王承強(qiáng)，陳忠華，蘇正洋，王海軍，王恩準(zhǔn)

(1.南京水利科學(xué)研究院/水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

隨著中國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，港口碼頭工程建設(shè)也不斷發(fā)展，近年來工程安全問題越來越得到重視[1-2]，碼頭工程結(jié)構(gòu)的破損及修復(fù)問題倍受關(guān)注[3-4]，作為旅游業(yè)、運(yùn)輸業(yè)等行業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，港口碼頭在社會發(fā)展中具有不可取代的重要地位，及時了解和掌握已建港工結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)信息，管理并維護(hù)好這些重要基礎(chǔ)設(shè)施，保證其運(yùn)行安全，是一項(xiàng)極其重要的任務(wù)[5-6]。高樁碼頭以其對軟土地基高適應(yīng)性的優(yōu)勢成為中國港口建設(shè)的主角，特別是在長江中下游地區(qū)極為常見，對于碼頭面板工程，其面板裂縫的存在不僅影響了工程的美觀度，同時也降低了碼頭面板的耐久性和使用壽命[7-9]。因此，面板裂縫防治是目前碼頭工程中一個亟需解決的重要問題[10-11]。

針對某港口碼頭一期工程(NHG-MT2標(biāo)段)，該工程碼頭面板澆筑后，在日常使用過程中面板出現(xiàn)橫縱向裂縫及網(wǎng)格狀裂縫[12-13]，部分面板有混凝土局部破損、露筋等現(xiàn)象[14-15]。為查明面板裂縫產(chǎn)生的原因，通過現(xiàn)場靜力荷載試驗(yàn)，觀測面板在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變、撓度和裂縫寬度變化等行為，以此分析面板的實(shí)際承載能力[16]，并評估面板的安全性和使用性。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查、監(jiān)測及結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的結(jié)果，對碼頭面板實(shí)際工作狀況進(jìn)行評估，分析面板裂縫的影響，為今后更好地做好碼頭安全管理工作提供決策依據(jù)。

1 工程概況

該港口碼頭一期工程(NHG-MT2標(biāo)段)碼頭平臺寬14 m，長934 m，分為21個結(jié)構(gòu)段，共146榀排架。碼頭上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆正交梁板體系，面板混凝土強(qiáng)度等級為C35，并按混凝土體積的0.2%內(nèi)摻抗裂纖維。碼頭1—9號結(jié)構(gòu)段為件散貨作業(yè)區(qū)，在碼頭面進(jìn)行刻紋處理，碼頭10—21號結(jié)構(gòu)段為皮帶機(jī)作業(yè)區(qū)。

該工程碼頭面板自2013年4月開始澆筑，澆筑后面板出現(xiàn)橫縱向裂縫及網(wǎng)格狀裂縫，其中部分面板出現(xiàn)混凝土局部破損、面板露筋等現(xiàn)象，見圖1。為查明面板裂縫產(chǎn)生的原因，掌握裂縫詳細(xì)性狀，通過現(xiàn)場靜力荷載試驗(yàn)，觀測面板在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變、撓度和裂縫寬度變化[17-18]，并以此評定面板的實(shí)際承載能力[19-20]，驗(yàn)證面板的安全性和使用性[21]。

a)網(wǎng)狀裂縫 b)縱向裂縫

2 現(xiàn)場試驗(yàn)測試

2.1 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

本試驗(yàn)主要測試已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的面板在試驗(yàn)荷載作用下的近支座截面應(yīng)變、跨中最大撓度和裂縫寬度變化等行為，檢驗(yàn)面板受彎、受剪等承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求，評估面板的安全性和使用性。本試驗(yàn)測試面板長為5.05 m，寬為4.9 m，厚度為0.4 m，靜載試驗(yàn)在碼頭原位進(jìn)行集中荷載和均布荷載2項(xiàng)試驗(yàn)，在22—27號泊位進(jìn)行集中荷載作用下碼頭面板承載能力驗(yàn)證性試驗(yàn)；在有皮帶機(jī)的泊位進(jìn)行均布荷載作用下碼頭面板承載能力驗(yàn)證性試驗(yàn)，碼頭面板試驗(yàn)現(xiàn)場及面板實(shí)體見圖2。

a)測試儀器 b)面板試樣

2.2 試驗(yàn)原理

本次靜載試驗(yàn)選擇4塊面板，分別進(jìn)行集中荷載和均布荷載作用下碼頭面板驗(yàn)證性試驗(yàn)。選取的試驗(yàn)構(gòu)件著重考慮具有代表性，且處于荷載較大、裂縫較多(抗力較弱)的部位，兼顧試驗(yàn)效率，現(xiàn)場面板幾何結(jié)構(gòu)尺寸見圖3。

圖3 面板荷載試驗(yàn)加載位置示意

根據(jù)裂縫調(diào)查檢測結(jié)果，選取第5結(jié)構(gòu)段31—32排架板2，進(jìn)行集中荷載試驗(yàn)，該面板底面存在6條裂縫，最大裂縫寬度為0.35 mm；頂面存在7條裂縫，最大裂縫寬度為0.20 mm；選取第19結(jié)構(gòu)段128—129排架板2進(jìn)行均布荷載試驗(yàn)，該面板底面存在4條裂縫，最大裂縫寬度為0.40 mm；頂面存在5條裂縫，最大裂縫寬度為0.30 mm。面板原位加載試驗(yàn)最大荷載需滿足承載力檢驗(yàn)的要求，面板施加的最大試驗(yàn)荷載值由面板承載力設(shè)計(jì)值確定，面板荷載試驗(yàn)加載位置見圖3。

集中荷載共計(jì)4個加載點(diǎn)，單個集中荷載試驗(yàn)荷載f=183.75 kN。在進(jìn)行檢驗(yàn)試驗(yàn)時，面板的自重荷載作為已有荷載。面板集中荷載試驗(yàn)最大加載值合計(jì)F=4f=735 kN。對于均布荷載下的面板靜載試驗(yàn)，計(jì)劃在選定的試驗(yàn)面板上進(jìn)行堆載，均布荷載試驗(yàn)荷載值q=20 kN/m2。在進(jìn)行檢驗(yàn)試驗(yàn)時，面板的自重荷載作為已有荷載，面板均布荷載試驗(yàn)最大加載值合計(jì)Q=qA=420 kN。

2.3 試驗(yàn)觀測

試驗(yàn)主要觀測以下項(xiàng)目：①荷載和控制截面上的混凝土應(yīng)變，面板支座截面頂面應(yīng)變；②面板現(xiàn)有裂縫寬度的發(fā)展變化；③彎曲受拉區(qū)面板是否出現(xiàn)裂縫以及裂縫寬度的發(fā)展情況；④卸載過程中及卸載后面板裂縫的恢復(fù)情況。主要觀測現(xiàn)場見圖4。

a)線路布設(shè) b)加載裝置

通過碼頭面板靜載試驗(yàn)，檢測已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的面板在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變、撓度和裂縫寬度變化等行為，并進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，分析現(xiàn)有裂縫存在的影響，為后期碼頭安全管理提供依據(jù)[22]。選取典型結(jié)構(gòu)段第5結(jié)構(gòu)段面板2進(jìn)行集中荷載試驗(yàn)，第19結(jié)構(gòu)段面板2進(jìn)行均布荷載試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3 結(jié)構(gòu)承載力及安全性使用性評估

3.1 撓度驗(yàn)算

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量利用光柵尺位移傳感器，據(jù)跨中截面布置的2個數(shù)顯位移計(jì)量所測得的跨中截面撓度結(jié)果，對于含裂縫碼頭靜載試驗(yàn)撓度，由表1可知，在集中荷載作用下，實(shí)測試驗(yàn)荷載作用碼頭面板跨中最大撓度為0.01 mm，卸載后撓度恢復(fù)為0.00 mm。由表2可知，在均布荷載作用下，實(shí)測試驗(yàn)荷載作用碼頭面板跨中最大撓度為0.01 mm，卸載后撓度恢復(fù)為0.00 mm。對于含裂縫碼頭靜載試驗(yàn)，其跨中截面撓度測試結(jié)果均小于撓度限值，滿足規(guī)范要求。在試驗(yàn)過程中，觀察碼頭面板主要控制截面附近混凝土外觀狀況，未出現(xiàn)混凝土新增開裂或其他破損，也未見其他異常，原有裂縫未出現(xiàn)擴(kuò)展，碼頭面板處于正常工作狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后，由潛水人員協(xié)助檢查面板底面，面板底面原有裂縫局部可見白色析出物，裂縫處于閉合狀態(tài)。

表1 第5結(jié)構(gòu)段面板2跨中撓度試驗(yàn)結(jié)果

表2 第19結(jié)構(gòu)段面板2跨中撓度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 裂縫寬度驗(yàn)算

據(jù)現(xiàn)場裂縫寬度監(jiān)測儀(光柵尺位移傳感器)監(jiān)測結(jié)果，對于含裂縫碼頭靜載試驗(yàn)裂縫寬度，由表3可知，在集中荷載作用下，實(shí)測試驗(yàn)荷載作用下碼頭面板裂縫1寬度變化測值最大值為0.000 5 mm，裂縫2寬度變化測值最大值為0，卸載后裂縫恢復(fù)至原始寬度。由表4可知，在均布荷載作用下，實(shí)測試驗(yàn)荷載作用下碼頭面板裂縫1寬度變化測值最大值為0.001 5 mm，裂縫2寬度變化測值最大值為0.001 0 mm，卸載后裂縫恢復(fù)至原始寬度。試驗(yàn)前后裂縫對比見圖5，試驗(yàn)結(jié)果表明，卸載后碼頭面板裂縫恢復(fù)至試驗(yàn)前寬度；碼頭面板未出現(xiàn)混凝土新增開裂或其他破損，原有裂縫未出現(xiàn)擴(kuò)展，含裂縫碼頭靜載試驗(yàn)裂縫寬度結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范對裂縫寬度的限制要求。

表3 第5結(jié)構(gòu)段面板2典型裂縫寬度變化試驗(yàn)結(jié)果

表4 第19結(jié)構(gòu)段面板2典型裂縫寬度變化試驗(yàn)結(jié)果

a)試驗(yàn)前裂縫 b)試驗(yàn)后裂縫

3.3 支座截面應(yīng)變驗(yàn)算

近支座截面應(yīng)變測試結(jié)果見表5、6，試驗(yàn)分別選取第5結(jié)構(gòu)段面板2和第19結(jié)構(gòu)段面板2進(jìn)行測試，據(jù)采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行觀測的面板支座截面頂面應(yīng)變4個測點(diǎn)應(yīng)變結(jié)果，對于含裂縫碼頭靜載試驗(yàn)支座截面應(yīng)變。由表5可見，在集中荷載作用下，實(shí)測試驗(yàn)荷載作用下碼頭面板近左右支座截面最大應(yīng)變分別為25.1、25.9 με，卸載后應(yīng)變基本恢復(fù)。由表6可見，在均布荷載作用下，實(shí)測試驗(yàn)荷載作用下碼頭面板近左右支座截面最大應(yīng)變分別為15.6、16.2 με，卸載后應(yīng)變基本恢復(fù)，混凝土應(yīng)變處于彈性范圍。

表5 第5結(jié)構(gòu)段面板2近支座截面應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果

表6 第19結(jié)構(gòu)段面板2近支座截面應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論及建議

通過對某港口碼頭一期工程(NHG-MT2標(biāo)段)含裂縫面板進(jìn)行靜載試驗(yàn)，測試已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的面板在試驗(yàn)荷載作用下的撓度、裂縫寬度變化和支座截面應(yīng)變等行為，得出以下結(jié)論。

a) 試驗(yàn)荷載作用下碼頭面板裂縫寬度變化測值在0.003 5 mm以內(nèi)，該測值量級相當(dāng)于測點(diǎn)標(biāo)距內(nèi)由混凝土表面應(yīng)變引起的距離變化，即在正常變化范圍內(nèi)；試驗(yàn)荷載作用下碼頭面板跨中最大撓度在0.02 mm以內(nèi)，卸載后跨中撓度恢復(fù)為0；試驗(yàn)荷載作用下碼頭面板近支座截面最大應(yīng)變?yōu)?5.9 με，卸載后應(yīng)變基本恢復(fù)，混凝土應(yīng)變處于彈性范圍，含裂縫面板在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)變、撓度和裂縫寬度變化均滿足承載力要求。

b) 卸載后碼頭面板裂縫恢復(fù)至試驗(yàn)前寬度；面板底面原有裂縫局部可見白色析出物，裂縫仍處于閉合狀態(tài)；且試驗(yàn)過程中，碼頭面板未出現(xiàn)混凝土新增開裂或其他破損，也未見其他異常，原有裂縫未出現(xiàn)擴(kuò)展，面板處于正常工作狀態(tài)。

c) 碼頭面板存在的收縮變形型裂縫不同于結(jié)構(gòu)荷載型裂縫，該裂縫對面板承載力基本無影響，面板承載力和安全性滿足設(shè)計(jì)要求，能夠正常使用，但從耐久性角度考慮，建議對面板裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。