天津港南疆港区神华煤炭码头工程面层设计

郑厅厅，詹明，朱子平

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；2.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

随着近年来我国经济建设的腾飞，进出口贸易量大幅提高，港口建设得到迅猛发展。作为港口设施主要部分，由于面层质量影响到观感和码头的利用效率，而越来越得到广泛关注。码头面层在以往水工工程中曾被称为磨耗层，设计一般采用100～150 mm素混凝土结构，混凝土强度等级为C20或C25，由于施工期和使用期原因，面层裂缝一直难以得到有效控制。

本文介绍天津港南疆港区神华煤炭码头工程面层设计成果，对控制面层裂缝产生的方法进行探讨。

1 工程概况

天津港南疆港区神华煤炭码头工程是天津市重点工程，主要包括新建煤炭装船泊位3个（其中15万吨级泊位1个，7万吨级泊位2个），年设计通过能力3 500万t；码头长890 m；堆场42.3万m2，堆存能力144万t。

码头为桩基梁板式结构。码头排架间距为8.0 m，每个排架布置7根桩，其中前轨道梁下为双直桩，后轨道梁下为一对叉桩，基桩采用φ1 200 mm和φ1 000 mm的钢管桩。上部结构为预制预应力横梁、轨道梁、连系梁、面板和靠船构件，各构件安装好后均采用现浇钢筋混凝土接头将其连接成整体。码头端部由于需要布置转接机房、驱动装置、张紧装置等，设备基础预埋件数量多、荷载大，上部结构采用现浇混凝土墩台结构，墩台厚度为2.0 m。

为解决码头使用期面层开裂难题，设计中借鉴了公路行业对混凝土路面裂缝控制经验和理论研究成果，在码头面层混凝土设计中引入刚度协调的理念，控制面板变形，减小面层和面板的刚度差，增强面层和面板之间的连系。具体工程措施包括面层采用和面板相近的混凝土强度等级、面层混凝土中掺入优质聚丙烯纤维、面层中加设焊接钢筋网片并设置锚筋与面板连接等。这些措施取得了显著的效果，有效防止了使用期面层开裂的产生，为今后解决码头面层的开裂问题开拓了一条新的途径。

2 面层混凝土受力分析

天津港地区码头结构形式多为高桩梁板式结构，面板支撑在纵横梁上部，并通过现浇板缝与纵横梁连接为连续结构，面板上部浇筑面层，这种结构形式具有现场施工工作量小、施工速度快、预制构件质量易保证等优点。传统设计理念认为面层不受力，仅提供一层抗磨层，上部结构计算时将面层混凝土作为纵横梁和面板的荷载考虑，纵横梁和面板的受力高度计算至面板顶面。随着码头上设计荷载一再增大和流动机械作业频率提高，面层混凝土开裂现象时有发生，直接影响码头工程创优。由于开裂面层需要修补，对码头的使用效率也会造成一定影响。要减少裂缝的发生，延长使用寿命，必须重新看待面层的受力状态。

由于面层混凝土和面板混凝土之间啮合力的存在，面层和面板构成了事实上的叠合结构，当码头面受到荷载作用时，面层一定会和相应部位的纵横梁或面板一起变形，协同动作，因此，使用过程中，面层混凝土不可避免地受到正应力、层间剪应力、疲劳应力等作用。

1）正应力：面层混凝土受到的正应力包括拉应力和压应力两部分，正应力计算应该在上部结构计算时考虑。对于弯曲作用时，在面板跨中部分，面层处于叠合结构受压区边缘，受到的压应力最大；面板支座部分，面层处于叠合结构受拉区边缘，受到的拉应力最大；流动机械轮压或支腿作用处，面层直接处于压应力作用下。

2）层间剪应力：叠合结构受弯时，垂直于中和轴的横断面上各点发生的角变形相同，线变形与离开中和轴的距离成正比，由于线变形的差值，平行于中和轴的各层面间存在剪应力，尤其是相对薄弱的面层和面板的结合面更易受到破坏。面板顶面有大型流动机械行驶或打支腿作业时，面层混凝土处于受压状态，由于接触面外混凝土未受力，其下混凝土除发生向下的变形外，还会发生水平方向的变位，周边混凝土受到相应挤压，也会产生层间剪力。

3）疲劳应力：码头面在每次堆货过程或每次流动机械通过时，均会引起码头面产生纵向、横向的挠度，相应也造成一次荷载疲劳；另一方面，由于温度和湿度变化，在温差和干缩作用下，存在温度和湿度疲劳应力。

3 面层混凝土裂缝的成因

1）施工期裂缝：混凝土本身具有硬化收缩的特性，面层混凝土属于大面积薄层结构，与其它部位混凝土相比具有一定的特性。面层混凝土浇筑完成后，暴露在空气中的面积大，水分蒸发快，干缩变形大；下部预制钢筋混凝土面板相对刚度很大，一定程度上限制了面层混凝土的干缩变形。由于以上因素，施工过程中面层混凝土内会产生很大的温度应力和干缩应力，如果不采取相应措施，极易造成施工期裂缝的产生。

2）使用期裂缝：在荷载直接作用下，面层混凝土受到正应力、层间剪力、疲劳应力的交替作用，当超过面层的承载能力时，相应部位会出现裂缝。

4 面层混凝土设计方案

1）面层混凝土强度等级：面层混凝土强度等级是本工程中受到广泛关注的焦点，传统设计中强度等级均较低，但是由于面层和面板协同动作，在正弯矩作用下，面层处于叠合结构最上缘，是压应力最大的部位，如果其抗压强度不足，将先于面板混凝土被压碎，因而面层混凝土最好选用和面板混凝土相同的强度等级。本工程面板混凝土强度等级为C45，考虑到码头工程处于沿海地区，温度和湿度变化剧烈，施工质量难以控制，且是首次采用高强度混凝土进行面层施工，缺乏经验，设计时将面层混凝土强度等级确定为C40。

2）焊接钢筋网：面层混凝土内部设置钢筋网，钢筋网的钢筋直径12 mm，双向间距均采用100 mm，要求采用冷轧带肋钢筋在专业工厂内通过电阻焊接方式焊接，钢筋网顶面净保护层选择50 mm。钢筋网的设置参照了JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》的有关规定，有助于提高使用过程中面层混凝土的承载能力，克服正应力、疲劳应力造成的裂缝。

3）锚固钢筋：为了提高面层混凝土和面板混凝土层间的抗剪能力，在面板顶面设置锚固钢筋，锚固钢筋选用直径14 mm的螺纹钢筋，锚入面板内长度不小于80 mm，外伸段顶端低于面层顶面40 mm，双向间距均为500 mm，并要保证不少于4根/m2。锚固钢筋施工完成后，铺设焊接钢筋网，并将钢筋网按设计标高焊接在锚固钢筋上，锚固钢筋同时起架立作用。

4）聚丙烯纤维：优质聚丙烯纤维具有直径小、数量多、易分散等特点，在混凝土拌和时掺入，经过充分拌和，纤维均匀分布在混凝土内，限制了混凝土内不同比重物质的相对运动，同时由于其本身具有一定的抗拉强度，能够限制混凝土浇筑后早期的塑性收缩裂缝。本工程选用了奥地利产MCP100型聚丙烯纤维，纤度为34 μm，长度为12～15 mm，掺量为1 kg/m3，其中短切割纤维不少于1.5亿根/kg。

5）角部加强钢筋：在面层角部及皮带机基础支墩外侧各1.2 m范围内设置加强钢筋网，加强钢筋网钢筋垂直裂缝布置，放置在焊接钢筋网下方，角部加强钢筋的设置有助于防止角部应力集中造成的裂缝。

6）施工措施：要求选择用熟料生产的水泥，水泥水化热尽量低；骨料必须水洗，限制含泥量，骨料级配应良好；面层浇筑前用淡水对面板顶面冲洗润湿不少于6 h，面层浇筑后采用合理的养护措施；锯缝时机和位置应适当。

5 结语

传统设计中，面层只具备磨耗层功能，在使用过程中出现的开裂虽不会影响到结构的安全性，但影响到项目创优，且对其进行维修会在一定程度上影响生产及使用。面层开裂作为港口工程质量通病，其治理措施一直受到广泛关注。本工程面层设计中引入了钢筋混凝土桥面铺装的设计思路，结合高桩梁板码头的特点及港口工程作业环境，提出了新的设计方案。竣工资料显示实际混凝土强度等级达到C45，经核查，未发现有害裂缝，观感质量良好。

[1]傅智.水泥混凝土路面施工技术 [M].上海：同济大学出版社，2004.

[2]JTG D40-2002，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[3]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].