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)。
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
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
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。
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。
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
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
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
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)。