高樁碼頭混凝土橫梁裂縫影響因素分析

徐 筠，鄧春林，鄭星偉

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州510230；2.中交四航工程研究院有限公司水工構造物耐久性技術交通運輸行業重點實驗室，廣州510230；3.衢州市衢江航運開發工程項目建設指揮部，衢州324000）

高樁碼頭混凝土橫梁裂縫影響因素分析

徐 筠1，鄧春林2，鄭星偉3

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州510230；2.中交四航工程研究院有限公司水工構造物耐久性技術交通運輸行業重點實驗室，廣州510230；3.衢州市衢江航運開發工程項目建設指揮部，衢州324000）

根據國內某高樁碼頭結構橫梁混凝土開裂情況，結合現場混凝土溫度監測，從內約束應力和外約束應力分析了橫梁混凝土開裂的原因。結果表明：碼頭上橫梁混凝土的開裂主要是由外約束應力導致的，各種參數對外約束應力的影響幅度從大到小依次是：基礎水平阻力系數、澆筑間隔時間、構件長度、構件高度，研究成果可用于類似工程混凝土裂縫控制。

碼頭；裂縫；水平阻力系數；澆筑間隔時間；構件長度；構件高度

近年來，國家和相關部門出臺了不少關于大體積混凝土裂縫控制的標準規范，如《大體積混凝土施工規范》（GB 50496-2009）、《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》（JTS 202-2-2010），混凝土溫度裂縫的重視程度逐漸提高。但是，從大量工程實際情況看，混凝土的裂縫問題依然非常多。相關文獻和規范提出了大量混凝土裂縫的控制措施，各種措施一般與工程進度、成本等因素密切相關。判別何種因素是混凝土裂縫形成的主要原因，并采用相應的控裂措施，這方面的研究較少，導致工程技術人員在大量裂縫控制措施中難于選擇，也很難獲得較好的控裂效果。本文通過實例分析比較各種參數對混凝土開裂的影響程度，從而為工程技術人員選擇合適、有效的控裂措施提供參考。

1 混凝土溫度應力理論

混凝土開裂的根本原因是混凝土的拉應力超過混凝土抗拉強度。混凝土抗拉強度的測試比較簡單，但是混凝土拉應力的測試和計算則影響因素較多。

大量文獻［1-2］均給出了混凝土溫度收縮應力的計算公式，公式的雛形均是虎克定律，主要包括內約束和外約束導致的混凝土拉應力的計算。

1.1 內約束應力計算理論

內約束導致的混凝土拉應力可按式（1）計算［1-2］

式中：σn(t)為齡期t時混凝土內表溫差產生的自約束拉應力，MPa；α為混凝土線膨脹系數，℃-1，可取10× 10-6℃-1；E為混凝土彈性模量，MPa；ΔTnb(t)為齡期t時混凝土內表溫差，℃；Kp為由混凝土徐變引起的應力松弛系數，在缺乏試驗資料時可取0.50。

1.2 外約束應力計算理論

外約束導致的混凝土內部拉應力可按式（2）計算［1-3］

Biography：XU Yun（1984-），female，engineer.

式中：σwmax為外部約束導致的混凝土內部最大拉應力，MPa；μ為混凝土的泊松比，可取0.16；E為混凝土彈性模量，MPa；Kp為混凝土徐變引起的應力松弛系數，在缺乏試驗資料時可取0.50；cosh為雙曲余弦函數；L為混凝土構件長度，mm；H為混凝土構件高度，mm；Cx為基礎水平阻力系數，N/mm3；ε1為水化熱降溫變形，從最高溫度降低至環境溫度導致的變形；ε2為混凝土收縮變形，按式（3）計算。

式中：ε2（t）為齡期為t天時，混凝土收縮引起的相對變形值；ε20為在標準試驗狀態下混凝土最終收縮的相對變形值，國標《大體積混凝土施工規范》（GB 50496-2009）建議取4.0×10-4；M1、M2、M3···M11為混凝土收縮不同條件影響修正系數，各系數乘積取0.7；m為與混凝土的干燥收縮速率有關的系數，國標《大體積混凝土施工規范》（GB 50496-2009）推薦值為0.01，由于近年來水泥粉磨細度提高，礦渣粉、減水劑的摻入，使得水化放熱速率顯著提高，混凝土的收縮總量和收縮速率也顯著提高，圖1為混凝土試件實測的收縮值，根據實測數據修正公式（3），結果顯示m取0.05時，計算收縮量與實測收縮量比較接近，本文按m值為0.05計算收縮導致的約束應力。

圖1 實測收縮值和m取0.05時計算的收縮值Fig.1 Monitoring value and calculated value with m of 0.05

圖2 碼頭橫梁斷面圖Fig.2 Section of beam

2 工程案例

圖2是華南地區某碼頭橫梁斷面圖，上橫梁寬1 m，高1.5 m；下橫梁寬2.4 m，高1.5 m。下橫梁的尺寸比上橫梁大，實際施工中發現，下橫梁沒有產生裂縫，而上橫梁側面和頂面卻出現了大量貫穿裂縫，在長度約26 m的上橫梁中出現了7條貫穿性裂縫，裂縫分布示意圖見圖3。

圖3 上橫梁裂縫分布Fig.3 Cracks distribution of upper beam

3 開裂因素分析

3.1 內約束應力分析

內約束應力主要與混凝土的內表溫差相關。根據最小邊尺寸為1 m的上橫梁構件的混凝土施工期溫度監測結果，內表溫差最大值僅為10℃，4 d后內表溫差降低到2℃以下（圖4）。根據式（1）計算，內約束導致的溫度應力最大值僅為0.87 MPa，4 d后內表溫差導致的內約束應力基本消失。

下橫梁最小邊尺寸為1.5 m，下橫梁的內表溫差比上橫梁大，但是下橫梁內表溫差導致的內約束應力和外約束應力并沒有使混凝土開裂，因此判斷上橫梁的裂縫不是內約束應力造成的。從應力計算結果和混凝土實際開裂時間等綜合分析，上橫梁混凝土開裂的主要原因是外約束導致的。

3.2 外約束應力分析

影響外約束應力的因素比較多，主要包括：混凝土彈性模量、泊松比、線膨脹系數、松弛系數、溫差、收縮差、構件高度、構件長度、基礎水平阻力系數等。上述工程中，下橫梁和上橫梁混凝土的配合比一致，也就是說，混凝土的彈性模量、泊松比、線膨脹系數、松弛系數、水化熱降溫變形ε1基本一致，從混凝土優化的角度改善裂縫的措施已經有大量的研究［4-8］，本文主要對設計、施工環節的重要影響因素進行分析。計算的基礎參數如表1所示，根據實際情況變換以下4個參數，包括分層澆筑時間隔間t、基礎水平阻力系數Cx、構件高度H、構件長度L，計算相應的外約束應力，通過應力的變化幅度反映參數對裂縫的影響程度，為控裂措施的選擇提供科學依據。

圖4 上橫梁澆筑后的內表溫差Fig.4 Temperature difference between inside and surface of upper beam

3.2.1 澆筑間隔時間t

對于分層澆筑的上橫梁，澆筑間隔時間是影響ε2的重要因素，根據式（3）可以計算不同澆筑間隔時間時，上橫梁與下橫梁的相對變形ε2，只有上下層的相對變形會產生拉應力。分別計算了澆筑間隔為3 d、7 d、15 d、30 d、60 d、90 d時混凝土的相對變形，并計算了相應條件下的外約束應力，結果見表2所示，表中的影響比例為負值代表約束應力降低，正值代表約束應力增大。

與上下橫梁澆筑間隔時間為30 d相比，澆筑間隔時間縮短為0 d、3 d、7 d、15 d，約束應力分別減少52.1%、42.7%、32.3%、16.6%，澆筑時間控制在7 d以內，外約束應力與澆筑間隔時間為30 d的應力值顯著降低。澆筑間隔時間延長為90 d，約束應力增大14.1%。

表1 應力計算的基礎參數取值［8］Tab.1 Parameters for stress calculation

3.2.2 基礎水平阻力系數Cx

不同介質的基礎對混凝土構件的水平阻力系數可按表3取值［3］。澆筑于樁基上的下橫梁，由于樁基具有很大幅度的變形能力，對下橫梁的阻尼系數非常小，Cx可取0.01～0.03，澆筑于沉箱灌砂基礎之上的封底混凝土，Cx可取0.6，澆筑于下橫梁上面的上橫梁，底部混凝土彈性模量較大，Cx可取1.5。

表2 不同澆筑間隔時間對外約束應力的影響Tab.2 Influence of different casting time interval on the external constraint stress

表3 不同外約束介質下Cx取值Tab.3 Cxvalues under different external constraints N/mm3

基礎水平阻力系數Cx取值的變化幅度較大，澆筑于鋼筋混凝土上的構件，Cx取1.5，而澆筑于樁基礎上的構件，Cx取值僅為0.03，約束應力從4.03 MPa降低至0.14 MPa，降低幅度達到96.5%，降低基礎水平阻力系數是降低混凝土約束應力非常有效的手段（表4）。

表4 不同基礎水平阻力系數對外約束應力的影響Tab.4 Influence of Cxon the external constraint stress

3.2.3 構件高度H

碼頭結構構件高度存在較大的差異，一般根據設計和施工需要而定，但構件高度對外約束應力有一定的影響，選取了常用的構件高度進行外約束應力的計算，結果見表5所示。

表5 不同構件高度H對外約束應力的影響Tab.5 Influence of component height on the external constraint stress

構件高度對約束應力的影響較大，構件高度越高，內表溫差導致的內約束應力越大，但是外約束導致的應力越小。構件高度從1 500 mm增大至3 000 mm，外約束應力降低36.5%。構件高度從1 500 mm減小至400 mm，外約束應力增大69%，因此分層澆筑的混凝土構件，每層高度不宜太小。

3.2.4 構件長度L

碼頭結構澆筑長度對外約束應力有一定的影響，選取了常用的構件長度進行約束應力的計算，結果見表6所示。

表6 不同構件長度對外約束應力的影響Tab.6 Influence of component length on the external constraint stress

構件的長度對約束應力的影響較大，構件長度越長，外約束導致的應力越小。構件長度從15 m縮短至10 m，外約束應力降低41.8%。構件長度從15 m增大至30 m，外約束應力增大33.0%。

表7 不同參數對外約束應力的影響Tab.7 Influence of different parameters on the external restraint stress

3.3 討論分析

碼頭上橫梁截面尺寸比下橫梁小，內表溫差小，上橫梁內約束導致的應力較小，但是上橫梁出現7條貫穿性裂縫，而下橫梁并未開裂，可以得出，內約束并不是導致上橫梁開裂的主要因素。

在固定其他參數不變的情況下，改變基礎水平阻力系數Cx、分層澆筑間隔時間t、構件高度H、構件長度L，計算相應的外約束應力，通過應力的變化幅度反映參數對裂縫的控制的重要性，結果見表7所示。

從表7的數據可以看出，各種參數對外約束應力的影響幅度從大到小依次是：基礎水平阻力系數Cx、澆筑間隔時間t、構件長度L、構件高度H。在確定混凝土裂縫控制方法時，應優先考慮優化影響幅度較大的參數，如降低基礎水平阻力系數、縮短澆筑間隔時間等。降低基礎水平阻力系數的方法一般是在新澆筑構件底部設置滑動層，滑動層可采用瀝青砂、兩層油氈夾滑石粉、二油一氈等滑動層體系。當混凝土構件澆筑于基巖上時，宜在基巖面上設粗砂滑動層，將墊層表面盡量做平整、光滑，可以最大限度地降低基礎水平阻力系數。

4 結論

（1）從應力計算結果和混凝土實際開裂時間等綜合分析，碼頭上橫梁混凝土開裂的主要原因是外約束應力導致的。

（2）各種參數對外約束應力的影響幅度從大到小依次是：基礎水平阻力系數Cx、澆筑間隔時間t、構件長度L、構件高度H。

（3）底部為鋼筋混凝土的構件，優先考慮設置滑動層降低基礎水平阻力系數和縮短澆筑間隔時間兩項措施控制混凝土裂縫。

［1］GB 50496-2009,大體積混凝土施工規范［S］.

［2］JTS 202-1-2010,水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程［S］.

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Influence factors analysis of concrete crack on crossbeam of high pile wharf

XU Yun1，DENG Chun?lin2,ZHENG Xing?wei3
（1.CCCC?FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510230,China；2.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory of Harbor and Marine Structure Durability Technology,Ministry of Transport,Guangzhou 510230,China；3.Qujiang shipping development project construction headquarters of Quzhou,Quzhou 324000, China）

According to the crack statistic of a high?piled wharf structure,combined with the field temperature monitoring of concrete,the causes of cracks of beams were analyzed from the internal and external restraint stress. The results show that the cracks of concrete beams are mainly induced by external restraint stress.The importance of various parameters of external restraint stress range from large to small in turn is the horizontal resistance coeffi?cient of foundation,casting time interval,component length and component height.The research results can be used for the concrete crack control of similar engineering.

wharf;crack;horizontal resistance coefficient;casting time interval;component length;compo?nent height

U 656.1+13

A

1005-8443（2016）02-0288-04

2015-03-30；

2015-12-07

徐筠(1984-)，女，工程師，主要從事海工建筑物結構設計、施工及管理工作。