基于樁基架空面板結(jié)構(gòu)碼頭面層現(xiàn)澆混凝土裂縫的探索

段家紅

(云南省港航投資建設(shè)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟不斷演變，不僅在經(jīng)濟與文化領(lǐng)域有了突飛猛進趨勢，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面也日新月異，其中碼頭的建設(shè)，尤其在沿江、沿海城市交通網(wǎng)建設(shè)中，碼頭已經(jīng)成為重要的交通設(shè)施和水陸交通鏈接重要點，也是云南省“五網(wǎng)”建設(shè)中水路網(wǎng)的關(guān)鍵一環(huán)。但該類型的碼頭由于混凝土體積較大，難以避免的會產(chǎn)生裂縫，隨著國內(nèi)一些學(xué)者對該質(zhì)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(yīng)力和收縮變形的綜合作用引起的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度而導(dǎo)致。如顧祥奎，王曉暉，莊驊介紹了為減少和控制碼頭現(xiàn)澆面層裂縫，從設(shè)計、施工、原材料等方面對裂縫產(chǎn)生的機理進行分析，并提出通過優(yōu)化原材料質(zhì)量減少混凝土收縮量的技術(shù)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(shù)措施，達(dá)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(xiàn)裂縫，裂縫過多、過大會影響正常的生產(chǎn)使用，還會增熱維修費用和降低耐久性，在碼頭面層裂縫現(xiàn)狀調(diào)查檢測的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗和溫度、干縮應(yīng)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(shù)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(chǎn)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(shù)量、寬度和深度控制到最小程度。本文依據(jù)大具碼頭的樁基架空面板結(jié)構(gòu)為例，現(xiàn)結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式，通過優(yōu)化施工過程管理，避免混凝土干燥裂縫技術(shù)分析，從而使碼頭達(dá)到控制面層裂縫目的。

1 工程概況

金沙江發(fā)源于青海境內(nèi)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(dá)縣和四川的石渠縣交界處進入昌都地區(qū)邊界，經(jīng)江達(dá)、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(jié)構(gòu)，采用φ1 200和φ1 400灌注樁，根據(jù)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(shè)置縱橫向聯(lián)系撐。碼頭上部結(jié)構(gòu)由橫梁和連續(xù)板組成。施工水位以下采用鋼橫梁和預(yù)制安裝實心板，兩跨預(yù)制板端部以及橫梁之間預(yù)留現(xiàn)澆節(jié)點，施工水位以上采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土橫梁和連續(xù)板，采用現(xiàn)澆面層的結(jié)構(gòu)。航道流經(jīng)區(qū)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(yù)防和應(yīng)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(xiàn)網(wǎng)狀分布，細(xì)而淺的外形，長短不一，粗細(xì)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(jié)構(gòu)處出現(xiàn)局部應(yīng)力的裂縫，包括碼頭面層的孔洞、橫梁拼縫等處，一般為規(guī)律性出現(xiàn)。長度和寬度大于龜裂型的裂縫。

(3)大體積混凝土由于設(shè)計中驗算不足或者是配筋等的問題產(chǎn)生結(jié)構(gòu)受力的貫通性裂縫，寬度較大，水工結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

3 現(xiàn)澆層面裂縫產(chǎn)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(zhì)量等引起的。樁基架空面板結(jié)構(gòu)碼頭的設(shè)計優(yōu)越結(jié)構(gòu)性的受力設(shè)計問題，因此裂縫的產(chǎn)生是不可避免，特別碼頭面層龜裂現(xiàn)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(yīng)加大研究力度。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形超過了混凝土所允許極限變形時，或者結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強度，結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生裂縫。通過該碼頭面層混凝土裂縫情況從現(xiàn)場調(diào)研、分析認(rèn)為，裂縫的產(chǎn)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(yīng)力。

圖1 層裂縫分布圖

3.1 溫度應(yīng)力的計算

在樁基架空面板結(jié)構(gòu)碼頭面層混凝土結(jié)構(gòu)施工時，一般采取水泥與水化熱反應(yīng)的溫度應(yīng)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(yīng)力值如圖3(a)示意，中間溫度應(yīng)力如圖3(b)示意。以此從圖中計算結(jié)果得出，碼頭面層混凝土中間應(yīng)力偏小于容許拉應(yīng)力，然而混凝土表層應(yīng)力在3(b)之間和容許拉應(yīng)力偏為挨近，也是小于容許拉應(yīng)力。所以從中可以得出，溫度應(yīng)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(yīng)力

3.2 收縮應(yīng)力計算

該工程中，碼頭中混凝土實際配筋噸數(shù)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(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)，參見文獻中表2～1至2～5。為此混凝土應(yīng)力的數(shù)值和彈性模量成對比，固彈性模量演算精度也影響到應(yīng)力演算結(jié)果的精度，所以依據(jù)彈性模量演算公式采取復(fù)合指數(shù)式(2)

E(π)=E0(1-e-aπb)

由收縮引起的應(yīng)力計算結(jié)果如表1所示。

表1 碼頭面層混凝土收縮應(yīng)力

以碼頭面層混凝土表層點溫度應(yīng)力與中心點應(yīng)力分開和收縮應(yīng)力迭加溫度、收縮應(yīng)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(yīng)力+收縮應(yīng)力與抗拉硬度

表3 碼頭面層混凝土中心點溫度應(yīng)力+收縮應(yīng)力與抗拉硬度

根據(jù)以上分析演算結(jié)果得知，碼頭面層混凝土表層點溫度應(yīng)力與收縮應(yīng)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(xiàn)裂縫時間保持相同。

4 結(jié) 論

本文依托大具水運工程碼頭的現(xiàn)澆面經(jīng)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(yīng)力與收縮變形而綜合作用下引起的拉應(yīng)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(xiàn)裂縫那是難以實現(xiàn)的，我們只有通過在混凝土拌制上加強穩(wěn)定性，采用分段澆筑的方法提高澆筑質(zhì)量；控制原材料的品種和質(zhì)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(shù)量、寬度與深度監(jiān)控到最小的程度。