波浪力作用下開孔沉箱碼頭胸墻開裂原因分析*

劉現鵬,張巧梅

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津 300456；2.中國水運建設行業協會，北京 100011)

20世紀60年代末，加拿大學者Jarlan[1]提出了開孔式沉箱這一新型結構形式并將其應用到近海工程領域。開孔沉箱結構，其優勢在于可降低前波浪的反射力，從而實現工程結構的穩定性。由于開孔沉箱有著獨特的消浪單元，使得水浪波產生的力發生非同相位疊加，從而抵消很大一部分受力，減少對結構的作用[2]?，F澆大體積混凝土碼頭胸墻極易產生裂縫，是工程中普遍存在的一個難題，且一直未能得到很好的解決。這些裂縫的存在，不僅影響外觀，而且影響碼頭結構的自身質量、安全性、耐久性和使用功能[3]。混凝土結構裂縫的出現是設計、材料、施工等因素共同影響的結果，熊建波等[4]從結構設計、施工方法、環境條件等方面進行結構裂縫原因的分析并進行優化，以最大限度控制有害裂縫的產生。胡英杰等[5]分析了重力式碼頭因混凝土干縮和沉縮、應力集中、溫度等原因引起的胸墻裂縫的解決措施，將裂縫控制在了允許范圍之內。肖維等[6]根據形態特征將重力式碼頭胸墻面層裂縫分為主要裂縫、伴生裂縫以及次要裂縫3種類型，并結合各種裂縫的長度、深度以及寬度等特征，分析各種裂縫產生的原因及其危害性并有針對性地提出裂縫控制措施。王春華等[7]對青銅峽大壩電站壩段3大條貫穿性裂縫及3#胸墻裂縫進行處理，取得了很好的效果。目前完全避免混凝土裂縫是很困難的，只能采取適當的措施將其控制在允許范圍之內。

目前對于波浪與開孔沉箱相互作用主要通過物理模型試驗、理論分析和數值模擬3個方面進行研究。由于現場觀測環境惡劣，儀器安裝維護難度大，觀測成本高、周期長，國內外極少開展對開孔沉箱波浪力的現場觀測，也未見文獻報道。由此，本文采取理論分析、數值模擬、現場測試、原型觀測、物理模型試驗等手段，對日照港某碼頭開孔沉箱上部混凝土現澆胸墻開裂機理進行研究，得出開裂的根本原因。

1 工程概況

日照港某碼頭工程采用沉箱重力式結構，混凝土強度等級C40、抗凍等級F250，其胸墻為一字順岸式結構，長約500 m、寬約15 m、厚1 m。胸墻在長度方向上共分為29段，每段混凝土工程量為270 m3，為大體積混凝土施工。胸墻與沉箱間安裝50 cm厚預制蓋板，蓋板單塊質量約為17 t，蓋板側面預留鋼筋沿碼頭縱向進行焊接，蓋板安裝就位后通過現澆接縫混凝土方式加以固定。其結構斷面見圖1。

圖1 日照港某重力式碼頭結構斷面(高程：m；尺寸：mm)

該碼頭工程胸墻自2014年3月開始施工。在建設過程中，不斷發現現澆胸墻上部混凝土開裂，裂縫一般出現在胸墻澆筑完成后的2～14 d，并發展較快，裂縫寬度較寬且分布不規則，中間部分裂縫較長且呈十字形。從裂縫出現的時間分析，該問題符合大體積混凝土澆筑后溫升的時間規律，因此，施工單位后續采取了分層和分板澆筑混凝土、調整混凝土配合比、延長灑水養護時間、面層底部增加鋼筋網片、混凝土中摻加聚合物纖維等多種控制措施。從實施效果看，面層橫向裂縫有所減少，裂縫出現時間也有所延遲，裂縫寬度也有變窄的趨勢，但現澆胸墻混凝土開裂問題卻無法從根本上得到解決，妨礙了工程建設的順利進行。

相關研究資料表明，大體積混凝土裂縫主要包含2種裂縫：1)材料型裂縫，是由非受力變形引起的，主要是由溫度應力和混凝土自身的收縮引起的;2)荷載裂縫又稱受力裂縫，是外荷載作用下產生的結構裂縫。施工單位實施了多種控制材料型裂縫的措施，但無法徹底解決施工期胸墻現澆混凝土開裂問題，表明當前碼頭胸墻出現裂縫與大體積混凝土施工工藝以及混凝土材料本身特性關系不大，或者不是根本性原因。因此，研究該結構開裂問題應轉至荷載裂縫方向。碼頭胸墻在建設期或建成初期就因荷載而開裂，那么荷載因素是有限的，排除土體荷載、作業荷載、地震荷載等作用外，波浪力對結構的作用是最顯而易見的，而且本工程結構為開孔沉箱結構，施工期和運行期都會有波浪進入結構內部并對上部結構進行沖擊。碼頭胸墻出現的裂縫是否為由于波浪力作用下產生的荷載裂縫，本文通過原型觀測、實時監測、數模計算和對比分析等手段對其加以研究和驗證。

2 原型觀測

現場的外觀檢查分為水上外觀檢查和水下潛水員檢查兩種方式，分別對碼頭胸墻上表面、碼頭胸墻迎水面以及沉箱蓋板進行檢測和測量。原型觀測結果表明：碼頭胸墻迎水面、碼頭沉箱蓋板外觀質量良好，未見明顯裂縫；碼頭胸墻上表面發現大量裂縫，裂縫普遍較長，多沿垂直碼頭前沿線方向展開，部分呈現十字交叉形。具體裂縫走向及形態如圖2所示。

圖2 胸墻裂縫

根據圖2可知，裂縫的位置大多位于中倉上方的位置，后倉上方也存在一定的垂直碼頭前沿線的裂縫，但是前倉上方幾乎無裂縫出現。這表現出很強的規律性。對于大體積混凝土溫升造成的開裂形態并無規律性，其分布的位置不可能排除前倉位置，所以開裂的根本原因并非是大體積混凝土溫升。

另外，現場采用超聲波法對裂縫的深度進行檢測。結果表明，這些裂縫深度較大，一般在200～450 mm，最大的深度超過500 mm。裂縫深度較大表明這并非養護不夠造成龜裂，加大了其為荷載裂縫的可能性。

對于裂縫的寬度采用電子放大鏡進行了測量。結果表明，裂縫寬度均超過了0.2 mm，不滿足《水運工程混凝土結構設計規范》[8]對于鋼筋混凝土結構海港大氣區和浪濺區最大裂縫寬度限值0.2 mm的規定。裂縫的產生更容易導致海水氯鹽滲透侵蝕鋼筋，長期作用會大幅縮短碼頭結構的使用壽命。

總之，原型觀測發現規律是裂縫位置均位于胸墻上表面，位置多集中在中倉和后倉附近，前倉處幾乎無開裂，且其他地方以及蓋板均無開裂；裂縫的形態多垂直碼頭前沿線，少量呈十字形；裂縫寬度和深度較大，荷載裂縫特征較強；裂縫造成的影響不可忽略，不合理解決會對碼頭壽命甚至安全使用造成不利影響。

3 實時監測

目前，結構實時監測系統多用于大跨橋梁、超高層建筑等大型結構上，在沿海高樁碼頭結構上的應用較少。隨著水運建設行業的發展，碼頭結構的實時狀態監測越來越受到重視。但沿海港口碼頭結構多處于惡劣的海水環境中，海水環境及其強腐蝕性，對健康監測系統中傳感器設備的耐久性及防水性提出了很高的要求。

3.1 實時監測系統構成

實時監測系統一般包括傳感器子系統，數據采集、傳輸與處理子系統，損傷識別、安全評估及災變預警子系統以及數據管理子系統。根據本工程所處環境的特殊性及相關監測指標，并考慮監測系統方案的可行性，將本工程實時監測系統設計為傳感器子系統、數據采集子系統、無線傳輸子系統、數據處理分析與預警子系統，見圖3。

圖3 碼頭實時監測系統

3.2 監測工程概況

對于波浪的監測，波浪觀測頻率為1 Hz，每日觀測24次，每1 h觀測1次。每次觀測1 024組數據(約18 min)，觀測數據儲存于儀器內存中。波浪采用自容式測量，每個月提取1次數據。

潮位觀測頻率為1 Hz，每10 min觀測1次。每次觀測1 min，觀測數據儲存于儀器內存中。觀測結束后導出數據。數據為絕對水壓強，與碼頭面高程基準點建立聯系，轉化為潮位高程，基準面為日照港理論最低潮面。

結構動力監測通過現場測試結構振動數據，可獲取結構的固有頻率。結合現場監測獲取的波浪要素，采用結構動力學理論，可分析沉箱結構在波浪作用下的動力響應及動力放大效應，進而可為沉箱結構力學性能計算分析提供依據。結果表明，動力監測結果對于研究影響很小，因此該參數不再贅述。

頂托力觀測采用傳輸距離長、耗電小且防水、耐腐蝕的光纖光柵傳感器，采樣頻率1 Hz，每1 s觀測1次，并通過系統組網采用無線傳輸技術。很顯然，頂托力是研究的重點，故實現24 h全天候在線監測。以頂托力監測為例，頂托力傳感器分為前倉、中倉和后倉布設，每個倉內在不同位置布設4個傳感器，用于監測不同位置的受力。

3.3 數據采集和數據分析

本工程觀測周期共計2個月，實時采集了大量的波浪、潮位和頂托力的數據，具體情況見表1。

表1 觀測起止時間與數據量

面對大量數據，單獨對其某一項分析意義并不大，只有將其綜合分析，查明頂托力大小和波浪、潮位之間的相關關系和相關特點才有分析價值。根據結果知道，整個觀測期間(60 d)共有115個受力過程，從這115個受力過程中計算、歸納和總結了蓋板頂托力與潮位、波浪之間的關系，形成典型3因素同步過程見圖4，而前中后隔倉蓋板受力見圖5。

圖4 典型3因素同步過程

圖5 典型同期前中后隔艙蓋板受力

根據大量監測數據分析，并結合圖4、5，總結出如下規律：

1)受潮位漲落影響，1 d內蓋板頂托力也呈現2次受力過程，且頂托力增長過程與潮位升高過程一致，在潮位最高時，頂托力也到達峰值。

2)沉箱同一隔倉內，不同測點的頂托力過程幾乎重合，平均值和最大值也較為接近。即同隔倉內不同測點的頂托力差別不大。但是不同位置隔倉內則完全不同。三倉受力始終表現為：后倉>中倉>前倉。整個觀測期間，三倉各測點最大壓強為16.9 kPa，位于后倉。三倉中各個不同測點的最大值分別為前倉13.0 kPa，中倉15.4 kPa，后倉16.6 kPa。這個結果可以解釋開裂位置規律問題。因為后倉和中倉受力較大，所以造成開裂數量比前倉更大。后倉受力最大，但是中倉位置開裂數量最多可能是因為中倉位置是受中倉和后倉綜合作用而造成的。

3)蓋板受力總趨勢是緩慢上升的，表明潮位逐漸升高導致受力增加。同時，受力圍繞趨勢線有一定振幅的波動，與波高振幅較為接近，表明在潮位作用的基礎上，波浪對蓋板受力有沖擊作用。在潮位頂托作用的基礎上，波浪對蓋板有沖擊作用。

4)當潮位與蓋板接近時，波浪的貢獻大于潮位；當潮位高于蓋板時，潮位的貢獻大于波浪。前中后倉蓋板頂托壓強最大為13～16.6 kPa，由此根據王夢夢[9]所做的C40早齡期混凝土力學性能試驗可知，當混凝土蓋板養護期低于5 d時，潮位和波浪共同作用的頂托力是蓋板開裂的主要原因。

4 數值計算

在原型觀測和實時監測的基礎上，分析認為造成胸墻結構開裂的主要原因是沉箱開孔造成頂部蓋板會受到波浪的沖擊作用。此外，雖然沉箱蓋板是預制結構，但是蓋板間的接縫與上部胸墻都是現澆結構，在現澆混凝土強度增長階段，會間接受到來自底部的周期性波浪荷載作用，這就直接導致混凝土內部產生拉應力，而早齡期混凝土強度還未達到設計強度標準，所以養護時間越短就越容易產生裂縫。

基于以上分析，可采用ANSYS有限元軟件建立開孔沉箱上部胸墻結構的數值模型，分析計算一定混凝土養護齡期所對應的使胸墻開裂的波浪力，如果波浪力造成混凝土應力大于一定齡期混凝土所具有的開裂應力，則證明波浪力是造成開裂的根本原因。但是，該過程的數值模擬存在很多的難題和無法準確判定之處，例如波浪力造成蓋板的上升高度、波浪力在不同潮位下對于蓋板作用時間、不同位置現澆接縫混凝土性能參數存在因時間造成的差異等，造成模擬過程存在困難。但是，為證明開裂的根本原因是由于波浪力造成的，本文通過定性的方式，用數模計算的方法分析大多數為垂直碼頭前沿線裂縫的原因，也證明了波浪力的確是造成胸墻混凝土開裂的原因。

本文建立隔倉3排12個蓋板的模型，單元類型solid65，網格邊長為0.5 m，如圖6所示。其中蓋板采用28 d混凝土材料性能，下方支座采用28 d混凝土材料性能，按照澆注順序，第1次8個蓋板間接縫現澆的接縫混凝土分別采用2、3、5、7和9 d的混凝土材料性能，第2次整體現澆的混凝土分別采用0、1、3、5和7 d的混凝土材料性能。不同齡期的混凝土材料性能參數參考王夢夢所做試驗結果。

圖6 12個蓋板的模型

以蓋板為研究對象，波浪沖擊時間t取0.1 s，逐步增大作用于蓋板上的波浪力，但是根據實時監測數據，最大加載不超過16.6 kPa，用于總結和分析在波浪力作用下蓋板不同位置的受力情況。以某一工況為例，提取出計算結果中的拉應力，如圖7所示。

圖7 蓋板某時刻拉應力

由圖7可知，該工況下，x方向的最大拉應力為1.32 MPa，大于y方向的最大拉應力1.10 MPa，說明垂直于碼頭前沿方向(即x方向)更容易產生裂縫，這也與實際原型觀測的結果一致。由此可見，通過數值模擬計算，揭示了在同樣波浪力作用下垂直于碼頭前沿線方向上裂縫較多的規律，也證明波浪力確實是造成胸墻開裂的根本原因。

5 結語

1)大體積混凝土溫升不是造成本工程胸墻開裂的原因。工程初期，很多工程師認為開裂是因為大體積混凝土澆注時溫度應力較大造成胸墻開裂，但經過原型觀測后可知，開裂的位置和表現形態并不符合大體積混凝土溫升造成開裂的特征，因為本工程中胸墻的開裂具有明顯的位置特征和形態特征，故開裂另有原因。

2)波浪力的作用是本工程胸墻開裂的根本原因。通過實時監測，得到了波浪力的大小和受力規律，取得了波浪力沖擊蓋板的直接證據；以實際監測數據為依托，建立數模進行反復計算，結果表明，在同樣的波浪力作用下，垂直碼頭岸線方向的應力相對于平行岸線方向上的應力更大，這與原型觀測發現該方向上的開裂較多相互吻合，這也驗證了波浪力是造成胸墻出現開裂的根本原因。多因素的相互佐證，表明了本工程中胸墻開裂原因的尋找和分析科學、可靠。

3)由于受限于研究內容廣度和深度，對于一些疑難問題期待做進一步工作。對于波浪力作用下蓋板和胸墻混凝土受力的模擬計算應該繼續深入研究，同時研究模擬計算中相關參數的取值問題；對于現澆接縫混凝土早期強度不足而受到波浪力作用后受損的情況，應研究早期的防浪工程措施，減小波浪力的影響；對于波浪力作用于蓋板等結構情況，除了數值模擬外，應建設物理模型試驗加以佐證和深入研究。