廣西某高樁碼頭原位荷載試驗(yàn)研究

廖德華，楊董為

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來，隨著廣西經(jīng)濟(jì)水平的快速提高，到港船舶逐漸向現(xiàn)代化、大型化發(fā)展，不少港口碼頭超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，年久失修，局部構(gòu)件老化受損嚴(yán)重，部分失去了原有結(jié)構(gòu)的承載能力，迫切需要科學(xué)評(píng)定其現(xiàn)狀的承載能力，以便對(duì)其進(jìn)行升級(jí)加固改造，從而保障碼頭生產(chǎn)運(yùn)營的安全。

影響老舊碼頭結(jié)構(gòu)承載能力的因素復(fù)雜眾多，包括結(jié)構(gòu)疲勞、材料腐蝕劣化(常規(guī)病害)等。目前針對(duì)老舊碼頭常規(guī)檢測評(píng)估手段主要有混凝土強(qiáng)度檢測、外觀檢查、變位變形測量和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算等，這些方法可在一定程度上反映老舊碼頭的使用狀態(tài)，但均存在一定的局限性，無法真實(shí)反映碼頭結(jié)構(gòu)老化程度和實(shí)際承載能力[1]，尤其是在開展資料缺乏的老舊碼頭評(píng)估時(shí)，常規(guī)檢測手段無法對(duì)其承載能力進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)定。時(shí)蓓玲等[2-3]根據(jù)高樁碼頭檢測評(píng)估特點(diǎn)，總結(jié)了一套高樁碼頭結(jié)構(gòu)承載力檢測與評(píng)估方法，并結(jié)合實(shí)例對(duì)某高樁碼頭承載力進(jìn)行了檢測評(píng)估。金時(shí)峰等[4]利用原位荷載對(duì)加固后的高樁碼頭軌道梁正常工作能力進(jìn)行了評(píng)定。李沛等[5]采用原位荷載試驗(yàn)方法，從安全承載能力角度對(duì)升級(jí)改造后的碼頭進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并提出了修復(fù)和加固的建議。對(duì)于老舊碼頭來說，進(jìn)行原位荷載試驗(yàn)是最直接、直觀的檢測評(píng)估方法，其評(píng)估結(jié)果也是最為可靠的，本文針對(duì)廣西水運(yùn)現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀，選取較有代表性的典型工程實(shí)例，采用原位荷載試驗(yàn)方法，對(duì)廣西某高樁碼頭現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行評(píng)定，試驗(yàn)報(bào)告于2019-11-19通過了行業(yè)專家評(píng)審。目前，雖然該方法在廣西區(qū)內(nèi)高樁碼頭檢測評(píng)估中的應(yīng)用較少，但其對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)交竣工驗(yàn)收具有一定的指導(dǎo)意義，也可為類似工程結(jié)構(gòu)評(píng)估提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

該試驗(yàn)碼頭為1 000噸級(jí)散貨泊位，采用現(xiàn)澆梁板樁框架式結(jié)構(gòu)，碼頭前沿安裝10 t固定吊。碼頭順岸布置4榀排架，排架間距均為8.6 m，從臨河側(cè)至靠岸側(cè)依次為A～C列樁，A和B列樁中心距為7.5 m，B和C列樁中心距為8.5 m，現(xiàn)澆面板、橫梁、縱梁、聯(lián)系梁、立柱為C40混凝土。碼頭斷、立面圖如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)荷載

根據(jù)碼頭的設(shè)計(jì)資料，碼頭設(shè)計(jì)荷載為：10 t固定吊(垂直力850 kN，水平力65 kN，傾覆力矩1 850 kN·m)+20 kPa均布荷載。

1.2.2 試驗(yàn)參數(shù)

靜載試驗(yàn)通過測試設(shè)計(jì)荷載作用下截面的應(yīng)變和豎向位移，反映結(jié)構(gòu)整體和局部受力狀況，與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，以達(dá)到分析和推斷結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)的目的。當(dāng)碼頭結(jié)構(gòu)整體性較好，材料劣化不嚴(yán)重時(shí)，結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)，各測試物理量(內(nèi)力與變形)隨荷載增加的變化曲線接近于直線；當(dāng)結(jié)構(gòu)整體性下降，材料劣化越嚴(yán)重時(shí)，各測試物理量隨荷載增加的變化曲線偏離直線，結(jié)構(gòu)處于非線彈性工作狀態(tài)，構(gòu)件承載力下降[3]。

本次試驗(yàn)選取3軸橫梁BC段為試驗(yàn)梁段，橫梁截面尺寸為2.2 m×1.2 m，B和C列樁中心距為8.5 m，按照碼頭結(jié)構(gòu)的最不利受力原則和代表性原則，選擇B和C列樁中間位置作為測試截面，測試內(nèi)容為設(shè)計(jì)荷載作用下的梁段整體位移和試驗(yàn)截面撓度、應(yīng)變。截面應(yīng)變采用混凝土電阻式應(yīng)變片測量，沿試驗(yàn)截面左右兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)10個(gè)單向應(yīng)變測點(diǎn)，布置于梁底面及兩側(cè)面；在梁底布設(shè)兩個(gè)YHD-50位移傳感器；于試驗(yàn)橫梁梁端頂部中心各設(shè)置一個(gè)沉降測點(diǎn)，采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量；利用DH3819多功能靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集應(yīng)變片和位移傳感器數(shù)據(jù)，記錄試驗(yàn)截面的參數(shù)結(jié)果。測點(diǎn)布置如圖2所示。

注：圖中▲表示豎向位移測點(diǎn)，↓為沉降測點(diǎn)，測點(diǎn)上帶“#”數(shù)字為測點(diǎn)編號(hào)

1.2.3 試驗(yàn)方法

利用有限元方法計(jì)算得出試驗(yàn)梁段在設(shè)計(jì)荷載作用下的截面應(yīng)力及豎向位移值，采用等效荷載的原理，通過載重車輛模擬等效加載至設(shè)計(jì)荷載，荷載效率值保持在0.95～1.05區(qū)間；加載前首先對(duì)試驗(yàn)梁段進(jìn)行外觀檢查，記錄裂縫等常見病害；試驗(yàn)過程中，測量裂縫開展情況，對(duì)比前后變化。為保證試驗(yàn)安全，避免過載引起碼頭損壞，采用分級(jí)加載的方式，每一級(jí)荷載持荷時(shí)間≥5 min，在每一級(jí)加載穩(wěn)定后，記錄相關(guān)測點(diǎn)的應(yīng)變和撓度值，與計(jì)算理論值進(jìn)行比較，根據(jù)彈性力學(xué)原理，確認(rèn)車輛產(chǎn)生的應(yīng)力和撓度在正常的范圍之內(nèi)，且未出現(xiàn)明顯變形，裂縫的長度、寬度或數(shù)量無明顯增加現(xiàn)象，再進(jìn)行下一級(jí)加載[4]。見表1。

表1 靜載試驗(yàn)工況及荷載試驗(yàn)效率表

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)梁段整體位移結(jié)果分析

在逐級(jí)加載時(shí)，每次加載到試驗(yàn)加載值之后，持荷穩(wěn)定5 min，再進(jìn)行下一級(jí)加載。1#、2#沉降測點(diǎn)實(shí)測絕對(duì)沉降量如圖3所示，從圖中結(jié)果可知：試驗(yàn)梁段1#、2#沉降測點(diǎn)的實(shí)測絕對(duì)沉降量整體變化趨勢基本一致，均隨荷載增大而增加，卸載后增加的絕對(duì)沉降量基本恢復(fù)，記錄的實(shí)測最大沉降量為0.03 mm。

圖3 分級(jí)加載沉降量變化圖(mm)

2.2 試驗(yàn)梁段撓度結(jié)果分析

在截面最大正彎矩工況下，試驗(yàn)截面撓度試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算值如表2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，1#、2#測點(diǎn)實(shí)測彈性撓度值均小于理論計(jì)算撓度值，撓度校驗(yàn)系數(shù)<1.0，結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備；卸載后，撓度基本恢復(fù)，相對(duì)殘余撓度<20%，試驗(yàn)梁段在加載過程中始終處于線彈性工作狀態(tài)。

表2 截面底部撓度結(jié)果表

2.3 試驗(yàn)梁段應(yīng)變結(jié)果分析

在截面最大正彎矩工況下，截面底部應(yīng)變測量結(jié)果和理論計(jì)算值如表3所示。5#、6#測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)變值均小于理論計(jì)算應(yīng)變值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)<1.0，相對(duì)殘余應(yīng)變<20%，梁段截面處于線彈性工作范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體性良好。

表3 截面底部應(yīng)變結(jié)果表

為了解應(yīng)變沿截面高度分布情況，在截面最大正彎矩工況下，截面左右兩側(cè)各應(yīng)變測點(diǎn)沿截面高度分布如圖4所示。通過對(duì)截面左右兩側(cè)測點(diǎn)和底面測點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)分析，得出應(yīng)變沿截面高度的分布特征。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，中性軸位于距底部高1.515 m處，利用線性回歸方法，得出左側(cè)1#～5#中性軸位置為距底部高1.412 m處，右側(cè)1#～5#中性軸位置為距底部高1.443 m處。整體來看，應(yīng)變沿截面高度基本呈線性分布規(guī)律，符合平截面假定。

(a)從下到上為5#、4#、3#、2#、1#測點(diǎn)

2.4 結(jié)構(gòu)承載力評(píng)估

試驗(yàn)結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)荷載作用下：試驗(yàn)截面的撓度校驗(yàn)系數(shù)、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均<1.0，相對(duì)殘余撓度、相對(duì)殘余應(yīng)變均<20%，梁段整體沉降量隨荷載增大而增大，卸載后基本恢復(fù)，試驗(yàn)梁段整體剛度、強(qiáng)度大于理論計(jì)算值，結(jié)構(gòu)處于線彈性受力狀態(tài)，具備一定的安全富余，滿足設(shè)計(jì)荷載正常使用的要求。

3 結(jié)語

本文通過原位荷載試驗(yàn)的方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特征選取試驗(yàn)梁段截面，利用載重車輛等效分級(jí)加載，得出截面最大正彎矩工況下梁段整體沉降，以及試驗(yàn)截面撓度及應(yīng)變結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明：梁段整體位移，截面應(yīng)變、撓度均小于理論計(jì)算值，結(jié)構(gòu)整體處于線彈性工作狀態(tài)；試驗(yàn)梁段實(shí)際承載能力、整體剛度、強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)荷載正常使用的要求，具備一定的安全富余。