高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測指標(biāo)分析及應(yīng)用綜述

胡 皓，葉 蕾,田 浩

(1.浙江省交通運輸科學(xué)研究院，杭州 311305; 2.浙江省港航管理局，杭州 310005)

高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測指標(biāo)分析及應(yīng)用綜述

胡 皓1，葉 蕾2,田 浩1

(1.浙江省交通運輸科學(xué)研究院，杭州 311305; 2.浙江省港航管理局，杭州 310005)

根據(jù)文獻及實地調(diào)研資料，分析高樁碼頭的病害形式及機理，結(jié)合碼頭業(yè)主實際需求，提出了監(jiān)測的指標(biāo)。同時整理了目前國內(nèi)外高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的目前應(yīng)用情況，并對影響高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)推廣應(yīng)用兩方面的關(guān)鍵問題(成本和監(jiān)測效果)進行了簡要分析。

高樁碼頭；損傷機理；監(jiān)測指標(biāo)；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

0 引 言

碼頭按照結(jié)構(gòu)型式可分為重力式、板樁式和高樁式三類形式。高樁碼頭的結(jié)構(gòu)形式是透空式，其組成部分包括上部結(jié)構(gòu)、樁基結(jié)構(gòu)和接岸結(jié)構(gòu)[1]，其主要適用于軟土地基，在我國沿海和河口地區(qū)被廣泛采用。以浙江省為例，到2008年底，擁有海港生產(chǎn)性泊位1042個，內(nèi)河港口泊位4175個，其中高樁碼頭占整體比例達91%，在2008至2016年新增的1315個泊位中，絕大部分也是高樁碼頭。

在浙江省“十三五”實行海洋強省戰(zhàn)略的建設(shè)背景下，沿海高樁碼頭的建設(shè)以深水化、大型化為特征，且有一批的老舊碼頭已建水工建筑物已出現(xiàn)材料劣化和功能降低等現(xiàn)象，面臨著升級改造。當(dāng)大部分碼頭投入運行一定年限后，會由于腐蝕、老化、超載等因素出現(xiàn)結(jié)構(gòu)劣化損壞，危害碼頭結(jié)構(gòu)安全，影響其使用壽命，很多海港高樁碼頭在投產(chǎn)后十多年甚至不到十年就產(chǎn)生腐蝕損壞現(xiàn)象。而傳統(tǒng)碼頭檢測由于作業(yè)頻率較低(規(guī)范并無強制規(guī)定檢測頻率)，并不能滿足碼頭安全運營、維修及加固升級的需求，所以開展碼頭的健康監(jiān)測工作己成為必要[2]。

在查閱大量相關(guān)文獻和實地調(diào)研基礎(chǔ)上，本文整理并分析了高樁碼頭的核心病害及損傷機理，結(jié)合碼頭使用者的需求，提出了高樁碼頭的監(jiān)測項目。更進一步，本文對高樁碼頭的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀進行了梳理，并對影響高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)推廣應(yīng)用兩方面的關(guān)鍵問題(成本和監(jiān)測效果)進行了簡要分析。

1 高樁碼頭結(jié)構(gòu)損傷及監(jiān)測指標(biāo)分析

高樁碼頭通常由樁基和上部結(jié)構(gòu)組成[1]，上部結(jié)構(gòu)一般為梁板式結(jié)構(gòu)。高樁碼頭由于常年受到波浪、潮汐、水流、泥沙等動力因素的作用，特別是強臺風(fēng)時的沖刷磨損，以及水上移動物體不同程度的撞擊和環(huán)境的腐蝕，再加上設(shè)計和施工中留下的缺陷與隱患，其結(jié)構(gòu)損傷破壞形式包括：混凝土局部開裂、剝落；鋼筋外露、銹蝕甚至斷裂；整體不均勻沉降、水平位移、平面扭轉(zhuǎn)等[3]。

1.1 主要病害損傷機理分析

造成高樁碼頭損壞的主要原因有[3]：①鋼筋銹蝕；②超載；③樁-土體系作用失衡。

高樁碼頭結(jié)構(gòu)損傷破壞主要形式包括混凝土剝落、鋼筋外露銹蝕等，都屬于混凝土耐久性范疇。由于高樁梁板式結(jié)構(gòu)碼頭因其是敞開式結(jié)構(gòu)，幾乎所有構(gòu)件都完全暴露于嚴酷的海洋環(huán)境中，有些構(gòu)件多個面同時遭受氯離子侵蝕影響[6]。銹蝕主要因其鋼筋截面變小、體積增大，繼而產(chǎn)生裂縫，保護層剝落進而導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力下降[4]。

超載是高樁碼頭結(jié)構(gòu)損傷的另一個重要原因，因其會直接影響到結(jié)構(gòu)的安全。另外，超載作用同時也在擴大已有的裂縫，加劇鋼筋銹蝕。一般堆貨荷載和汽車荷載的超載會導(dǎo)致梁板構(gòu)件的破損，在目前階段碼頭操作較為規(guī)范的情況下發(fā)生較為少見。超載更為嚴重的是船只撞擊力超載，可能導(dǎo)致樁基的損傷甚至斷裂。

高樁碼頭樁-土體系作用失衡包括邊坡滑動失穩(wěn)、碼頭后方回填沉降、土場水平推力。高樁碼頭運營期間樁坡體系不均勻沉降可能會導(dǎo)致碼頭整體滑動失穩(wěn)，或?qū)Υa頭近岸部分樁基產(chǎn)生負摩擦力，導(dǎo)致樁基拉斷[5]。

1.2 病害監(jiān)測需求

通過以上損傷機理分析可知，應(yīng)針對高樁碼頭的三大核心病害(鋼筋銹蝕、超載、樁土體系失衡)進行監(jiān)測。其中，鋼筋銹蝕應(yīng)為高樁碼頭的監(jiān)測指標(biāo)之一。高樁碼頭使用中的荷載超載(堆貨荷載、汽車荷載、船只撞擊等)也是監(jiān)測指標(biāo)之一[2]。樁-土體系作用失衡造成的樁坡整體不均勻沉降、樁身排架水平位置改變可通過位移變化進行監(jiān)測[2]。

此外，高樁梁板式碼頭的結(jié)構(gòu)形式與普通橋梁結(jié)構(gòu)相近，所以高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的指標(biāo)設(shè)置可以參考較為成熟完善的橋梁健康監(jiān)測[2]。從結(jié)構(gòu)安全角度，應(yīng)對荷載、響應(yīng)、結(jié)構(gòu)劣化(腐蝕、缺陷)等大類監(jiān)測需求進行指標(biāo)設(shè)置。

船只撞擊力超載發(fā)生，有時是因為船只靠泊操作不規(guī)范或者靠泊時速過大，角度過大造成樁基損傷甚至斷裂[5]，然而并不是每次船只碰撞事件都會記錄上報并檢查樁基受損情況，存在瞞報碰撞情況。所以從碼頭運營管理角度，有必要對船只碰撞事件進行實時監(jiān)測記錄。另外，一旦由于船只撞擊力超載造成高樁碼頭結(jié)構(gòu)嚴重受損，需要就該損傷做特定的樁基檢測以給出損傷責(zé)任鑒定報告，例如水下樁身探摸等。該類檢測耗時耗力，亦不能在第一時間給出初步診斷報告，所以存在著對樁基損傷的實時監(jiān)測需求。

1.3 監(jiān)測指標(biāo)分析

根據(jù)上述需求分析，高樁碼頭的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測指標(biāo)應(yīng)該包括三類響應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)(位移、應(yīng)變、結(jié)構(gòu)動力特征)，以及氯離子侵蝕程度、荷載等指標(biāo)。

位移應(yīng)包括碼頭結(jié)構(gòu)的橫向和豎向位移；應(yīng)變指碼頭結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件(包含面板、軌道梁、縱梁、橫梁、樁帽、樁基)的應(yīng)變狀態(tài)；結(jié)構(gòu)動力特征指結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和阻尼比。在這三類響應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)中，位移和應(yīng)變是結(jié)構(gòu)對外荷載的直接響應(yīng)，其對結(jié)構(gòu)損傷破壞造成的剛度變化反應(yīng)靈敏，因此是響應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)中的直接指標(biāo)。此外，結(jié)構(gòu)動力特性作為結(jié)構(gòu)物固有屬性，應(yīng)通過對其動力響應(yīng)進行數(shù)據(jù)分析及損傷識別，分析結(jié)構(gòu)損傷位置及損傷程度[3-4]。因此碼頭動力特征是監(jiān)測指標(biāo)中的間接指標(biāo)。

傳統(tǒng)的氯離子侵蝕采用的檢測方法是對混凝土進行現(xiàn)場取樣，將混凝土試樣磨細，再進行化學(xué)分析，測出Cl-離子在混凝土中的含量。該法較為成熟，但其工作量大，操作過程繁雜，屬于破損性測試，無法應(yīng)用于一些重大工程中[6]。隨著技術(shù)的進步，混凝土氯鹽侵蝕已可以通過在混凝土中預(yù)埋長效性的氯離子傳感器實現(xiàn)實時在線監(jiān)測[6]，例如光纖氯離子傳感器和Ag/AgCl電極型氯離子傳感器。

另外還應(yīng)該對高樁碼頭受到的風(fēng)、潮汐等荷載進行監(jiān)測。技術(shù)條件允許情況下，建議對船只撞擊力、系纜力、擠靠力等進行監(jiān)測。

2 高樁碼頭健康監(jiān)測現(xiàn)狀

2.1 碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指利用實時的無損監(jiān)測方式獲得結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，分析包括結(jié)構(gòu)反映在內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征，診斷結(jié)構(gòu)是否受到損傷[7]以及損傷位置、損傷程度等。

碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通常由四大模塊構(gòu)成：傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊、結(jié)構(gòu)狀態(tài)預(yù)警評估模塊。傳感器模塊由不同類型的傳感器將待測的物理量轉(zhuǎn)變成便于記錄及再處理的電壓、電流或光等信號。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)，負責(zé)完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理及通訊。數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)，對采集及傳輸?shù)交镜默F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和分析，并以一定的形式存儲起來。結(jié)構(gòu)狀態(tài)預(yù)警評估子系統(tǒng)，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、瞬時或長期獲取的碼頭水工構(gòu)造物結(jié)構(gòu)信息進行綜合處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析與解釋、安全預(yù)警、健康狀況評估及科學(xué)管理。

2.2 高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

由于測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的進步，長期的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成為評估結(jié)構(gòu)安全性能的重要手段。長期的健康監(jiān)測系統(tǒng)已被大量的運用在超高層建筑、高墩大跨橋梁等領(lǐng)域，如在廣州塔、深圳證券交易中心總部大樓、香港的青馬大橋[10]。但港口工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展較晚，所以目前國內(nèi)外碼頭水工領(lǐng)域成功應(yīng)用的實例極少，見諸文獻的僅包括大連新港30萬t級原油碼頭的沉箱式靠船墩上的長期健康監(jiān)測系統(tǒng)[8]，天津港五公司22-24#泊位碼頭上布設(shè)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[9]，天津港某高樁碼頭承臺結(jié)構(gòu)上布設(shè)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[10]。國外對碼頭結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測相較于國內(nèi)更少，見諸文獻的僅有加拿大Hall’s 碼頭采用光纖光柵傳感器建立了健康監(jiān)測系統(tǒng)[11]。

現(xiàn)有碼頭結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)沒有預(yù)先設(shè)計或安裝預(yù)埋健康監(jiān)測系統(tǒng)，如要對現(xiàn)有碼頭進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，則需要在結(jié)構(gòu)表面設(shè)置傳感器并集成監(jiān)測系統(tǒng)， 但此時傳感器及線路都暴露于較為惡劣的海洋環(huán)境中，容易損傷老化，增加監(jiān)測系統(tǒng)維護成本。所以需要針對特殊的海洋高鹽高濕環(huán)境選用傳感器及設(shè)置相應(yīng)保護措施。

2.2.2 光纖光柵技術(shù)的應(yīng)用情況

基于光纖(Bragg)光柵(FBG)的光纖光柵傳感器已在橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)中得到了大量應(yīng)用，其原理是通過光信號傳輸，能抗電磁干擾，具有高精度性、強防水能力，耐腐蝕性佳，特別適合海洋環(huán)境等對傳感器耐久性要求高的測試環(huán)境。

在為數(shù)不多的碼頭健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用中，基于光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)被逐漸運用到了碼頭結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施的安全監(jiān)測方面，如大連港某油碼頭沉箱采用了基于光纖光柵的光纖傳感器對其外壁、底板等部位的應(yīng)力及溫度進行了長期監(jiān)測[8]，這也是光纖光柵監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)首次運用到碼頭混凝土主體結(jié)構(gòu)中。劉現(xiàn)鵬等人[10]首次針對高樁碼頭構(gòu)建了基于光纖光柵傳感器的健康監(jiān)測系統(tǒng)，并在依托天津港某高樁碼頭承臺結(jié)構(gòu)上實施應(yīng)用。加拿大Hall’s 碼頭(高樁梁板式)是世界上第一個采用光纖光柵傳感器進行監(jiān)測的碼頭結(jié)構(gòu)，此項目上的傳感器設(shè)計使用壽命達到了80年[11]。

2.3 高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題

2.3.1 監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)維護成本及使用壽命

碼頭身處的環(huán)境惡劣，特別是高樁梁板碼頭，受到外力作用隨機性較大[12]，所以需要定期或不定期對碼頭進行觀測，以便有針對性地進行檢測、評估與維修、加固[12]。在意外事故發(fā)生時，船只撞擊力超載、臺風(fēng)或風(fēng)暴潮等影響下，碼頭機構(gòu)或構(gòu)件可能受損[12]。這種情況就必須對碼頭進行相應(yīng)的檢測評估工作。但檢測工作項目繁雜，耗時較久，常規(guī)檢測根據(jù)檢測項目種類不同成本不一，單次成本一般都在10萬元以上，專項檢測例如樁身完整性(樁基動測等)價格則更高，因此除國有和大型碼頭有投入資金進行檢測維護外，個人承包或所有的碼頭對檢測維護基本不予重視。

高樁碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝實施費用根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模的不同，可在20萬元至40萬元之間，如針對惡劣海洋環(huán)境，其設(shè)計壽命最高可達80年[11]，遠高于目前海港碼頭30年的一般使用壽命。后期進行定期維護可確保監(jiān)測系統(tǒng)使用壽命，且傳感器可進行更換。相較檢測而言，健康監(jiān)測系統(tǒng)的年投入成本實際上要低的多，且其實時監(jiān)測的巨大優(yōu)勢，對于碼頭運營期全壽命管理養(yǎng)護來說，具有重要意義。

2.3.2 監(jiān)測系統(tǒng)使用效果

健康監(jiān)測系統(tǒng)憑借先進的傳感器+互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過對高樁碼頭核心監(jiān)測項如荷載、響應(yīng)(位移、應(yīng)變、動力特征)、氯離子等的實時在線監(jiān)測，能夠反映核心病害如船只撞擊、土場作用、腐蝕對于高樁碼頭結(jié)構(gòu)的損傷影響，并能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)警功能。

但是目前高樁碼頭健康監(jiān)測技術(shù)仍存在不足之處，主要在結(jié)構(gòu)損傷識別和預(yù)警評估技術(shù)上。對于結(jié)構(gòu)損傷識別，結(jié)構(gòu)動力特征作為高樁碼頭結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)之一。由于結(jié)構(gòu)固有頻率的變化對結(jié)構(gòu)損傷程度不敏感，且對于高樁碼頭結(jié)構(gòu)、振型、阻尼比及應(yīng)變模態(tài)難以精確測量，導(dǎo)致以結(jié)構(gòu)動力特征變化判定結(jié)構(gòu)損傷的方法應(yīng)用受到限制[10]。對預(yù)警評估技術(shù)而言，目前仍缺乏對高樁碼頭結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)長期性能變化的系統(tǒng)認識，難以建立統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估標(biāo)準對其進行災(zāi)變預(yù)警[10]。

3 結(jié) 語

健康監(jiān)測系統(tǒng)憑借先進的傳感器+互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過對高樁碼頭核心監(jiān)測項如荷載、響應(yīng)(位移、應(yīng)變、動力特征)、氯離子等的實時在線監(jiān)測，能夠反映核心病害如船只撞擊、土場作用、腐蝕對于高樁碼頭結(jié)構(gòu)的損傷影響，并能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)警功能。由于沿海碼頭結(jié)構(gòu)所處環(huán)境較為惡劣，對監(jiān)測設(shè)備的耐久性要求較高，光纖光柵技術(shù)在碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測上的應(yīng)用前景很廣。在成本上，碼頭健康監(jiān)測系統(tǒng)一次建成，長年使用，年投入成本遠小于目前碼頭的常規(guī)檢測。高樁碼頭健康監(jiān)測技術(shù)雖然起步晚，但是發(fā)展?jié)摿褪袌鰬?yīng)用潛能極大。

檢測與監(jiān)測是互補的。未來碼頭的檢測將更往專項化、技術(shù)化發(fā)展，檢測中簡單的一些項目如碼頭位移將由健康監(jiān)測取代；健康監(jiān)測中應(yīng)變、位移、動力特性等響應(yīng)通過分析能夠進行初步損傷識別，確定損傷可能發(fā)生位置、損傷程度，給專項檢測縮小范圍，例如用監(jiān)測技術(shù)大致確定缺陷位置，指導(dǎo)檢測，如水下摸樁。

結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)需進一步發(fā)展，需要建立標(biāo)準統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估體系，以對高樁碼頭全壽命結(jié)構(gòu)性能變化進行預(yù)警和評估。

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ReviewofDetectionIndexesAnalysisandApplicationofHigh-pileWharf’sStructuralHealth

HU Hao1, YE Lei2，TIAN Hao1

(1. Zhejiang Scientific Research Institute of Transport, Hangzhou 311305, China; 2. Zhejiang Port and Waterway Administration，Hangzhou 310005, China)

Current article concluded the form and the mechanism of common structural diseases that affect the performance of the high-pile wharf based on the literature review andthe investigation. The monitor indexes were proposed based on previous conclusion and practical demand from users of high-pile wharves. The global application of Structural Health Monitoring (SHM) on high-pile wharves were summarized in this article. Furthermore, acost-and-effect analysis regarding the popularization and application of SHM on high-pile wharves was provided.

high pile wharf;damage mechanism;monitor index;structural health monitoring

U656.113

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2017.03.005

1671-234X(2017)03-0023-04

2017-06-06

胡 皓(1988-)，男，浙江溫州人，工程師， E-mail：haohu1988@163.com。