重力式码头面层混凝土开裂原因分析及裂缝控制

邓文杰+黄健

摘 要：根据重力式码头面层混凝土施工条件，通过有限元仿真计算了面层混凝土硬化过程中温度及应力的分布与变化规律，分析各种裂缝产生的原因与危害。在此基础上，采用了优化混凝土配合比、缩短分段长度、保温养护、增设构造钢筋等措施，大幅度降低温度收缩应力与裂缝宽度。

关键词：重力式码头 面层 有限元 应力 裂缝控制

1.前言

面层属于典型的受底部强约束作用混凝土薄板，在外部环境影响下，极易因温度与收缩而产生较大的拉应力，导致面层出现不同程度的开裂。本文针对我国某重力式码头的面层混凝土开裂现状，利用有限元软件计算面层混凝土硬化过程中的应力分布及其变化规律，分析开裂的原因，提出相应的控制措施并进行验证。

2.胸墙面层概况

该重力式码头胸墙高4.8m，内设三道管廊，顶部现浇50cm～80cm厚的C40面层混凝土，面层分段长为12.5m，宽为17.26m。单段面层混凝土方量约120m3，混凝土采用皮带机输送方式进行浇筑。面层在浇筑完成3d龄期后逐渐出现不同形式裂缝，根据裂缝出现的位置、方向、长度、深度等特征可分为三种类型，统计北侧与南侧码头二十段面层三种可见裂缝共计93条。

3.開裂原因分析

沿着宽度向迎水面前进，受面层底部强弱约束不同以及轨道槽附近等约束突变区域容易产生应力集中的影响，面层混凝土结构的温度应力呈现波浪形变化的规律。当应力大于2.1MPa，当此时混凝土抗拉强度与温度应力比值小于1.4，具有产生裂缝的风险。强约束区产生裂缝时，会迅速向弱约束区发展，穿过弱约束区，并与由另外一段强约束区发展而来的裂缝连接，当四个强约束区形成的裂缝均向弱约束区发展时，将形成贯通面层混凝土宽度方向的裂缝，即为第一种裂缝。

在面层的人孔、盖板以及轨道槽附近等约束突变区域，也有较大的Y轴长度方向拉应力出现。但与受底部约束产生的拉应力有所不同，其应力是由上表面向面层内部逐步降低的，引起的裂缝也是由上表面向面层内部扩展，并逐渐延展到远离集中约束的位置，即为第二种裂缝。

应力主要集中在位于三道廊道上方的混凝土表面以及面层四周，沿面层长度方向有规律的变化，边界约束导致边界应力较大，向面层内部深入，逐渐远离边界约束区，应力降低。但随着面层内部约束迅速增加，应力又迅速增大，在面层中部2/3的范围内达到最高值并趋于稳定。虽面层大部分区域应力均大于2.1MPa，具有一定的开裂风险，但毕竟拉应力还远低于此时混凝土的抗拉强度。因此，在应力作用下，受混凝土不均匀性影响，在强度低于平均抗拉强度的薄弱部位可能出现不规则裂缝，即第三种裂缝。

4.控制面层开裂的措施

4.1优化配合比

对面层混凝土配合比进行优化，将胶凝材料用量降低至380kg/m3，增加粉煤灰+矿粉的比例至50%，优化前后配合比如表1所示。

通过配合比优化，降低了胶凝材料用量20kg/m3，降低了水泥用量66kg/m3，可降低混凝土绝热温升3℃，降低混凝土收缩近25%。根据优化配合比，计算面层混凝土温度应变，120h龄期Y轴方向的温度收缩应力为2.8MPa，X轴方面的温度收缩应力为2.1MPa，优化配合比之后面层Y轴与X轴方向的温度收缩应力分布规律分布如图1与图2所示。与原配合比相比，Y轴与X轴方面的温度收缩应力降低了约8%左右，其中X轴方向的温度收缩应力基本处于危险应力点以下，说明优化配合比对于控制第三种裂缝具有明显效果，但对于第一种与第二种裂缝的改善程度有限，还需要采取其它措施以进一步降低混凝土的温度收缩应力。

4.2缩短浇筑长度与保温养护

重点针对Y轴方向的温度收缩应力，在优化配合比的基础上，将每跨面层混凝土浇筑长度降低为6.25m，同时采取覆盖双层土工布+熟料薄膜方式进行保温养护。采取优化配合比、缩短浇筑与保温养护的控裂措施后，面层温度收缩应力增长速率明显放缓，危险应力点时间由120h推迟至150h，直到240h温度收缩应力均未超过混凝土的极限抗拉强度，显著提高了面层的抗裂能力，降低了开裂风险。

优化配合比可通过减少混凝土绝热温升与干燥收缩达到直接降低面层温度收缩应力的效果。缩短面层混凝土浇筑长度，可以降低强约束区对面层底部的约束，达到降低Y轴方向温度收缩应力目的。保温养护，降低面层最大内外温差与最大降温速率，将出现危险性应力的时间则显著推迟。综合采取以上措施，极大降低了开裂机率，避免了贯穿性裂缝的出现。

4.3构造配筋

配筋率是影响裂缝控制效果的重要因素，工程实践表明适当配置钢筋有益于控制结构的裂缝。根据《港口工程混凝土结构设计规范》（JTJ267）裂缝宽度验算公式，计算面层配筋率与裂缝宽度的关系。面层结构以0.01配筋率为界限，配筋率小于0.01时，随着配筋率的增加，裂缝宽度减小幅度很大；当配筋率大于0.01时，混凝土裂缝宽度随配筋率增加而下降的趋势已变得非常缓慢。配筋率为0.005～0.01范围内比较合适，裂缝最大宽度处于0.2～0.1mm，配筋率低于0.005，面层结构裂缝宽度宽度过大，配筋率高于0.01，增加配筋率对控制裂缝无显著作用。

在面层沿Y轴方向增设直径不超过18mm的受拉钢筋配筋率，控制配筋率在0.005～0.01范围，按照钢筋直径小、间距密的特点进行布置，可控制最大裂缝宽度至0.2mm以下。

5.结论

（1）根据面层混凝土施工条件，通过有限元仿真计算了面层混凝土硬化过程中温度、应力变化规律及其分布情况，确定面层混凝土在温度收缩以及混凝土自身收缩作用下产生了较大的拉应力，导致面层出现了三种不同形态的裂缝。

（2）针对温度收缩应力，在优化混凝土配合比的基础上，将每跨面层混凝土浇筑长度降低为6.25m，采取覆盖双层土工布+熟料薄膜方式进行保温养护，可显著降低温度收缩应力，推迟危险性应力出现时间，极大降低了开裂机率，避免了贯穿性裂缝的出现。

（3）通过面层配筋率与裂缝宽度的关系，按照钢筋直径小、间距密的特点在沿Y轴方向增设直径不超过18mm的受拉钢筋配筋率，控制配筋率在0.005～0.01范围，控制面层最大裂缝宽度至0.2mm以下。

参考文献：

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