鄧文杰+黃健

摘 要：根據(jù)重力式碼頭面層混凝土施工條件，通過有限元仿真計算了面層混凝土硬化過程中溫度及應(yīng)力的分布與變化規(guī)律，分析各種裂縫產(chǎn)生的原因與危害。在此基礎(chǔ)上，采用了優(yōu)化混凝土配合比、縮短分段長度、保溫養(yǎng)護(hù)、增設(shè)構(gòu)造鋼筋等措施，大幅度降低溫度收縮應(yīng)力與裂縫寬度。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭 面層 有限元 應(yīng)力 裂縫控制

1.前言

面層屬于典型的受底部強約束作用混凝土薄板，在外部環(huán)境影響下，極易因溫度與收縮而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致面層出現(xiàn)不同程度的開裂。本文針對我國某重力式碼頭的面層混凝土開裂現(xiàn)狀，利用有限元軟件計算面層混凝土硬化過程中的應(yīng)力分布及其變化規(guī)律，分析開裂的原因，提出相應(yīng)的控制措施并進(jìn)行驗證。

2.胸墻面層概況

該重力式碼頭胸墻高4.8m，內(nèi)設(shè)三道管廊，頂部現(xiàn)澆50cm～80cm厚的C40面層混凝土，面層分段長為12.5m，寬為17.26m。單段面層混凝土方量約120m3，混凝土采用皮帶機輸送方式進(jìn)行澆筑。面層在澆筑完成3d齡期后逐漸出現(xiàn)不同形式裂縫，根據(jù)裂縫出現(xiàn)的位置、方向、長度、深度等特征可分為三種類型，統(tǒng)計北側(cè)與南側(cè)碼頭二十段面層三種可見裂縫共計93條。

3.開裂原因分析

沿著寬度向迎水面前進(jìn)，受面層底部強弱約束不同以及軌道槽附近等約束突變區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的影響，面層混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力呈現(xiàn)波浪形變化的規(guī)律。當(dāng)應(yīng)力大于2.1MPa，當(dāng)此時混凝土抗拉強度與溫度應(yīng)力比值小于1.4，具有產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險。強約束區(qū)產(chǎn)生裂縫時，會迅速向弱約束區(qū)發(fā)展，穿過弱約束區(qū)，并與由另外一段強約束區(qū)發(fā)展而來的裂縫連接，當(dāng)四個強約束區(qū)形成的裂縫均向弱約束區(qū)發(fā)展時，將形成貫通面層混凝土寬度方向的裂縫，即為第一種裂縫。

在面層的人孔、蓋板以及軌道槽附近等約束突變區(qū)域，也有較大的Y軸長度方向拉應(yīng)力出現(xiàn)。但與受底部約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力有所不同，其應(yīng)力是由上表面向面層內(nèi)部逐步降低的，引起的裂縫也是由上表面向面層內(nèi)部擴展，并逐漸延展到遠(yuǎn)離集中約束的位置，即為第二種裂縫。

應(yīng)力主要集中在位于三道廊道上方的混凝土表面以及面層四周，沿面層長度方向有規(guī)律的變化，邊界約束導(dǎo)致邊界應(yīng)力較大，向面層內(nèi)部深入，逐漸遠(yuǎn)離邊界約束區(qū)，應(yīng)力降低。但隨著面層內(nèi)部約束迅速增加，應(yīng)力又迅速增大，在面層中部2/3的范圍內(nèi)達(dá)到最高值并趨于穩(wěn)定。雖面層大部分區(qū)域應(yīng)力均大于2.1MPa，具有一定的開裂風(fēng)險，但畢竟拉應(yīng)力還遠(yuǎn)低于此時混凝土的抗拉強度。因此，在應(yīng)力作用下，受混凝土不均勻性影響，在強度低于平均抗拉強度的薄弱部位可能出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，即第三種裂縫。

4.控制面層開裂的措施

4.1優(yōu)化配合比

對面層混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化，將膠凝材料用量降低至380kg/m3，增加粉煤灰+礦粉的比例至50%，優(yōu)化前后配合比如表1所示。

通過配合比優(yōu)化，降低了膠凝材料用量20kg/m3，降低了水泥用量66kg/m3，可降低混凝土絕熱溫升3℃，降低混凝土收縮近25%。根據(jù)優(yōu)化配合比，計算面層混凝土溫度應(yīng)變，120h齡期Y軸方向的溫度收縮應(yīng)力為2.8MPa，X軸方面的溫度收縮應(yīng)力為2.1MPa，優(yōu)化配合比之后面層Y軸與X軸方向的溫度收縮應(yīng)力分布規(guī)律分布如圖1與圖2所示。與原配合比相比，Y軸與X軸方面的溫度收縮應(yīng)力降低了約8%左右，其中X軸方向的溫度收縮應(yīng)力基本處于危險應(yīng)力點以下，說明優(yōu)化配合比對于控制第三種裂縫具有明顯效果，但對于第一種與第二種裂縫的改善程度有限，還需要采取其它措施以進(jìn)一步降低混凝土的溫度收縮應(yīng)力。

4.2縮短澆筑長度與保溫養(yǎng)護(hù)

重點針對Y軸方向的溫度收縮應(yīng)力，在優(yōu)化配合比的基礎(chǔ)上，將每跨面層混凝土澆筑長度降低為6.25m，同時采取覆蓋雙層土工布+熟料薄膜方式進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。采取優(yōu)化配合比、縮短澆筑與保溫養(yǎng)護(hù)的控裂措施后，面層溫度收縮應(yīng)力增長速率明顯放緩，危險應(yīng)力點時間由120h推遲至150h，直到240h溫度收縮應(yīng)力均未超過混凝土的極限抗拉強度，顯著提高了面層的抗裂能力，降低了開裂風(fēng)險。

優(yōu)化配合比可通過減少混凝土絕熱溫升與干燥收縮達(dá)到直接降低面層溫度收縮應(yīng)力的效果?？s短面層混凝土澆筑長度，可以降低強約束區(qū)對面層底部的約束，達(dá)到降低Y軸方向溫度收縮應(yīng)力目的。保溫養(yǎng)護(hù)，降低面層最大內(nèi)外溫差與最大降溫速率，將出現(xiàn)危險性應(yīng)力的時間則顯著推遲。綜合采取以上措施，極大降低了開裂機率，避免了貫穿性裂縫的出現(xiàn)。

4.3構(gòu)造配筋

配筋率是影響裂縫控制效果的重要因素，工程實踐表明適當(dāng)配置鋼筋有益于控制結(jié)構(gòu)的裂縫。根據(jù)《港口工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ267）裂縫寬度驗算公式，計算面層配筋率與裂縫寬度的關(guān)系。面層結(jié)構(gòu)以0.01配筋率為界限，配筋率小于0.01時，隨著配筋率的增加，裂縫寬度減小幅度很大；當(dāng)配筋率大于0.01時，混凝土裂縫寬度隨配筋率增加而下降的趨勢已變得非常緩慢。配筋率為0.005～0.01范圍內(nèi)比較合適，裂縫最大寬度處于0.2～0.1mm，配筋率低于0.005，面層結(jié)構(gòu)裂縫寬度寬度過大，配筋率高于0.01，增加配筋率對控制裂縫無顯著作用。

在面層沿Y軸方向增設(shè)直徑不超過18mm的受拉鋼筋配筋率，控制配筋率在0.005～0.01范圍，按照鋼筋直徑小、間距密的特點進(jìn)行布置，可控制最大裂縫寬度至0.2mm以下。

5.結(jié)論

（1）根據(jù)面層混凝土施工條件，通過有限元仿真計算了面層混凝土硬化過程中溫度、應(yīng)力變化規(guī)律及其分布情況，確定面層混凝土在溫度收縮以及混凝土自身收縮作用下產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致面層出現(xiàn)了三種不同形態(tài)的裂縫。

（2）針對溫度收縮應(yīng)力，在優(yōu)化混凝土配合比的基礎(chǔ)上，將每跨面層混凝土澆筑長度降低為6.25m，采取覆蓋雙層土工布+熟料薄膜方式進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)，可顯著降低溫度收縮應(yīng)力，推遲危險性應(yīng)力出現(xiàn)時間，極大降低了開裂機率，避免了貫穿性裂縫的出現(xiàn)。

（3）通過面層配筋率與裂縫寬度的關(guān)系，按照鋼筋直徑小、間距密的特點在沿Y軸方向增設(shè)直徑不超過18mm的受拉鋼筋配筋率，控制配筋率在0.005～0.01范圍，控制面層最大裂縫寬度至0.2mm以下。

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