碼頭橫梁收縮裂縫的產生原因及防治

張雯燕， 馬華東

(1. 中交第三航務工程勘察設計院有限公司， 上海200032；2. 上海弗田建設發展有限公司， 上海201600)

隨著船舶大型化和長江航道整治工程的實施，長江下游碼頭構件的尺寸不斷增大[1]。 部分高樁梁板碼頭在施工過程中發現碼頭橫梁出現表面裂縫， 這種裂縫普遍存在， 雖然對結構安全性影響不大， 但是海港碼頭橫梁出現的裂縫給腐蝕介質入侵提供了通道， 對結構耐久性有不利影響， 同時可能會給港口工程的營運帶來安全隱患[2]。 港口工程施工中混凝土裂縫出現的原因是多方面的， 判斷裂縫產生的原因， 并采取有效的防治措施， 對結構的長久使用具有重要的現實意義和經濟價值。

依托蘇州港太倉港區華能煤炭碼頭工程外線碼頭工程， 通過現場調查、 數據分析和理論計算，對裂縫產生的原因進行研究， 并提出了防治收縮裂縫的措施， 以期為后續工程施工提供參考。

1 工程概況

蘇州港太倉港區華能煤炭碼頭工程外線碼頭工程位于長江下游白茆沙南水道右岸， 水路距上海吳淞口約25 n mile(40.2 km)。 外檔為卸船碼頭， 內檔為裝船泊位， 結構按海港設計， 本工程以卸船碼頭為研究對象(圖1)。 碼頭采用高樁梁板式結構， 基礎采用φ1 200 mm PHC 樁， 樁基與橫梁采用樁頂伸入與鋼筋伸入組合的錨固形式，預制縱梁擱置在下橫梁上， 支座處外伸鋼筋焊接。

圖1 卸船碼頭斷面(尺寸: mm； 高程m。 下同)

卸船碼頭平臺部分現澆橫梁共計67 根， 分上、 下橫梁兩個部分， 澆筑混凝土時間間隔平均為3 個月。 碼頭下橫梁高度為1.55 m、 上橫梁高度為2.57 m。 上橫梁共分3 次澆筑: 第1 次澆筑至縱向梁頂， 澆筑高度2.05 m， 即澆筑至上橫梁頂層腰筋N3 以上11 cm； 第2 次澆筑至預置面板頂， 澆筑厚度35 cm， 與第1 次混凝土澆筑平均時間間隔4 個月； 最后澆筑面層， 厚度為17 cm， 澆筑時間在第2 次混凝土澆筑后1 周。 上橫梁至面層頂尺寸及配筋見圖2。

圖2 上橫梁尺寸及配筋

2 現狀調查

現場調查了卸船碼頭上橫梁澆筑后30 d 時的裂縫情況， 調查上橫梁總計29 根。 各排架上橫梁裂縫數量見圖3。 以縱向梁軸線和上橫梁軸線的交點為分界點， 將上橫梁由江側向岸側依次分為6 個區段， 然后統計上橫梁在各區段上出現裂縫的數量， 上橫梁在各區段出現裂縫的頻度見圖4。

圖3 裂縫數量

圖4 裂縫頻度

根據現場調查結果， 卸船碼頭上橫梁裂縫有以下幾個特點: 1)裂縫主要出現在混凝土養護結束一段時間或澆筑后1 周左右， 在之后1 個月的觀察中， 無新的裂縫產生。 2)裂縫在上橫梁中部出現的頻度較高。 3)裂縫都為豎向裂縫， 裂長200～300 mm的數量較少； 裂長2 000 ～3 000 mm的數量較多。 裂縫寬度都小于0.2 mm， 并沿高度變化呈現為中間寬、 上下窄[3]。 4)裂縫均為表面裂縫， 無貫穿裂縫。

3 原因分析

3.1 外荷載作用

可能導致混凝土因外荷載而產生裂縫的原因:混凝土構件在設計荷載范圍內或超過設計荷載范圍， 設計未曾考慮到的作用； 混凝土強度未達到2.5 MPa 以前， 人員在已澆筑的混凝土上行走、運送工具或設置上層結構的支撐和模板； 因支點的沉降有差異， 或因地震、 臺風作用等。

現場水泥為42.5 硅酸鹽水泥， 混凝土強度等級為C40， 查規范可知混凝土強度達到2.5 MPa需14 ～16 h。 現場人員在上橫梁混凝土達到2.5 MPa以前并未在上橫梁上行走、 運送或堆放工具， 也未安裝上部面板， 這一方面現場控制良好；期間未發生地震、 臺風災害； 構建還未投入使用，不存在超過設計荷載范圍使用構件， 由此可以判斷上橫梁裂縫并非外荷載作用導致。

3.2 溫度變化

由于混凝土的體積較大， 大量的水化熱聚積在混凝土內部不易散發， 導致內部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快， 這樣就形成內外的較大溫差， 較大的溫差造成內部與外部熱脹冷縮的程度不同， 使混凝土表面產生一定的拉應力， 當拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時， 混凝土表面就會產生裂縫[4]。 一般大體積橫梁的溫度裂縫有如下特點: 多為表面裂縫， 且夏季較細； 裂縫多是平行于短邊； 裂縫寬度大小不一， 一般在0.5 mm以下， 且沿結構全長沒有多大變化； 大多數溫度裂縫沿結構截面高度呈上寬下窄狀， 但個別亦有上窄下寬的情況[5]。

所調查排架的上橫梁混凝土主要在夏季施工，為應對夏季高溫這一不利因素， 項目部已采取了如下措施: 減少水泥用量， 現場水泥用量控制在360 kg∕m3左右； 降低水灰比， 現場水灰比控制在0.47 左右； 避開高溫時段， 選擇夜間澆筑混凝土；在混凝土中摻加了聚羧酸外加劑， 主要起減水、緩凝效果， 以推遲熱峰的出現時間； 加強混凝土澆筑后的養護工作。

采取的措施符合規范要求， 切合實際， 能有效避免夏季高溫對澆筑混凝土產生的質量問題。根據現場調查裂縫的特點， 與理論大體積橫梁溫度裂縫的特點進行比較， 排除裂縫是由溫度應力產生的可能。

3.3 混凝土塑性收縮

導致混凝土塑性收縮有2 種原因: 1)液態混凝土沉降， 表面砂漿多， 表面失水收縮， 這種收縮受到表面下部混凝土的約束而形成開裂； 2)在舊混凝土上澆筑新混凝土， 舊混凝土此時已收縮完成， 如新澆筑的混凝土使新舊混凝土成為剛性整體， 新混凝土收縮受到舊混凝土的約束， 從而形成裂縫。 為應對溫度應力摻加的緩凝劑也會加大塑性收縮， 裂縫一般在混凝土澆筑后1～7 d 出現， 寬度不大， 較淺， 多呈中間寬、 兩端細， 且長短不一[6]。

碼頭橫梁由上橫梁和下橫梁兩部分組成， 下橫梁延伸出的箍筋， 在上橫梁現澆混凝土后， 上、下橫梁結合成為一個整體構件。 從時間方面考慮，下橫梁先于上橫梁3 個多月澆筑， 下橫梁澆筑時處于冬末春初， 溫度較低， 在澆筑上橫梁前， 下橫梁已完成一部分收縮。 從以上兩點可以看出，上橫梁的混凝土收縮大于下橫梁的混凝土收縮，上橫梁的收縮受到下橫梁的約束， 從而在上橫梁中出現拉應力， 產生裂縫。

混凝土在終凝前強度很小， 受高溫或較大風力的影響， 混凝土表面失水過快， 造成毛細管中產生較大的負壓而使混凝土體積急劇收縮， 而此時混凝土的強度又無法抵抗其本身收縮， 因此產生塑性收縮裂縫。

對比現場上橫梁裂縫與塑性收縮裂縫特點，可以判斷上橫梁裂縫主要為塑性收縮裂縫。

4 收縮裂縫防治措施

4.1 防治措施

根據混凝土收縮裂縫的產生原因及特點， 在無法縮短上、 下橫梁澆筑時間間隔的情況下， 提出利用鋼筋的限裂作用， 減小水灰比、 適當增配鋼筋， 來達到防治混凝土收縮裂縫的目的。 采取裂縫防治措施后， 再次對澆筑時間達30 d 的5 根上橫梁進行了裂縫統計， 只在33#排架上橫梁第3 跨出現1 條裂縫， 裂縫寬度小于0.2 mm， 裂縫防治取得了良好效果。

4.2 抗裂能力驗算

通過理論分析對采取措施前后上橫梁的抗裂能力進行比較， 可采用極限拉伸與約束拉伸之比作為結構抗裂度因子:

式中: εp為鋼筋混凝土主要部位(裂縫控制部位)的極限拉伸(mm∕mm)； αT為相應部位的自由相對降溫溫差變形(mm∕mm)； α 為線熱脹系數， 取10-5， 溫差T取10 ℃， αT=10-4； εy為相應部位的自由收縮相對變形(mm∕mm)； εs為由差異沉降或其他變形因素在結構相應部位引起的相對拉伸變形(mm∕mm)， 這一變形現場可忽略不計；R為約束系數， 一般情況下， 現場取中等約束0.6。

1)原上橫梁結構抗裂度因子K0驗算。

式中:Rf為混凝土抗裂設計強度(MPa)， 現場上橫梁非預應力構件， 混凝土抗裂設計強度等于混凝土軸心抗拉強度設計值ft，Rf=ft=1.71 MPa；p為截面配筋率，p=μ×100， μ=0.123%， 即p=0.123；d為鋼筋直徑(cm)， 取1.6 cm。 所以， εp=9.2×10-5。

式中:t為收縮時間(d)， 現場取30 d；b為經驗系數， 一般取0.01， 養護較差時取0.03；為標準狀態下的極限收縮，=3.24×10-4；Mn為考慮各種非標準條件的修正系數:M1為水泥品種修正系數， 普通水泥取1.0；M2為水泥細度修正系數，水泥細度在1 500 以下， 取0.9；M3為骨料修正系數， 沉積巖取1.0；M4為水灰比修正系數， 水灰比在0.47 左右， 取1.147；M5為初期養護時間修正系數， 養護時間為10 d 時取1.079；M6為環境濕度修正系數， 當地多年平均相對濕度為81%，取0.684；M7為配筋率修正系數， μ=0.123%， 取0.977 6；M8為振搗修正系數， 機械振搗， 取1.0。所以， εy(t) = 0.625。 由 式(1) 計 算 得:K0=0.944， 即原上橫梁結構抗裂度因子為0.944。

2)采取措施后上橫梁結構抗裂度因子K0驗算。

上橫梁澆筑至縱向梁頂， 現在上橫梁容易出現裂縫的第3、 4 區段增加鋼筋， 腰筋N3 間增加一道腰筋φ16 mm， 并在頂層腰筋N3 以上5 cm 水平面上增加6 根φ16 mm， 其余布筋及尺寸不變，見圖5。

圖5 上橫梁增配鋼筋

采取防裂措施后的上橫梁結構抗裂度因子K0計算如下: εp=1×10-4； 水灰比控制在0.42 左右，M4取1.042； 養護時間為14 d，M5取1.045； 控制濕度為90%，M6取0.54； μ=0.273%，M7取0.95； 其余系數不變， εy(t) =0.42。 計算得K0= 1.174。

根據計算， 采取防裂措施后上橫梁結構抗裂度因子為1.174， 與原上橫梁結構抗裂度因子相比提高了0.23。 對照K0與結構抗裂能力關系(表1)， 采取措施后， 結構的抗裂能力由一般提高到了較高。

表1 K0與結構抗裂能力關系

此外， 根據理論計算， 在保持截面配筋率不變的前提下， 鋼筋改為小直徑密布， 鋼筋混凝土的抗裂能力會有所提高。 若將本工程中增設的φ16 mm鋼筋， 換成φ10 mm 的鋼筋網片， 可達到K0=1.174 的要求， 減少鋼材用量、 節省成本。 具體抗裂效果， 將在以后類似項目中應用試驗。

5 結語

1)根據現場調查及分析， 碼頭上橫梁裂縫主要為塑性收縮裂縫。

2)混凝土工程中裂縫問題是不可避免的， 通過減小水灰比、 適當增加鋼筋能夠改善橫梁裂縫問題。

3)根據抗裂度因子計算， 采取減小水灰比、適當增加鋼筋的防裂措施后， 結構的抗裂能力由一般提高到了較高。