在役鋼管樁浪濺區(qū)腐蝕損傷補(bǔ)強(qiáng)加固方法探討

蘇昕，劉思國，劉岳鑫，趙金山，蔡軍

鋼管樁抗拉、抗彎、抗剪性能強(qiáng)，施工速度快，在離岸深水碼頭、跨海大橋、海洋平臺(tái)、海上風(fēng)電等近海工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。但隨著服役年限的增加，鋼管樁的腐蝕問題日益突出[1]。海水是天然的強(qiáng)電解質(zhì)溶液，與各類懸浮物、溶解的氣體、海生物、腐敗的有機(jī)物組成了復(fù)雜的海洋環(huán)境，處于惡劣海洋環(huán)境中的鋼管樁長期受波浪力、水流力以及生產(chǎn)作業(yè)引起的拉、壓、彎、剪等荷載作用，其浪濺區(qū)成為腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。雖然鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)已取得長足的進(jìn)步，但因鋼管樁浪濺區(qū)容易遭受漂浮的樹木、海冰，甚至小漁船的觸碰，局部防腐涂層或包覆層常受損傷，難以達(dá)到理想的防腐效果。

海洋環(huán)境中鋼管樁的局部腐蝕速度約為平均腐蝕速度的5～10倍，局部腐蝕會(huì)造成結(jié)構(gòu)物腐蝕穿孔或應(yīng)力集中，以平均腐蝕速度為計(jì)算依據(jù)的腐蝕裕量法并不能完全彌補(bǔ)局部腐蝕造成的危害[2]。鋼管樁浪濺區(qū)的腐蝕給結(jié)構(gòu)帶來安全隱患，成為影響海港工程正常使用、降低結(jié)構(gòu)使用壽命的難題之一。然而，目前針對(duì)鋼管樁浪濺區(qū)腐蝕缺陷的維修方法仍集中在防腐蝕處理方面，忽視了因腐蝕導(dǎo)致的鋼管樁有效厚度減小、承載能力下降問題。本文提出一種澆筑混凝土樁芯的浪濺區(qū)銹蝕鋼管樁補(bǔ)強(qiáng)加固方法，并對(duì)補(bǔ)強(qiáng)加固機(jī)理、有效獲取黏結(jié)力的措施、樁芯黏結(jié)長度分別進(jìn)行探討。

1　問題的提出

華南沿海某大型集裝箱碼頭為高樁梁板結(jié)構(gòu)，樁基采用1 000 mm和1 300 mm兩種外徑的鋼管樁，壁厚分別為18 mm和20 mm，工程于2008年完工；2016年對(duì)鋼管樁腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)（實(shí)測(cè)結(jié)果列于表1），兩種鋼管樁浪濺區(qū)的剩余壁厚的最小值分別為14.60 mm和16.30 mm，樁基水面以上部分外觀見圖1。JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》規(guī)定鋼管樁的外徑D與最小壁厚t宜滿足式（1）要求，按實(shí)測(cè)的剩余壁厚的最小值和腐蝕速率計(jì)算，兩種鋼管樁浪濺區(qū)分別為17.0 a和11.0 a即達(dá)到規(guī)范限值要求。對(duì)于該碼頭，鋼管樁浪濺區(qū)的腐蝕已成為限制結(jié)構(gòu)使用壽命的關(guān)鍵問題，除了盡快采取防腐蝕處理減緩鋼管樁腐蝕，還應(yīng)選擇有效的補(bǔ)強(qiáng)加固方法，恢復(fù)樁基的設(shè)計(jì)承載力。

應(yīng)該警惕的是，上述碼頭鋼管樁面臨的情況并非沒有代表性。根據(jù)JTS 153-3—2007《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》數(shù)據(jù)，對(duì)于有掩護(hù)條件的海港工程，鋼結(jié)構(gòu)單面平均腐蝕速度為0.20～0.30 mm/a；當(dāng)無掩護(hù)條件時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的單面平均腐蝕速度為0.40～0.50 mm/a。隨著近海工程鋼管樁服役年限的增加，鋼管樁浪濺區(qū)補(bǔ)強(qiáng)加固的迫切性將逐漸凸顯。

表1　某大型集裝箱碼頭鋼管樁腐蝕情況檢測(cè)結(jié)果Table1　Test resultsof corrosion of steel pipe pile in a large container terminal

圖1　某大型集裝箱碼頭鋼管樁腐蝕情況Fig.1　Corrosion status of steel pipe pile in a large container terminal

2　在役鋼管樁補(bǔ)強(qiáng)加固方法

2.1　補(bǔ)強(qiáng)加固機(jī)理

當(dāng)鋼管樁浪濺區(qū)壁厚腐蝕減薄厚度已顯著影響樁基使用年限時(shí)，在鋼管樁內(nèi)澆筑混凝土樁芯是一種有效的恢復(fù)樁基承載力的補(bǔ)強(qiáng)加固方法。該方法的機(jī)理是：通過混凝土與鋼管樁內(nèi)壁的界面黏結(jié)力傳遞拉、壓荷載。試驗(yàn)研究表明，混凝土與鋼管樁之間存在明顯的黏結(jié)應(yīng)力。

1）根據(jù)1994年徐有鄰采用平鋼板進(jìn)行的混凝土與鋼板黏結(jié)力試驗(yàn)[3]，可近似得到界面黏結(jié)應(yīng)力為：

式中：τ為界面黏結(jié)應(yīng)力，fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2）2005年廣州四航工程技術(shù)研究院通過鋼管樁和混凝土芯黏結(jié)力模擬試驗(yàn)[4]，實(shí)測(cè)混凝土和鋼管之間單位面積平均黏結(jié)力為2 402～3 276 kN/m2。

3）中國海洋石油總公司等采用美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（API RP 2A—WSD，21st，Dec 2000，IDT）[5]，對(duì)于樁與結(jié)構(gòu)的灌漿（水泥漿）連接的軸向荷載傳遞應(yīng)力容許值取：

持久狀況正常使用極限狀態(tài)τ=0.138 MPa

持久狀況承載能力極限狀態(tài)τ=0.184 MPa

2.2　鋼管樁內(nèi)澆筑混凝土的施工方法

高樁碼頭鋼管樁樁頂與樁帽或橫梁之間的錨固形式有[6]：樁頂直接伸入樁帽或橫梁內(nèi)、樁頂通過錨固鐵件或鋼筋伸入樁帽或橫梁的形式、樁頂伸入與錨固鐵件或鋼筋組合伸入，有經(jīng)驗(yàn)時(shí)也可采用樁頂部設(shè)置樁芯鋼筋混凝土的連接方式。

對(duì)在役鋼管樁采用澆筑混凝土樁芯的補(bǔ)強(qiáng)加固方法時(shí)，宜盡量降低施工對(duì)碼頭生產(chǎn)運(yùn)營的影響，應(yīng)在復(fù)核驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，選擇經(jīng)濟(jì)、快速的施工方法：

1）當(dāng)計(jì)算表明浪濺區(qū)鋼管樁剩余壁厚抗壓承載力不足，而抗拉承載力滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可在鋼管樁靠近樁帽或橫梁的樁壁上開孔自下而上澆筑高流態(tài)膨脹混凝土。

2）當(dāng)計(jì)算表明浪濺區(qū)鋼管樁剩余壁厚抗拉承載力不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，宜在鋼管樁上部的樁帽或橫梁上鉆孔，鉆孔直徑不宜超過主筋凈距，在鉆孔處向鋼管樁內(nèi)安放型鋼鋼骨，并自下而上澆筑高流態(tài)膨脹混凝土。

3）混凝土澆筑施工完成后，應(yīng)及時(shí)修復(fù)鋼管樁的開孔或樁帽、橫梁的鉆孔。

2.3　有效獲取黏結(jié)力的措施

澆筑混凝土樁芯的補(bǔ)強(qiáng)加固方法成功的關(guān)鍵是有效獲取混凝土與鋼管樁內(nèi)壁的黏結(jié)力。一般認(rèn)為該方法將存在如下難點(diǎn)：

1）鋼管樁內(nèi)壁存在銹蝕物或附著物且難以清理，銹蝕物和附著物會(huì)阻止混凝土與鋼管樁內(nèi)壁的黏結(jié)。

2）對(duì)于開口鋼管樁，澆筑混凝土后，樁內(nèi)土體將發(fā)生固結(jié)沉降，樁芯隨之沉降，混凝土與鋼管樁內(nèi)壁無法黏結(jié)。

根據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，目前的施工技術(shù)已經(jīng)可以克服上述兩個(gè)難點(diǎn)。

1）JTS 153-3—2007《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》[2]指出，密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)氧氣不能得到有效補(bǔ)充，腐蝕過程不可能連續(xù)進(jìn)行，無需考慮防腐蝕措施?？梢姡摴軜秲?nèi)壁的銹蝕物或附著物不多。對(duì)鋼管樁內(nèi)部進(jìn)行抽水干燥施工后，自下而上澆筑高流態(tài)膨脹混凝土即可。

2）通過計(jì)算可判斷混凝土引起的附加應(yīng)力是否會(huì)引起樁內(nèi)土體發(fā)生固結(jié)沉降，如果不引起固結(jié)沉降則直接澆筑混凝土。如果引起固結(jié)沉降，可先澆筑1層厚度為h的膨脹混凝土，硬化后再澆筑上部混凝土；先澆筑的混凝土硬化后可起到底模的作用，厚度h不宜過大，以不引起鋼管樁內(nèi)土體明顯固結(jié)沉降為宜。

3）樁芯混凝土應(yīng)采用膨脹混凝土；必要時(shí)，樁芯應(yīng)按承載力極限狀態(tài)配置鋼骨。

3　樁芯與鋼管樁的黏結(jié)長度

混凝土樁芯向鋼管樁傳遞拉、壓荷載時(shí)，必須有足夠的黏結(jié)長度。為簡化黏結(jié)長度計(jì)算方法，可近似認(rèn)為黏結(jié)長度內(nèi)，樁芯與鋼管樁內(nèi)壁的黏結(jié)應(yīng)力均勻分布，則最小黏結(jié)長度可按下式計(jì)算：

式中：lmin為樁芯與鋼管樁間的最小黏結(jié)長度；Fmax為最大拉樁力或最大壓樁力；d為鋼管樁內(nèi)徑。

對(duì)上述廣東沿海某大型集裝箱碼頭鋼管樁，澆筑強(qiáng)度等級(jí)為C45的高性能混凝土樁芯，以最大壓樁力為控制荷載，計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)加固的樁芯黏結(jié)長度。考慮鋼管樁浪濺區(qū)部分腐蝕殆盡、退出工作的極端情況，此時(shí)壓樁力均由混凝土樁芯通過界面黏結(jié)力傳遞給水位變動(dòng)區(qū)及以下的鋼管樁，黏結(jié)應(yīng)力值按式（2）取，計(jì)算結(jié)果列于表2，表中同時(shí)列出了混凝土樁芯的實(shí)際黏結(jié)長度。偏于安全，建議樁芯的實(shí)際黏結(jié)長度不低于計(jì)算黏結(jié)長度lmin的1.5倍。

表2　混凝土樁芯黏結(jié)長度計(jì)算Table2　Calculation of the bond length of reinforced concretepile core

4　結(jié)語

1）鋼管樁浪濺區(qū)的腐蝕成為限制結(jié)構(gòu)使用壽命的關(guān)鍵問題，隨著近海工程鋼管樁服役年限的增加，鋼管樁浪濺區(qū)補(bǔ)強(qiáng)加固的迫切性將逐漸凸顯，為此提出一種澆筑混凝土樁芯的浪濺區(qū)銹蝕鋼管樁補(bǔ)強(qiáng)加固方法。將防腐蝕技術(shù)與混凝土樁芯補(bǔ)強(qiáng)加固法結(jié)合，既可修復(fù)鋼管樁承載力，又可減緩樁基腐蝕。

2）對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)研究結(jié)果的分析表明，混凝土與鋼管樁之間存在明顯的黏結(jié)應(yīng)力?；炷翗缎狙a(bǔ)強(qiáng)加固鋼管樁的機(jī)理正是利用混凝土與鋼管樁內(nèi)壁的界面黏結(jié)力傳遞拉、壓荷載。

3）國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)表明目前的施工技術(shù)可有效解決混凝土與鋼管樁內(nèi)壁黏結(jié)、樁芯沉降等難題，混凝土樁芯補(bǔ)強(qiáng)加固法具有可施工性。

4）提出一種簡化的混凝土樁芯黏結(jié)長度計(jì)算方法，偏于安全，建議樁芯的實(shí)際黏結(jié)長度不低于計(jì)算黏結(jié)長度lmin的1.5倍。

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[5]SY/T 10030—2004，海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法[S].SY/T 10030—2004,Recommended practice for planning,designingand constructing fixed offshore platforms-working stress design[S].

[6]JTS167-4—2012，港口工程樁基規(guī)范[S].JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering[S].