海洋環(huán)境中高樁碼頭耐久性監(jiān)測系統(tǒng)的設計及搭建

潘洪波，方翔，倪靜姁，陳昊翔，張東方，范志宏

（1.珠海港開發(fā)建設有限公司，珠海 519050；2.中交四航工程研究院有限公司，廣州 510230；3.水工構造物耐久性技術交通運輸行業(yè)重點實驗室，廣州 510230）

隨著建造技術水平的提升，在高效、節(jié)能、環(huán)保等需求的推動下，基礎設施設計使用壽命越來越長。為保證結構物在全壽命周期內的安全性、適用性和耐久性，以合理設計、標準化施工獲得結構物良好初始狀態(tài)的同時，營運階段的定期健康診斷和維護也十分重要。健康診斷的全面性、準確性對維護措施的針對性、有效性和經濟性至關重要。健康診斷方式包括定期檢測和監(jiān)測，相對于定期檢測，監(jiān)測具有很多優(yōu)點：（1）無需破壞結構物；（2）監(jiān)測點可設置在人員無法進入的區(qū)域，監(jiān)測數(shù)據(jù)更為全面；（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)可實現(xiàn)遠程獲取，對營運影響較小；（4）可做到實時監(jiān)測、診斷。健康監(jiān)測在公路、橋梁領域已得到較為廣泛的應用，但在港口碼頭領域，相關應用及研究較少。

高樁碼頭是港口碼頭中的一種，由樁基礎和上部結構組成，樁可為鋼管樁或混凝土樁，上部結構多采用混凝土梁板形式。

本工作針對海洋環(huán)境中高樁碼頭的結構特點，提出耐久性監(jiān)測系統(tǒng)的設計原則，并以珠海高欄港某集裝箱碼頭工程為例，介紹了系統(tǒng)設計、施工等方面的內容，為開展海洋環(huán)境中高樁碼頭結構的耐久性監(jiān)測提供一定的工程指導。

1 海洋環(huán)境高樁碼頭監(jiān)測指標

實施健康監(jiān)測應結合結構類型及其所處環(huán)境，從結構薄弱點和可能出現(xiàn)的破損形式出發(fā)，優(yōu)選監(jiān)測方法，合理布設監(jiān)測點，才能充分發(fā)揮監(jiān)測效果，并提高經濟性。

高樁碼頭上部結構耐久性受到破壞主要由鋼筋銹蝕、載荷作用和樁坡體系不均勻沉降造成［1］。其中氯離子侵入引發(fā)的鋼筋銹蝕是海洋環(huán)境中高樁碼頭上部結構耐久性降低的最主要原因［2］。我國于20世紀80年代前建成的海港高樁碼頭，僅5～10 a就出現(xiàn)鋼筋銹蝕。1987～1996年期間建成的碼頭，在使用13～17 a后，多數(shù)構件表面出現(xiàn)銹蝕痕跡，部分出現(xiàn)了較為嚴重的銹蝕開裂現(xiàn)象［3］。隨著建造水平的提高，碼頭壽命大幅提升，但耐久性問題依然較為突出。不同區(qū)域發(fā)生銹蝕的嚴重程度從大到小依次為：浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、大氣區(qū)、水下區(qū)。高樁碼頭上部結構基本處在浪濺區(qū)和水位變動區(qū)，混凝土暴露在腐蝕發(fā)生最為嚴重的區(qū)域。已有調查顯示，樁帽、縱橫梁、面板等構件破損影響上部結構的耐久性［3］。因而在健康監(jiān)測中，應以耐久性為主要監(jiān)測指標。

研究表明載荷作用影響氯離子的滲透，特定載荷條件有利于氯離子滲透，加速構件破損導致耐久性劣化［4］。另一方面，高樁碼頭的結構特點決定了其對船舶、風浪、堆載等各種載荷作用的敏感度。因此，在實施耐久性監(jiān)測的同時也應實施載荷監(jiān)測。

2 耐久性監(jiān)測技術

目前，混凝土耐久性監(jiān)測主要采用半電池電位技術、宏電池電流技術、線性極化電阻技術等電化學方法。

2.1 半電池電位技術

半電池電位技術是在鋼筋附近預埋參比電極，通過測量鋼筋與參比電極之間的電位，判斷鋼筋的銹蝕狀態(tài)。半電池電位技術是目前最為成熟的鋼筋銹蝕狀態(tài)判斷方法。根據(jù)JTJ 304－2019《港口水工建筑物檢測與評估技術規(guī)范》，電位與銹蝕狀態(tài)的關系見表1。

表1 鋼筋半電池電位與銹蝕狀態(tài)的關系Tab.1 The relationship between half-cell potential and corrosion state of rebar

半電池電位技術還可用于測量混凝土中氯離子濃度，這需另外預埋Ag／AgCl電極，通過測量Ag／AgCl電極與參比電極的電位，并按能斯特方程推算出氯離子濃度，如式（1）所示：

式中：cCl－為氯離子濃度；E為Ag／AgCl探針的測試電位；E0為標準狀態(tài)下探針的電極電位；R為氣體常數(shù)；T為熱力學溫度；F為法拉第常數(shù)。

參比電極是實現(xiàn)半電池電位測量的關鍵。丹麥Force Technology公司的ERE20電極是一種埋入式長壽命二氧化錳參比電極，其壽命主要由內部膠體電解質決定。直至目前，該電極已有30多a的使用經驗，應用于世界各地的工程中。

2.2 宏電池電流技術

混凝土內鋼筋的腐蝕主要由氯離子造成。氯離子從混凝土表面滲透到內部，混凝土內部氯離子濃度從外向內逐漸降低。當氯離子濃度需達到一定的閾值（即臨界氯離子濃度），鋼筋才開始腐蝕，將混凝土中氯離子濃度剛好為臨界氯離子濃度的位置連起來，則會在混凝土內部形成一個將混凝土分割成內、外兩部分的曲面（如果以某一混凝土斷面作為研究對象，則是一條線）。在該曲面（線）外側，氯離子濃度超過閾值，如果該區(qū)域有鋼筋，則鋼筋會腐蝕；在該曲面（線）內側，氯離子濃度沒超過閾值，如果該區(qū)域有鋼筋，則鋼筋不會腐蝕?？梢娺@個曲面（線）將混凝土分成腐蝕、無腐蝕兩個區(qū)域。所以將這個曲面（線）稱作腐蝕鋒面（線）。

德國Sensortec GMBH 的陽極梯（Anode Ladder）傳感器是基于宏電池電流技術研發(fā)的［5］。其主要部件包括由6個碳鋼陽極組裝成的陽極梯、惰性金屬陰極、連接鋼筋。陽極梯安裝在鋼筋籠外側，通過調整陽極梯的傾斜度使各個陽極處于不同深度的混凝土保護層中。其工作原理是，隨著氯離子等腐蝕性物質的滲透，腐蝕鋒線以一定規(guī)律從混凝土表面向內部移動。通過各陽極與陰極的短路電流可判斷陽極的狀態(tài)，確定腐蝕鋒線的位置，并以此預測其抵達鋼筋表面的時間，為監(jiān)測混凝土耐久性提供預警［6］。丹麥Force Technology 也開發(fā)了類似的監(jiān)測傳感器Corrowatch。

陽極梯傳感器可測量各陽極、連接鋼筋與陰極之間的電壓和電流、混凝土電阻以及溫度等參數(shù)。目前陽極梯系統(tǒng)的制造廠家僅提供手持式讀數(shù)儀以獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，中交四航工程研究院針對陽極梯傳感器研發(fā)出自動數(shù)據(jù)采集模塊。

2.3 線性極化電阻技術

線性極化電阻技術是在混凝土中埋設包含碳鋼陽極、惰性金屬陰極以及參比電極的三電極體系，通過對陽極施加一個極小的電位擾動（ΔE），測量相應的電流響應（ΔI），獲得線性極化電阻（Rp），如式（2）所示：

式中：A為陽極面積。

再根據(jù)Stern-Geary 公式及法拉第公式，根據(jù)式（3）利用Rp計算鋼筋的腐蝕速率r：

式中：B為常數(shù)，對于鋼筋混凝土中未脫鈍的鋼筋取52 m V，對于已脫鈍的鋼筋取26 m V。

美國Virginia Technologies Inc.的ECI（Embedded Corrosion Instrument）傳感器是基于線性極化電阻技術生產的。ECI傳感器除了可以測量線性極化電阻外，還能測量鋼筋腐蝕電位、氯離子電位、混凝土電阻率和溫度等參數(shù)。ECI將數(shù)模轉換電路板嵌入傳感器內，以減少信號傳輸過程中所受的外部信號干擾。

2.4 多功能耐久性監(jiān)測技術

中交四航工程研究院自主研發(fā)的基于多功能耐久性監(jiān)測技術的傳感器（以下簡稱多功能耐久性監(jiān)測傳感器）［7］包含鋼筋電極、不銹鋼輔助電極、Ag／AgCl氯離子探針、p H 探針和Ag／AgCl參比電極等多個探頭。配合專用采集模塊，通過氯離子探針、p H 探針與參比電極之間的電位，可實現(xiàn)氯離子濃度、p H 的測量。鋼筋電極、輔助電極和參比電極組成的三電極體系可實現(xiàn)鋼筋電位、線性極化電阻的測量［8］。

不同監(jiān)測技術各具特點，半電池電位技術監(jiān)測鋼筋銹蝕只可定性判定鋼筋銹蝕狀態(tài)，無法定量測量腐蝕速率，也無法對鋼筋銹蝕進行預測。采用半電池電位技術監(jiān)測混凝土內部氯離子濃度，可通過監(jiān)測值的實時變化，推算鋼筋表面氯離子濃度達到臨界值的時間，但影響測量結果的因素較多，分析評價時需要綜合判斷?；诤觌姵仉娏骷夹g的陽極梯系統(tǒng)目前應用較廣泛，可以預測鋼筋銹蝕的起始時間，但無法監(jiān)測導致鋼筋銹蝕的氯離子濃度。線性極化電阻技術主要用于計算銹蝕開始后鋼筋的腐蝕速率，也可通過極化電阻大小定性判斷鋼筋是否發(fā)生銹蝕。目前除半電池電位技術監(jiān)測鋼筋銹蝕有相應標準之外，其他技術均未有相應的評價標準。

3 碼頭監(jiān)測系統(tǒng)的設計

珠海高欄港某碼頭工程包括一個100 000 t的泊位和三個50 000 t的泊位，碼頭岸線長1 700 m、寬42 m，碼頭為高樁梁板式結構，基礎為鋼管樁，上部結構包括現(xiàn)澆樁帽、現(xiàn)澆橫梁、預制／現(xiàn)澆縱梁、預制／現(xiàn)澆面板，各構件采用的施工方式及混凝土強度等級見表2。

表2 碼頭各構件施工方式及混凝土強度等級Tab.2 Construction methods of each members and concrete strength grades of the wharf

工程設計水位為：極端高水位3.90 m；設計高水位2.76 m；設計低水位0.33 m；極端低水位－0.39 m。

根據(jù)JTS 153－2015《水運工程結構耐久性設計標準》，計算該工程的環(huán)境劃分區(qū)域如表3所示。

表3 工程環(huán)境區(qū)域劃分Tab.3 Division of engineering environments m

該工程碼頭頂面高程4.95 m，樁帽底高程1.0 m，可見，上部結構基本都處在發(fā)生腐蝕最為嚴重的浪濺區(qū)和水位變動區(qū)。

3.1 總體設計原則

根據(jù)高樁碼頭的特點及工程環(huán)境特征，監(jiān)測系統(tǒng)的設計原則如下：

（1）監(jiān)測點選取腐蝕最為嚴重的位置。高樁碼頭上部結構多處在腐蝕惡劣的浪濺區(qū)，在干濕循環(huán)作用下，該區(qū)域氯離子滲透最快，氧氣、水分充足，腐蝕最為嚴重。

（2）考慮傳感器的使用壽命，同時為了便于作平行對比分析，使監(jiān)測結果更可信，監(jiān)測點平均分布于碼頭三個不同的斷面中。

（3）不同種類構件由于自身結構不同，受力狀態(tài)不一樣，耐久性劣化過程也有所區(qū)別，對于同一類構件，預制與現(xiàn)澆的混凝土質量不一致，因此選擇的監(jiān)測點需要涵蓋不同種類混凝土構件，并能反映不同的施工工藝。

（4）高樁碼頭海側受到較多的海浪沖擊、船體碰撞等動載荷，故監(jiān)測點主要位于碼頭海側。由于拉應力對混凝土耐久性有不利影響，構件中的監(jiān)測點應設置在受拉應力最大的區(qū)域。

（5）為降低測量結果的干擾，減小電纜長度，每個監(jiān)測斷面均設置數(shù)據(jù)采集點。

3.2 監(jiān)測點設置

3個監(jiān)測斷面設置在碼頭146排架（19結構段）、178排架（23結構段）以及199排架（25結構段）。

每個斷面布置5個監(jiān)測點，分別位于樁帽、現(xiàn)澆橫梁、縱梁、預制面板和現(xiàn)澆面板上?，F(xiàn)澆橫梁、預制縱梁的監(jiān)測點位于梁跨中底部，預制面板的監(jiān)測點位于底部中心位置。監(jiān)測點布置見表4。

表4 各監(jiān)測點位置Tab.4 Location of each monitoring point

3.3 監(jiān)測傳感器選擇

高樁碼頭破損主要由混凝土結構耐久性劣化造成，因此監(jiān)測系統(tǒng)主要以耐久性監(jiān)測為主。該工程選用了基于不同技術的參比電極、陽極梯和多功能耐久性監(jiān)測傳感器，通過綜合分析不同監(jiān)測傳感器得到的結果，獲得更為準確的耐久性監(jiān)測結果?；诤觌姵仉娏骷夹g的陽極梯傳感器可實現(xiàn)對腐蝕鋒線位置的確定和跟蹤，推算其到達鋼筋表面的時間。多功能耐久性監(jiān)測傳感器可通過監(jiān)測特定深度的氯離子濃度隨時間的變化，對結構物壽命進行推算。兩種監(jiān)測傳感器同時埋在同一監(jiān)測點，可實現(xiàn)兩種監(jiān)測方法的對比分析。預埋參比電極，一方面對陽極的銹蝕情況作進一步核實，同時可對多功能監(jiān)測傳感器自帶參比電極進行校核。

由于構件耐久性受載荷作用的影響，因此在監(jiān)測點預埋應變計，監(jiān)測構件的受力情況，為后續(xù)荷載作用下的耐久性演化規(guī)律的研究提供必要條件，考慮到長久性與經濟性，選用鋼弦式應變計。

3.4 數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)

如圖1所示，數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)由采集模塊和傳輸模塊兩部分組成。前者實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動獲取及模數(shù)轉換，后者通過4G 無線網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸。

圖1 遠程無線數(shù)據(jù)采集與傳輸示意圖Fig.1 Schematic diagram of remote wireless data collection and transmission

每個采集模塊與一個傳感器連接。多功能耐久性監(jiān)測傳感器的采集模塊可進行腐蝕電位、氯離子電位、p H 等參數(shù)的測量，同時可對傳感器中鋼筋電極、不銹鋼輔助電極、參比電極組成的三電極體系施加電位擾動，記錄不同電位擾動下的電流。陽極梯的采集模塊可實現(xiàn)對各陽極與陰極間的電壓和短接電流、混凝土電阻、溫度等參數(shù)的測量。采集模塊將獲得的數(shù)據(jù)進行數(shù)模轉換，并通過RS485 接口和Modbus通信協(xié)議與傳輸模塊連接。

傳輸模塊可同時與多個采集模塊連接，識別采集模塊的類型，定時向各采集模塊發(fā)送采集指令及數(shù)據(jù)回傳指令，獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)經過協(xié)議封裝后發(fā)送到4G無線網(wǎng)絡，通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送至部署在云服務器上的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的無線連接。連上互聯(lián)網(wǎng)的客戶端電腦可以通過Web網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)進行訪問，獲取結構物耐久性數(shù)據(jù)。

4 碼頭監(jiān)測系統(tǒng)的搭建

4.1 陽極梯傳感器安裝

用扎帶將陽極梯傳感器固定在鋼筋籠外側、混凝土保護層中，固定后調整其傾斜角度，并測量各陽極與模板的距離。陰極必須與鋼筋絕緣，安裝接觸點間采用橡膠墊隔離，連接鋼筋通過焊接固定在鋼筋籠上，保證其與鋼筋的電連接。傳感器先于模板安裝的情況下，應在傳感器周圍放置墊塊，并在模板安裝后和混凝土澆筑前測量傳感器監(jiān)測面與模板的距離，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)澆面層陽極梯傳感器安裝圖Fig.2 Installation drawing of anode ladder sensor for cast-in-place surface layer

4.2 多功能耐久性監(jiān)測傳感器安裝

多功能耐久性監(jiān)測傳感器的安裝固定借助特制不銹鋼支架，支架由兩組U 形鋼棒和鋼片組成（見圖3），U 形鋼棒中間部分用于支撐傳感器，兩腿帶螺紋，穿過鋼片的兩個預留孔。如圖4所示，傳感器先安裝在支架上，再整體固定在鋼筋上。調節(jié)U形鋼棒與鋼片的相對位置，確定傳感器監(jiān)測面的埋深，最后用螺母固定U 形鋼棒與鋼片。傳感器先于模板安裝的情況下，應在傳感器周圍放置墊塊，并在模板安裝后混凝土澆筑前測量傳感器監(jiān)測面與模板的距離。

圖3 用于安裝多功能耐久性監(jiān)測傳感器的不銹鋼支架Fig.3 Stainless steel bracket for mounting multifunctional durability sensor

圖4 多功能耐久性監(jiān)測傳感器安裝圖Fig.4 Installation diagram of multi-function durability sensor

4.3 參比電極及應變計的安裝

如圖5所示，參比電極和應變計采用扎帶固定在鋼筋籠上。參比電極在澆筑混凝土前應去掉蓋帽，同一監(jiān)測點安裝兩個應變計，沿主筋和箍筋兩個垂直方向。

圖5 參比電極及應變計的安裝Fig.5 Installation of reference electrode（a）and strain gauge（b）

4.4 電纜鋪設

在安裝前，對所有電纜進行穿軟管處理，保護電纜在施工期間不受損壞。電纜始終沿鋼筋鋪設。每隔50 cm 用扎帶將電纜固定在鋼筋上。同一監(jiān)測斷面內所有電纜鋪設在混凝土內部，統(tǒng)一引到碼頭海側，并從碼頭面引出，引出處用PVC管保護，并在引出處上方安裝采集電箱。

4.5 采集電箱安裝

工程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集點兼具遠程采集及現(xiàn)場采集的功能?，F(xiàn)場采集點安裝電箱，電箱采用不銹鋼制作，外加涂層保護，用膨脹螺栓安裝于碼頭面軌道梁外側。同一斷面所有監(jiān)測傳感器的電纜統(tǒng)一匯集到碼頭面海側，并在電纜引出處安裝電箱。匯總的電纜從底部進入電箱內部。

如圖6所示，電箱設置內門，同一監(jiān)測斷面中有5個陽極梯傳感器、5個多功能耐久性監(jiān)測傳感器以及5個參比電極的測量終端，應變數(shù)采儀安裝在內門，便于現(xiàn)場采集。同時電箱內預留無線采集單元安裝的位置，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集。

圖6 電箱內門中測試終端的布置Fig.6 Layout of test terminal in the inner door of electrical box

5 結論

（1）耐久性監(jiān)測系統(tǒng)搭建遵從以下原則：監(jiān)測點選取在腐蝕最為嚴重的位置，平均分布于碼頭三個不同的斷面中；監(jiān)測點涵蓋不同的構件和施工工藝，在同一構件受拉應力影響最大的區(qū)域設置監(jiān)測點。數(shù)據(jù)采集點設置在碼頭頂面，每個斷面設置一個數(shù)據(jù)采集點。

（2）每個監(jiān)測點預埋陽極梯傳感器、參比電極和多功能耐久性監(jiān)測傳感器，可對宏電池電流、半電池電位、氯離子電位、p H、鋼筋銹蝕速率進行監(jiān)測，實現(xiàn)多種監(jiān)測結果的原位對比。

（3）數(shù)據(jù)采集采用現(xiàn)場采集與無線采集并行的方式，在現(xiàn)場設置采集電箱，滿足現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的需要。同時，電箱中安放監(jiān)測采集儀可實現(xiàn)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程、無人、自動化采集。