基于樁基架空面板結構碼頭面層現澆混凝土裂縫的探索

段家紅

(云南省港航投資建設有限責任公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

隨著我國社會經濟不斷演變，不僅在經濟與文化領域有了突飛猛進趨勢，在基礎設施建設方面也日新月異，其中碼頭的建設，尤其在沿江、沿海城市交通網建設中，碼頭已經成為重要的交通設施和水陸交通鏈接重要點，也是云南省“五網”建設中水路網的關鍵一環。但該類型的碼頭由于混凝土體積較大，難以避免的會產生裂縫，隨著國內一些學者對該質量問題的研究，并取得了顯著的科研成果，如張偉，張怡戈等介紹了碼頭地面混凝土裂縫主要是由混凝土的溫度應力和收縮變形的綜合作用引起的拉應力超過混凝土抗拉強度而導致。如顧祥奎，王曉暉，莊驊介紹了為減少和控制碼頭現澆面層裂縫，從設計、施工、原材料等方面對裂縫產生的機理進行分析，并提出通過優化原材料質量減少混凝土收縮量的技術路徑和量化要求以及通過完善施工過程管理減少混凝土干燥裂縫的技術措施，達到控制碼頭面層裂縫目的。黃沛，金秀坤，王新剛介紹了碼頭面層混凝土程施工期間非常容易出現裂縫，裂縫過多、過大會影響正常的生產使用，還會增熱維修費用和降低耐久性，在碼頭面層裂縫現狀調查檢測的基礎上，結合試驗和溫度、干縮應力計算，對碼頭面層混凝土裂縫原因進行了深入分析，提出了裂縫控制技術措施。但由于碼頭施工條件及地面混凝土的面積較大，要想完全不產生裂縫是不可能的，但我們可以通過一系列措施可以把裂縫的數量、寬度和深度控制到最小程度。本文依據大具碼頭的樁基架空面板結構為例，現結合云南省在建的水工碼頭進行案例分析，云南省金沙江、瀾滄江在建碼頭結構形式主要分為幾個類型，重力式碼頭、板樁碼頭、高樁碼頭以及混合式碼頭等，中、高樁基架空面板結構碼頭適用在地基情況較差以及水位變化幅度略大水域，同時也是我國采取最為普遍的碼頭結構形式，通過優化施工過程管理，避免混凝土干燥裂縫技術分析，從而使碼頭達到控制面層裂縫目的。

1 工程概況

金沙江發源于青海境內唐古拉山脈的格拉丹冬雪山北麓，是西藏和四川的界河。它在江達縣和四川的石渠縣交界處進入昌都地區邊界，經江達、貢覺和芒康等縣東部邊緣，至巴塘縣中心線附近的麥曲河口西南方小河的金沙匯口處入云南，然后在云南麗江折向東流，為長江上游。金沙江全長2 316 km，流域面積34萬km2。而本文案例為500 t/320客位/30 m級的大具碼頭，該碼頭屬于采用樁基架空結構，采用φ1 200和φ1 400灌注樁，根據地形和水位條件，排架間距7.0～10.0 m，每榀排架由2根樁組成，排架樁基之間設置縱橫向聯系撐。碼頭上部結構由橫梁和連續板組成。施工水位以下采用鋼橫梁和預制安裝實心板，兩跨預制板端部以及橫梁之間預留現澆節點，施工水位以上采用現澆鋼筋混凝土橫梁和連續板，采用現澆面層的結構。航道流經區域地勢均為“V”型峽谷，交通閉塞，氣溫及相對濕度等相差很大。在碼頭施工過程中，要特別注意預防和應對汛期雨水帶來的破壞和影響和溫差對混凝土強度的影響。

2 碼頭面層裂縫分類

(1)龜裂的形式呈現網狀分布，細而淺的外形，長短不一，粗細不一。

(2)由于收縮或者溫度變化等原因引起的混凝土表面的結構處出現局部應力的裂縫，包括碼頭面層的孔洞、橫梁拼縫等處，一般為規律性出現。長度和寬度大于龜裂型的裂縫。

(3)大體積混凝土由于設計中驗算不足或者是配筋等的問題產生結構受力的貫通性裂縫，寬度較大，水工結構不穩定。

3 現澆層面裂縫產生的原因

裂縫的性狀不同，是由于受力的原因以及混凝土收縮和混凝土施工質量等引起的。樁基架空面板結構碼頭的設計優越結構性的受力設計問題，因此裂縫的產生是不可避免，特別碼頭面層龜裂現象，如圖1所示。是困擾碼頭工程的問題，克服難度較大。因此應加大研究力度。當混凝土結構產生變形超過了混凝土所允許極限變形時，或者結構產生的拉應力大于混凝土抗拉強度，結構就會產生裂縫。通過該碼頭面層混凝土裂縫情況從現場調研、分析認為，裂縫的產生主要是由水化熱溫升和收縮引起，下面分別計算由溫度變化和收縮所引起的應力。

圖1 層裂縫分布圖

3.1 溫度應力的計算

在樁基架空面板結構碼頭面層混凝土結構施工時，一般采取水泥與水化熱反應的溫度應力情況，通過研究使用有限元軟件Midas FEA來部析碼頭面層混凝土實際大小體積，如圖2分析模型所示。通過計算得出，碼頭面層混凝土表層應力值如圖3(a)示意，中間溫度應力如圖3(b)示意。以此從圖中計算結果得出，碼頭面層混凝土中間應力偏小于容許拉應力，然而混凝土表層應力在3(b)之間和容許拉應力偏為挨近，也是小于容許拉應力。所以從中可以得出，溫度應力有獨立效果，對碼頭面層混凝土帶來裂縫的幾率一般偏小。

圖2 碼頭面層混凝土有限元模型

圖3 碼頭面層混凝土表面和中心溫度應力

3.2 收縮應力計算

該工程中，碼頭中混凝土實際配筋噸數偏小，對此混凝土的收縮采取計算公式(1)

εy(t)=3.24×10-4M1M2(1-e-0.01t)

式中εy(t)-任意時間的收縮，t-以天為單位；M1M2……、Mn考慮各種非標準條件的修正系數，參見文獻中表2～1至2～5。為此混凝土應力的數值和彈性模量成對比，固彈性模量演算精度也影響到應力演算結果的精度，所以依據彈性模量演算公式采取復合指數式(2)

E(π)=E0(1-e-aπb)

由收縮引起的應力計算結果如表1所示。

表1 碼頭面層混凝土收縮應力

以碼頭面層混凝土表層點溫度應力與中心點應力分開和收縮應力迭加溫度、收縮應力與混凝土抗拉硬度對比如表2、表3所示。

表2 碼頭面層混凝土表層單溫度應力+收縮應力與抗拉硬度

表3 碼頭面層混凝土中心點溫度應力+收縮應力與抗拉硬度

根據以上分析演算結果得知，碼頭面層混凝土表層點溫度應力與收縮應力合為第三天時間開始大于混凝土的抗拉硬度，和碼頭面層混凝土呈現裂縫時間保持相同。

4 結 論

本文依托大具水運工程碼頭的現澆面經過一段時間的澆筑，澆筑分條裂縫的幾率一般偏小。通過實際施工，混凝土裂縫一般由溫度應力與收縮變形而綜合作用下引起的拉應力超越混凝土的抗拉硬度而形成的。由于碼頭地面面積寬闊，混凝土面積也大，不出現裂縫那是難以實現的，我們只有通過在混凝土拌制上加強穩定性，采用分段澆筑的方法提高澆筑質量；控制原材料的品種和質量，尤其是在混凝土配合比上要注意水泥用量和拌合水的用量，盡可能的把裂縫數量、寬度與深度監控到最小的程度。