碼頭含裂縫面板靜載試驗及安全性分析

王承強，陳忠華，蘇正洋，王海軍，王恩準

(1.南京水利科學研究院/水文水資源與水利工程科學國家重點試驗室，江蘇 南京 210029；2.河海大學，江蘇 南京 210098)

隨著中國社會經濟的快速發展，港口碼頭工程建設也不斷發展，近年來工程安全問題越來越得到重視[1-2]，碼頭工程結構的破損及修復問題倍受關注[3-4]，作為旅游業、運輸業等行業的重要基礎設施，港口碼頭在社會發展中具有不可取代的重要地位，及時了解和掌握已建港工結構的技術狀態信息，管理并維護好這些重要基礎設施，保證其運行安全，是一項極其重要的任務[5-6]。高樁碼頭以其對軟土地基高適應性的優勢成為中國港口建設的主角，特別是在長江中下游地區極為常見，對于碼頭面板工程，其面板裂縫的存在不僅影響了工程的美觀度，同時也降低了碼頭面板的耐久性和使用壽命[7-9]。因此，面板裂縫防治是目前碼頭工程中一個亟需解決的重要問題[10-11]。

針對某港口碼頭一期工程(NHG-MT2標段)，該工程碼頭面板澆筑后，在日常使用過程中面板出現橫縱向裂縫及網格狀裂縫[12-13]，部分面板有混凝土局部破損、露筋等現象[14-15]。為查明面板裂縫產生的原因，通過現場靜力荷載試驗，觀測面板在試驗荷載作用下的應變、撓度和裂縫寬度變化等行為，以此分析面板的實際承載能力[16]，并評估面板的安全性和使用性。根據現場實地調查、監測及結構計算分析的結果，對碼頭面板實際工作狀況進行評估，分析面板裂縫的影響，為今后更好地做好碼頭安全管理工作提供決策依據。

1 工程概況

該港口碼頭一期工程(NHG-MT2標段)碼頭平臺寬14 m，長934 m，分為21個結構段，共146榀排架。碼頭上部結構采用現澆正交梁板體系，面板混凝土強度等級為C35，并按混凝土體積的0.2%內摻抗裂纖維。碼頭1—9號結構段為件散貨作業區，在碼頭面進行刻紋處理，碼頭10—21號結構段為皮帶機作業區。

該工程碼頭面板自2013年4月開始澆筑，澆筑后面板出現橫縱向裂縫及網格狀裂縫，其中部分面板出現混凝土局部破損、面板露筋等現象，見圖1。為查明面板裂縫產生的原因，掌握裂縫詳細性狀，通過現場靜力荷載試驗，觀測面板在試驗荷載作用下的應變、撓度和裂縫寬度變化[17-18]，并以此評定面板的實際承載能力[19-20]，驗證面板的安全性和使用性[21]。

a)網狀裂縫 b)縱向裂縫

2 現場試驗測試

2.1 試驗目的及內容

本試驗主要測試已經出現裂縫的面板在試驗荷載作用下的近支座截面應變、跨中最大撓度和裂縫寬度變化等行為，檢驗面板受彎、受剪等承載能力是否滿足設計要求，評估面板的安全性和使用性。本試驗測試面板長為5.05 m，寬為4.9 m，厚度為0.4 m，靜載試驗在碼頭原位進行集中荷載和均布荷載2項試驗，在22—27號泊位進行集中荷載作用下碼頭面板承載能力驗證性試驗；在有皮帶機的泊位進行均布荷載作用下碼頭面板承載能力驗證性試驗，碼頭面板試驗現場及面板實體見圖2。

a)測試儀器 b)面板試樣

2.2 試驗原理

本次靜載試驗選擇4塊面板，分別進行集中荷載和均布荷載作用下碼頭面板驗證性試驗。選取的試驗構件著重考慮具有代表性，且處于荷載較大、裂縫較多(抗力較弱)的部位，兼顧試驗效率，現場面板幾何結構尺寸見圖3。

圖3 面板荷載試驗加載位置示意

根據裂縫調查檢測結果，選取第5結構段31—32排架板2，進行集中荷載試驗，該面板底面存在6條裂縫，最大裂縫寬度為0.35 mm；頂面存在7條裂縫，最大裂縫寬度為0.20 mm；選取第19結構段128—129排架板2進行均布荷載試驗，該面板底面存在4條裂縫，最大裂縫寬度為0.40 mm；頂面存在5條裂縫，最大裂縫寬度為0.30 mm。面板原位加載試驗最大荷載需滿足承載力檢驗的要求，面板施加的最大試驗荷載值由面板承載力設計值確定，面板荷載試驗加載位置見圖3。

集中荷載共計4個加載點，單個集中荷載試驗荷載f=183.75 kN。在進行檢驗試驗時，面板的自重荷載作為已有荷載。面板集中荷載試驗最大加載值合計F=4f=735 kN。對于均布荷載下的面板靜載試驗，計劃在選定的試驗面板上進行堆載，均布荷載試驗荷載值q=20 kN/m2。在進行檢驗試驗時，面板的自重荷載作為已有荷載，面板均布荷載試驗最大加載值合計Q=qA=420 kN。

2.3 試驗觀測

試驗主要觀測以下項目：①荷載和控制截面上的混凝土應變，面板支座截面頂面應變；②面板現有裂縫寬度的發展變化；③彎曲受拉區面板是否出現裂縫以及裂縫寬度的發展情況；④卸載過程中及卸載后面板裂縫的恢復情況。主要觀測現場見圖4。

a)線路布設 b)加載裝置

通過碼頭面板靜載試驗，檢測已經出現裂縫的面板在試驗荷載作用下的應變、撓度和裂縫寬度變化等行為，并進行相關的結構計算，分析現有裂縫存在的影響，為后期碼頭安全管理提供依據[22]。選取典型結構段第5結構段面板2進行集中荷載試驗，第19結構段面板2進行均布荷載試驗，結合試驗結果進行分析。

3 結構承載力及安全性使用性評估

3.1 撓度驗算

本試驗數據測量利用光柵尺位移傳感器，據跨中截面布置的2個數顯位移計量所測得的跨中截面撓度結果，對于含裂縫碼頭靜載試驗撓度，由表1可知，在集中荷載作用下，實測試驗荷載作用碼頭面板跨中最大撓度為0.01 mm，卸載后撓度恢復為0.00 mm。由表2可知，在均布荷載作用下，實測試驗荷載作用碼頭面板跨中最大撓度為0.01 mm，卸載后撓度恢復為0.00 mm。對于含裂縫碼頭靜載試驗，其跨中截面撓度測試結果均小于撓度限值，滿足規范要求。在試驗過程中，觀察碼頭面板主要控制截面附近混凝土外觀狀況，未出現混凝土新增開裂或其他破損，也未見其他異常，原有裂縫未出現擴展，碼頭面板處于正常工作狀態。試驗結束后，由潛水人員協助檢查面板底面，面板底面原有裂縫局部可見白色析出物，裂縫處于閉合狀態。

表1 第5結構段面板2跨中撓度試驗結果

表2 第19結構段面板2跨中撓度試驗結果

3.2 裂縫寬度驗算

據現場裂縫寬度監測儀(光柵尺位移傳感器)監測結果，對于含裂縫碼頭靜載試驗裂縫寬度，由表3可知，在集中荷載作用下，實測試驗荷載作用下碼頭面板裂縫1寬度變化測值最大值為0.000 5 mm，裂縫2寬度變化測值最大值為0，卸載后裂縫恢復至原始寬度。由表4可知，在均布荷載作用下，實測試驗荷載作用下碼頭面板裂縫1寬度變化測值最大值為0.001 5 mm，裂縫2寬度變化測值最大值為0.001 0 mm，卸載后裂縫恢復至原始寬度。試驗前后裂縫對比見圖5，試驗結果表明，卸載后碼頭面板裂縫恢復至試驗前寬度；碼頭面板未出現混凝土新增開裂或其他破損，原有裂縫未出現擴展，含裂縫碼頭靜載試驗裂縫寬度結果滿足現行規范對裂縫寬度的限制要求。

表3 第5結構段面板2典型裂縫寬度變化試驗結果

表4 第19結構段面板2典型裂縫寬度變化試驗結果

a)試驗前裂縫 b)試驗后裂縫

3.3 支座截面應變驗算

近支座截面應變測試結果見表5、6，試驗分別選取第5結構段面板2和第19結構段面板2進行測試，據采用電阻應變片進行觀測的面板支座截面頂面應變4個測點應變結果，對于含裂縫碼頭靜載試驗支座截面應變。由表5可見，在集中荷載作用下，實測試驗荷載作用下碼頭面板近左右支座截面最大應變分別為25.1、25.9 με，卸載后應變基本恢復。由表6可見，在均布荷載作用下，實測試驗荷載作用下碼頭面板近左右支座截面最大應變分別為15.6、16.2 με，卸載后應變基本恢復，混凝土應變處于彈性范圍。

表5 第5結構段面板2近支座截面應變試驗結果

表6 第19結構段面板2近支座截面應變試驗結果

4 結論及建議

通過對某港口碼頭一期工程(NHG-MT2標段)含裂縫面板進行靜載試驗，測試已經出現裂縫的面板在試驗荷載作用下的撓度、裂縫寬度變化和支座截面應變等行為，得出以下結論。

a) 試驗荷載作用下碼頭面板裂縫寬度變化測值在0.003 5 mm以內，該測值量級相當于測點標距內由混凝土表面應變引起的距離變化，即在正常變化范圍內；試驗荷載作用下碼頭面板跨中最大撓度在0.02 mm以內，卸載后跨中撓度恢復為0；試驗荷載作用下碼頭面板近支座截面最大應變為25.9 με，卸載后應變基本恢復，混凝土應變處于彈性范圍，含裂縫面板在試驗荷載作用下的應變、撓度和裂縫寬度變化均滿足承載力要求。

b) 卸載后碼頭面板裂縫恢復至試驗前寬度；面板底面原有裂縫局部可見白色析出物，裂縫仍處于閉合狀態；且試驗過程中，碼頭面板未出現混凝土新增開裂或其他破損，也未見其他異常，原有裂縫未出現擴展，面板處于正常工作狀態。

c) 碼頭面板存在的收縮變形型裂縫不同于結構荷載型裂縫，該裂縫對面板承載力基本無影響，面板承載力和安全性滿足設計要求，能夠正常使用，但從耐久性角度考慮，建議對面板裂縫進行修補。