到240h溫度收縮應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，降低了開裂風險。

優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力的效果。縮短面層混凝土澆筑長度，可以降低強約束區對面層底部的約束，達到降低Y軸方向溫度收縮應力目的。保溫養護，降低面層最大內外溫差與最大降溫速率，將出現危險性應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。

4.3構造配筋

配筋率是影響裂縫控制效果的重要因素，工程實踐表明適當配置鋼筋有益于控制結構的裂縫。根據《港口工程混凝土結構設計規范》（JTJ267）裂縫寬度驗算公式，計算面層配筋率與裂縫寬度的關系。面層結構以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，面層結構裂縫寬度寬度過大，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.結論

（1）根據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、應力變化規律及其分布情況，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生了較大的拉應力，導致面層出現了三種不同形態的裂縫。

（2）針對溫度收縮應力，在優化混凝土配合比的基礎上，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護，可顯著降低溫度收縮應力，推遲危險性應力出現時間，極大降低了開裂機率，避免了貫穿性裂縫的出現。

（3）通過面層配筋率與裂縫寬度的關系，按照鋼筋直徑小、間距密的特點在沿Y軸方向增設直徑不超過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。

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