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      高樁碼頭評估的干擾能量法及與常規(guī)方法的對比*

      2020-06-23 03:03:06楊淦全蘇靜波季曉堂
      水運工程 2020年6期
      關(guān)鍵詞:安全系數(shù)碼頭整體

      楊淦全,蘇靜波,季曉堂

      (河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

      近年來,隨著海港工程建設(shè)趨于飽和,國家對于碼頭岸線的審批愈發(fā)嚴格,新建碼頭項目逐漸減少,而已建成的碼頭多接近使用年限,存在許多安全隱患。其中高樁碼頭因其承載能力強、材料用量省、適應(yīng)多種地質(zhì)條件等優(yōu)點,是現(xiàn)役碼頭中一種重要的結(jié)構(gòu)形式,但其構(gòu)件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、在荷載作用下自我調(diào)節(jié)能力差,使很大一部分在役高樁碼頭多存在或大或小的損傷,給碼頭帶來安全隱患。因而,給出合理的碼頭整體安全性指標便顯得尤其重要。

      對結(jié)構(gòu)整體安全性的評估是碼頭檢測的核心問題和最終目的,雖然國內(nèi)外進行了大量的相關(guān)研究,但仍有一些問題未能解決:如何建立合理有效的評估方法、如何選取科學(xué)的評價指標等。目前,高樁碼頭安全評估主要以構(gòu)件可靠度計算為基礎(chǔ),但某一構(gòu)件的可靠度并不能反映碼頭的整體安全度水平,高樁碼頭結(jié)構(gòu)的整體安全度是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度問題,但其工作研究所涉及的學(xué)科甚廣、難度很大,屬國內(nèi)外研究難題之一。目前行業(yè)內(nèi)使用的JTS 304—2019《水運工程水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》,主要是針對已建港口水工建筑物的安全性、使用性和耐久性的檢測、評估方法做出規(guī)定,其主要局限性在于:僅進行了碼頭現(xiàn)場檢測及結(jié)構(gòu)驗算,通過復(fù)核驗算,提出了一個安全性等級,缺乏結(jié)構(gòu)承載力方面的評定能力,還須進一步研究完善。針對規(guī)范中存在的缺陷,現(xiàn)有的主要研究方向在于可靠度方法和綜合評估方法:王元戰(zhàn)等[1]以常用的高樁碼頭標準結(jié)構(gòu)段作為其研究對象,選取結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)及幾何尺寸參數(shù)等作為隨機變量,基于非線性有限元數(shù)值模型,采用蒙特卡羅法建立結(jié)構(gòu)整體極限承載力概率分布模型及統(tǒng)計參數(shù),并在此基礎(chǔ)上,采用一次二階矩法計算結(jié)構(gòu)體系的可靠指標;Ruben等[2]結(jié)合碼頭結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)數(shù)據(jù)對碼頭進行檢測評估;吳鋒等[3]以模糊理論為基礎(chǔ),采用變權(quán)理論和層次分析法,結(jié)合高樁碼頭的結(jié)構(gòu)特點,給出了分層評估指標變權(quán)重和隸屬函數(shù)的計算方法,建立一套高樁碼頭耐久性模糊綜合評估方法。干擾能量法及最小勢能原理是基于能量理論發(fā)展出的一種安全判別方法。由于干擾能量是標量,所以可以便捷地進行局部構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。而最小勢能原理也可以明確地給出結(jié)構(gòu)的安全指標。目前關(guān)于干擾能量法及最小勢能原理的研究成果大多存在于單獨構(gòu)件方面[4-5],也在邊坡及基坑安全穩(wěn)定判別方面有一些成果[6-7]。

      本文將此方法應(yīng)用于高樁碼頭構(gòu)件及整體的安全性判別中,給出明確的判別指標。同時以某工程為例,與現(xiàn)行規(guī)范進行比較,證明其科學(xué)性,并得到結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)以及各構(gòu)件對于結(jié)構(gòu)整體安全性的貢獻,為高樁碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計、損傷碼頭的加固提供依據(jù)。

      1 碼頭整體評估的能量方法原理

      1.1 干擾能量法基本原理

      根據(jù)Dirichlet定理,平衡位置上的勢能Πp應(yīng)具有極小值或極大值,若Πp為極小值,即δΠp=0、δ2Πp> 0,該平衡位置是穩(wěn)定的;若Πp為極大值,即δΠp=0、δ2Πp< 0,則該平衡是不穩(wěn)定的;當δ2Πp=0,表明物體在微小擾動前后勢能不變,穩(wěn)定是隨遇的。

      在數(shù)值計算中,設(shè)Πp(u0)為物體在平衡位置上的總勢能,其受到微小擾動δu后勢能為Πp(u0+δu)。而由微小擾動δu引起的干擾能量記為ΔΠp,根據(jù)泰勒級數(shù)展開,得到:

      (1)

      1.2 干擾能量法的評價方法以及干擾能量指標

      干擾能量ΔΠp可由下式求得:

      (2)

      其中

      (3)

      (4)

      式中:A(·)物體的變形能密度;eij,0物體的初始應(yīng)變;Δeij為應(yīng)變增量;fi,0和pi,0為初始的體力和面力;Δui為干擾位移;Ω為物體計算范圍;Sσ為面力計算邊界;ΔU為干擾后儲存在物體內(nèi)的變形能增量,它是使系統(tǒng)恢復(fù)原位的因素,稱為干擾內(nèi)能;ΔW為外力在干擾位移中所做的功,它將消耗系統(tǒng)的能量。當ΔW> ΔU,系統(tǒng)將出現(xiàn)動能而導(dǎo)致失穩(wěn);當ΔW=ΔU,系統(tǒng)處于臨界狀態(tài);當ΔW< ΔU,系統(tǒng)去掉干擾后能恢復(fù)原位,此時系統(tǒng)穩(wěn)定。

      考慮離散元的結(jié)果,得到

      (5)

      式中:σ0、Re,0為單元原有狀態(tài)的應(yīng)力矩陣、荷載矩陣;Δe、Δσ為干擾應(yīng)變、干擾應(yīng)力;Ωe為每個單元的積分區(qū)域;Ne為單元的個數(shù);Δue為每個單元的擾動位移矩陣。

      基于干擾能量法的最小安全系數(shù),可以利用能量的觀點得到穩(wěn)定安全系數(shù):

      (6)

      若考慮一個單元的穩(wěn)定性,只須計入相鄰單元的作用力,便可計算ΔUe和ΔWe,則該單元的穩(wěn)定安全系數(shù)為

      (7)

      若考慮某一部分的穩(wěn)定性,只須在上述基礎(chǔ)進行代數(shù)相加,從而求出部分構(gòu)件的穩(wěn)定安全系數(shù)為

      (8)

      2 能量法檢測評估流程及與對有常規(guī)方法的改進

      2.1 檢測前工作

      現(xiàn)場檢測前需要對待評測的碼頭進行現(xiàn)場踏勘和資料收集,為后續(xù)工作提供依據(jù)。資料收集內(nèi)容包括碼頭設(shè)計計算書、設(shè)計變更記錄、施工竣工記錄等資料,目的是結(jié)合資料建立待測碼頭原狀碼頭模型;現(xiàn)場踏勘目的是了解碼頭現(xiàn)場環(huán)境氣象條件、歷年檢修情況歷年修復(fù)情況及修復(fù)效果及近期作業(yè)荷載等,為后續(xù)計算以及模型修正提供依據(jù)。

      2.2 現(xiàn)場檢測

      現(xiàn)場檢測包括但不限于外觀檢查、變形變位檢測、水下環(huán)境調(diào)查、構(gòu)件強度調(diào)查、耐久性檢測、樁身完整性檢測。具體檢測項目可以根據(jù)建設(shè)單位要求或依據(jù)常規(guī)檢測內(nèi)容進行制定。

      2.3 檢測資料匯集以及模型修正

      結(jié)合現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行總結(jié),形成檢測報告。依據(jù)檢測報告的內(nèi)容對于已建成的碼頭結(jié)構(gòu)評估模型進行必要的模型修正,使修正后的模型符合待評估碼頭的現(xiàn)有狀況,保證評估結(jié)果真實、有效。

      2.4 計算及評估報告形成

      根據(jù)前期調(diào)查的荷載條件,結(jié)合修正過的碼頭模型,應(yīng)用前述能量評估方法對于碼頭進行評估,得到相關(guān)安全系數(shù)。最終形成碼頭檢測評估報告,包括工程概況、檢測評估內(nèi)容、評估方法、檢測評估結(jié)果以及修復(fù)意見等。

      2.5 現(xiàn)行規(guī)范

      根據(jù)JTJ 304—2019《水運工程水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》,安全性評估應(yīng)按承載力極限狀態(tài)驗算的結(jié)果進行,分級標準見表1。

      表1 高樁碼頭評估分級標準

      注:Rd、Sd分別為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力和作用效應(yīng)組合設(shè)計值;γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);其中各驗算項目的等級,取最低一級作為該評估單元的安全評估等級。

      2.6 高樁碼頭整體評估的干擾能量法與現(xiàn)行規(guī)范方法的對比

      規(guī)范中的評估方法僅進行了碼頭現(xiàn)場檢測及結(jié)構(gòu)驗算,通過復(fù)核驗算,提出了一個安全性等級;干擾能量法的安全系數(shù),是在結(jié)合設(shè)計資料建立模型的同時,參照現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)修正結(jié)構(gòu)模型后,使用前文提到的能量法進行計算得出的,充分客觀反映了被評估碼頭的現(xiàn)有狀態(tài)。

      規(guī)范中對于碼頭整體安全性的評估結(jié)果,是建立在各構(gòu)件安全等級上的摻雜了評價主體主觀因素的結(jié)果;能量法計算出的整體安全系數(shù),是計算結(jié)構(gòu)各個單元、構(gòu)件干擾能量值,以及所受外力做功值后得出的,排除了評價主體的主觀因素,結(jié)果更加客觀。

      關(guān)于構(gòu)件在整體中的重要性,規(guī)范規(guī)定得較為模糊,更多是憑借既有經(jīng)驗來判斷;在干擾能量法中可以通過計算構(gòu)件干擾能量、所受外力做功在總體中所占比例ΔU1/ΔU、ΔW1/ΔW,來展現(xiàn)構(gòu)件對于整體結(jié)構(gòu)的重要性。

      綜合來看,干擾能量法能夠?qū)Υa頭結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)做出更加客觀的評價以及對各個構(gòu)件在結(jié)構(gòu)整體安全中的的重要性做出定量判斷。

      3 工程實例

      某碼頭工程建設(shè)1個3 000噸級舾裝泊位,舾裝碼頭采用順岸滿堂式布置。碼頭平臺平面尺度為150 m×12.4 m(長×寬)。水工建筑物采用高樁梁板結(jié)構(gòu)形式。

      碼頭結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu),順流方向布置2條軌道梁,軌道梁間距10.5 m,軌道梁截面為矩形,每段軌道梁長11.6 m,基礎(chǔ)采用3根φ800 mm鉆孔灌注樁,樁距為4.5 m。軌道梁間布置聯(lián)系梁,聯(lián)系梁間距4.5 m。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      經(jīng)檢測碼頭存在一些缺陷:抽測構(gòu)件的碳化深度值在1.0~4.0 mm,表明混凝土耐久性受到一定影響。抽檢的碼頭平臺前排基樁的混凝土抗壓強度推定值均小于設(shè)計強度,不滿足設(shè)計要求;其余構(gòu)件的混凝土抗壓強度推定值均大于設(shè)計強度,滿足設(shè)計要求。所抽檢的樁基最小鋼筋保護層厚度為30 mm,根據(jù)規(guī)范規(guī)定,淡水環(huán)境梁類構(gòu)件混凝土保護層最小厚度為30 mm,板類構(gòu)件混凝土保護層最小厚度為25 mm,僅滿足施工規(guī)范最低要求。

      圖1 碼頭結(jié)構(gòu)(單位:mm)

      3.1 碼頭構(gòu)件及整體性安全評估

      經(jīng)過對承載力進行復(fù)核計算,根據(jù)計算結(jié)果及《水運工程水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定,進行碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性評估,評估結(jié)果見表2。

      由表2可知,在驗算荷載作用下,參照規(guī)范聯(lián)系梁等級為D級,其余構(gòu)件的安全性等級為A級,需要對聯(lián)系梁進行加固。

      表2 采用規(guī)范各類構(gòu)件安全性等級評估結(jié)果

      3.2 干擾能量法評估

      根據(jù)碼頭設(shè)計資料以及現(xiàn)場勘測返回的碼頭相關(guān)損傷情況建立相應(yīng)的有限元模型,樁底根據(jù)嵌固點理論進行約束,經(jīng)計算嵌固深度為5.13 m,采用Midas Civil進行建模計算,計算模型見圖2。

      圖2 碼頭有限元模型

      針對建立的有限元模型采用干擾能量法計算碼頭相應(yīng)構(gòu)件的安全系數(shù),評估結(jié)果見表3。

      表3 采用能量法各類構(gòu)件安全性等級評估結(jié)果

      由表3可知,聯(lián)系梁安全系數(shù)小于1,需要加固;其他構(gòu)件安全系數(shù)大于1,狀態(tài)尚可;碼頭整體安全系數(shù)為1.37,還在安全范圍,但富余度不足。從結(jié)構(gòu)儲備安全性角度來看,聯(lián)系梁這一構(gòu)件在抵抗外力過程中,干擾能量值占總體的比例過小(21.1%),遠小于其需要抵抗的外力作用(32.5%)。所以其為整體中的薄弱構(gòu)件,容易在使用中產(chǎn)生損傷,應(yīng)注意防范;同時,在設(shè)計時也應(yīng)更加關(guān)注薄弱結(jié)構(gòu),提高該結(jié)構(gòu)的設(shè)計標準,提升薄弱結(jié)構(gòu)的下限,使碼頭結(jié)果設(shè)計更加合理。

      3.3 改進建議

      目前碼頭整體結(jié)構(gòu)基本能滿足設(shè)計使用要求,但考慮到結(jié)構(gòu)本身受力體系的不合理性,且安全儲備不足,在持久荷載作用下,結(jié)構(gòu)受較大影響,為確保碼頭平臺的長期安全使用,建議對該結(jié)構(gòu)進行必要的加固措施,對目前結(jié)構(gòu)受力體系進行優(yōu)化處理。建議在碼頭前沿打入1排預(yù)制樁,延伸碼頭平臺,改進碼頭承載力富余度,同時安裝靠船構(gòu)件優(yōu)化其受力。關(guān)于聯(lián)系梁不安全的問題,建議對聯(lián)系梁梁側(cè)粘貼鋼板進行加固處理。

      4 結(jié)論

      1)本文采用干擾能量法對于高樁碼頭進行評估,干擾能量法理論完備,方法流程清晰,可操作性強,可信度較高。由于干擾能量是標量,經(jīng)過計算得到的碼頭結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)在較大程度上減少了主觀因素對評價結(jié)果的影響。

      2)本文將干擾能量法應(yīng)用于某碼頭的結(jié)構(gòu)安全性評估,并與采取現(xiàn)行規(guī)范的評估結(jié)果進行對比。發(fā)現(xiàn)單獨構(gòu)件的評估結(jié)果十分吻合,對于需要加固的薄弱構(gòu)件的識別一致。

      3)高樁碼頭評估的干擾能量方法經(jīng)計算得到該碼頭的整體安全系數(shù),可以較為客觀地反映當下碼頭的整體安全狀況,而不是規(guī)范中以最薄弱構(gòu)件的評級劃定碼頭整體安全評級,更加科學(xué)客觀。同時,干擾能量方法還可以計算出各個構(gòu)件的能量占比,以此為據(jù)判斷薄弱構(gòu)件,指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用過程中薄弱結(jié)構(gòu)損壞預(yù)防工作和損傷結(jié)構(gòu)的加固工作。

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