戈龍仔，劉 針，陳漢寶

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室&工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

引 言

某工程開孔沉箱碼頭蓋板，在建設過程中，發(fā)現現澆蓋板面層開裂現象，且裂縫一般出現在蓋板澆筑完成后的 3～14天左右，并發(fā)展較快，裂縫寬度較寬且分布不規(guī)則，中間部分裂縫較長且呈現十字形等現象。問題出現后施工單位采取分層、分板澆筑混凝土施工、調整混凝土配合比、延長灑水養(yǎng)護時間、面層底部增加鋼筋網片、混凝土中參加聚合物纖維等措施之后，面層橫向裂縫有所減少，裂縫出現時間也有所延遲，裂縫寬度也有變窄趨勢，但始終無法徹底解決現澆蓋板結構開裂問題，妨礙了工程建設的順利進行，為了了解開裂原因，有必要對沉箱蓋板受力進行分析研究。

查閱相關資料，關于開孔沉箱蓋板開裂現象報道較少，考慮其位置和結構特點，開裂產生的影響原因較多，也很復雜，前期通過現場調研和碼頭面水泥取芯結果發(fā)現，開裂裂縫分布具有明顯規(guī)律性，而大體積混凝土由于水化熱產生的漲裂是散亂分布無規(guī)律的，另外結合工程所處正對環(huán)抱型防波堤口門，直接受入射波浪作用的特點，所以初步判斷造成蓋板裂縫的原因是規(guī)律性的荷載所致，而該作業(yè)區(qū)在施工期能夠出現的規(guī)律性荷載只有波浪，因此認為隨著潮位、波浪是蓋板開裂的主要因素。

基于上述蓋板開裂原因的判斷，為進一步確認和掌握開孔沉箱蓋板受力與波浪大小及水文條件的影響關系，課題組開展了相應物理模型試驗研究，驗證蓋板所受波浪力與波高、周期、水深和開孔率之間的敏感性關系。對于波浪荷載對開孔沉箱受力研究，經文獻查閱，在前些年進行了一些相關研究，得出結構和動力條件的關系，早期張芹[1]等開展關于波浪對開孔直立結構作用力的試驗研究，得到波壓力與結構形式、水深、波浪要素之間的無量綱關系曲線與回歸關系式，以及開孔直立結構具有的優(yōu)缺點；劉勇[2]等對開孔沉箱垂直力問題采用有限元數值計算，提出了改良型式的開孔結構；陳雪峰[3]等采用不規(guī)則波與開孔沉箱相互作用時沉箱構件受力的計算方法，得出了不同波浪作用下開孔板、底板、頂部壓力變化規(guī)律；姜俊杰[4]等利用不規(guī)則波作用下開孔沉箱垂直方向受力的試驗研究，得到波浪力與消浪室相對寬度、相對水深、開孔率等影響因素的關系等結論；孫宏月[5]等開展了開孔沉箱式結構內部波浪沖擊壓力試驗研究，得到了不同比尺模型下，透空式海洋結構中開孔沉箱內部受力與入射波浪的關系及差異；張玉彬等[6]明基床上開孔沉箱總力矩試驗研究，通過二維水槽內規(guī)則波以及不規(guī)則波作用下開孔沉箱的受力試驗研究,分析研究了明基床上開孔沉箱所受的總力矩與相對基床高度、消浪室相對寬度、相對水深、波陡以及開孔率等影響因素間的相關關系；周松澤等[7]開展了透空式上部結構開孔沉箱前沿的波壓力的試驗研究，并認為可通過和田良實公式進行修正。

通過對上述研究成果的梳理可知，所研究的內容均體現在沉箱直立面、底部浮托力和開孔特性與水動力之間的關系。也很少涉及施工期開孔沉箱蓋板受力的研究，因此本次試驗利用現場實測的潮位和波浪資料，測出蓋板受波浪力情況，找出蓋板受力與波浪大小、水文條件之間的關系，分析各影響因素的敏感性，并提出相應的減少蓋板受力優(yōu)化措施探討，為后續(xù)工程順利實施提供技術保障，結果可為類似結構設計受力計算取值、優(yōu)化選型和施工期蓋板受力資料補充積累提供基礎數據。

1 模型試驗研究

1.1 試驗組合確定

試驗組合結合工程現場實測波浪、潮位數據和現場設計沉箱開孔率來確定，根據施工期現場測量，最大潮位值5.38 m，平均潮位2.93 m，最低潮位值0.27 m；波浪要素最大1.5 m左右，周期為5 s左右。本次試驗組合見表1。

表1 試驗組次選擇

1.2 模型設計制作

模型按重力相似準則設計，結構斷面尺寸滿足幾何相似。根據試驗場地及試驗要求，模型比尺采用1:30，試驗在交通運輸部天津水運工程科學研究所風浪流水槽中進行，見圖1。水槽長68 m，寬1.0 m，高1.5 m。開孔沉箱模型制作，蓋板采用有機玻璃、其它均采用塑料板制作，幾何尺寸偏差控制在±1 %，且不超過±5 mm；另外為保證模型上每個沉箱的重心和質量與原體相似，采用加載鐵塊和碎石的方式進行配載。模型高程用水準儀控制，長度用鋼尺測量，波高和壓力由TK2008型波高儀和2008型微型點壓力系統(tǒng)采集。水槽兩端均設有消波裝置，同時水槽兩端設有連通管，以使試驗過程中模型兩側的水位保持不變。本次試驗研究采用不規(guī)則波進行，采用JONSWAP譜模擬[8]，模擬精度滿足規(guī)程[9]要求。

圖1 風浪流試驗水槽布置

1.3試驗方法

為了測量不同腔沉箱蓋板的受力，沿著波浪傳播方向，在蓋板底部布置了 12點壓力傳感器。分別為前腔蓋板布置 P1～P4測點、中腔蓋板布置的P5～P8測點、后腔蓋板布置 P9～P12測點，各腔蓋板測點布置見圖2，單位長度蓋板總力統(tǒng)計方法如下：

圖2 沉箱蓋板壓力測點布置情況

2 試驗結果及分析

2.1 波浪作用下開孔沉箱內外波況

不同水位、波浪作用，通過試驗觀測發(fā)現：低水位時，開孔沉箱消浪明顯，沉箱頂未產生越浪，波浪能直接進入沉箱腔內，進入的波浪大部分在第二個腔內頂托蓋板而產生破碎，同時由于沉箱內部空間有限，波能不易消散，腔內波態(tài)紊亂；高水位時，波浪能直接沖上碼頭面產生越浪，部分波浪由迎浪側開孔進入沉箱內部對蓋板形成頂托，由于沉箱內部各腔均連通，進入的波浪在沉箱的最后腔內疊加形成波能集中，疊加后的波浪沖擊沉箱蓋板產生輕微振動現象，沉箱前波況見圖3。

圖3 沉箱前波浪狀態(tài)

2.2 不同波高作用，蓋板受力試驗

保持沉箱前水位d=4.0 m，周期T=6.0 s，開孔率n=31.4 %不變，改變入射波高H，蓋板受力結果分別見表2和圖4，由圖表中結果可知：

1）沉箱每個腔蓋板受到的力和整個蓋板受到的力與入射波高均呈拋物線關系，即隨著入射波高增加而增加，當達到某一峰值后則減小，通過變化曲線可得出蓋板整體總力在波高為2.7 m時，最大為1 047.66 kN/m，其它各腔蓋板在波高為2 m左右時最大，分析主要原因為隨著堤前入射波高增加到一定程度后，波浪發(fā)生了越浪，從而使作用于沉箱上的能量沒有得到進一步增加；

2）各腔蓋板受力對比，后腔＞中腔＞前腔，最大為 484.99 kN/m，分析主要為波浪在后側腔中雍高和波能的聚集導致的；

3）對比各腔測點最大壓強，基本上均在后腔的后半段測點P12位置，最大為129.3 kPa，原因為波浪產生雍高和波能的聚集瞬時，產生瞬時沖擊。

表2 不同波高作用蓋板受的頂托力 /(kN?m-1)

2.3 不同周期作用，蓋板受力試驗

保持沉箱前水位d=4.0 m，波高H=2.1 m，開孔率n=31.4 %不變，改變波周期T，試驗結果分別見表3和圖4。由圖表結果可得：

1）蓋板總力與入射周期呈拋物線關系，且在T=7.5 s時最大；后腔則隨周期增加而增加，說明周期大也將影響開裂，而其它各腔，對于周期變化表現不明顯；

2）各腔蓋板受力對比，后腔＞中腔＞前腔，最大為548.59 kN/m，最大壓強發(fā)生位置仍在后腔，最大為121.6 kPa。

表3 不同周期作用蓋板的受頂托力 /(kN?m-1)

2.4 不同水位作用，蓋板受力試驗

保持沉箱前波高H=2.1 m，T=6.0 s，以及開孔率n=31.4 %不變，改變堤前水深d，蓋板受力結果分別見表4和圖4。由圖表中結果可知：

1）與堤前不同入射波高作用規(guī)律基本相同，即箱每個腔蓋板力和整個蓋板力與入射波高均呈拋物線關系，即隨著堤前水深的增加而增加，當達到某一峰值后則減小，在 4.0 m水位時，最大為874.83 kN/m，說明在水位接近蓋板底高程時，沖擊了表現最大；

2）各腔蓋板受力對比，后腔＞中腔＞前腔，最大為457.88 kN/m，最大壓強發(fā)生位置仍在后腔，最大為89.9 kPa。

表4 不同水位作用蓋板受的頂托力 /(kN?m-1)

2.5 不同開孔率作用，蓋板受力試驗

保持沉箱前入射波高 H=2.1 m、T=6.0 s、d=4.0 m不變，改變沉箱開孔率n，結果分別見表5和圖4。由圖表中結果可知：

1）沉箱開孔率在一定變幅范圍內影響不明顯（例如±10 %），蓋板受力與開孔率變化關系不明顯，最大為874.83 kN/m；

2）各腔蓋板受力對比，后腔＞中腔＞前腔，最大為516.76kN/m，最大壓強發(fā)生位置仍在后腔，最大為288.28kPa。

表5 不同水位作用蓋板受的頂托力 /(kN?m-1)

圖4 沉箱蓋板所受總力與影響要素間變化過程線

2.6 各影響因素與蓋板受力間敏感性分析

由波高H、周期T、水深d和開孔率n作用下，沉箱蓋板所受力結果可知，沉箱蓋板受到的力均呈拋物線關系，即在不越浪條件下，受力隨著各因素增加而增大，當達到峰值后呈現減小的趨勢；對比各拋物線的斜率來看，由各因素受力曲線的斜率來看波高影響最為敏感，周期和開孔率比較緩，而水深結果比較散亂，規(guī)律不明顯，但接近底高程附近，則受到頂托力最大。這也再次印證了沉箱蓋板的開裂主要受波浪荷載的作用，特別當潮位接近蓋板底高程時，受力最明顯，與姜云鵬[10]等“對開孔沉箱蓋板頂托力現場觀測與分析”一文，得到沉箱蓋板受力增長過程與潮位升高過程關系較明顯，同時在潮位靜水壓力和波浪動水壓力聯合作用，后腔受力最大的結論基本相同。

為了便于工程上應用，模型上將蓋板受力F試驗結果與波高H、周期T、水深d和開孔率n（見圖5）的關系，擬合成經驗公式，具體表達式如下：

式中：Fz為蓋板所受力（kN/m）；H為波高（m）；T為周期（s）；d為沉箱前水深（m）；n為沉箱開孔率。

圖5 沉箱蓋板所受總力與影響要素間擬合關系

3 結構優(yōu)化措施的提出

根據上述蓋板受力試驗結果，結合現場沉箱蓋板施工的實際情況，按以下兩種情況分別提出結構優(yōu)化措施探討。

1）已受損的蓋板結構，考慮裂縫寬度超過《水運工程混凝土結構設計規(guī)范》限值0.2 mm的規(guī)定，以及海洋環(huán)境下會遭受氯鹽滲透侵蝕，提出采取封閉處理措施；

2）擬新建蓋板結構，結合所開展研究專題的成果，從減少波浪和水位組合作用，抬高蓋板底高程，或者減少開孔率等方面考慮，具體優(yōu)化措施見表6。

表6 結構優(yōu)化措施

當然，針對上述優(yōu)化措施需綜合考慮波浪水文條件、現場施工條件、周圍碼頭頂高程、施工成本等影響因素，確定最優(yōu)措施。為了更準確得到現場實際情況，應進一步加強原型觀測，結合設計需求進一步對蓋板開裂開展深入研究，例如蓋板裂縫荷載數值模擬計算分析。

4 結 語

針對工程開孔沉箱碼頭在施工過程中開裂現象，文中進行了開裂原因的分析，并開展了相應蓋板受力物理試驗研究，得到以下結論：

1）結合現場調研和可能產生裂縫原因的對比分析，初步判斷造成蓋板裂縫的主要是規(guī)律性的波浪荷載所致。

2）通過開孔沉箱蓋板受力專題試驗研究，得到沉箱蓋板受力與各影響因素（波高H、周期T、水深d和開孔率n）之間呈一種拋物線關系；并在不越浪的條件下，對比各因素受力曲線的斜率來看，波高影響最為敏感，周期和開孔率比較緩，而水深結果比較散亂，規(guī)律不明顯，但接近底高程附近，則受到頂托力最大，這也再次說明沉箱蓋板的開裂主要原因為在某潮位條件下，受波浪荷載頂托作用；同時對比沉箱內各腔蓋板受力，顯示后腔為最大。

3）結合現場沉箱蓋板施工的實際情況，針對現狀兩種工況，分別提出了結構優(yōu)化措施。對于優(yōu)化措施的實施，應綜合考慮波浪水文條件、現場施工條件和周圍碼頭頂高程，以及施工成本等影響因素，確定最優(yōu)措施。同時為了更準確得到現場實際情況，需進一步加強原型觀測，結合設計需求開展的深入研究，例如蓋板裂縫荷載數值模擬計算分析。