高樁碼頭的結(jié)構(gòu)損傷與相關(guān)修復(fù)技術(shù)研究

李淑龍

(山東港通工程管理咨詢有限公司青島分公司，山東 青島 266000)

0 引 言

高樁碼頭的主體結(jié)構(gòu)主要由承臺和樁基構(gòu)成,承臺作為主要工作面，承載壓力后傳遞給樁基，樁基支撐工作面并傳遞給深層地基。無論是梁板式還是框架式，均屬于透空結(jié)構(gòu)。[1]這種結(jié)構(gòu)是高樁碼頭的標志性特征，在賦予了碼頭結(jié)構(gòu)簡單、用材少、對海浪的適應(yīng)性強等優(yōu)點的同時，也導(dǎo)致此類碼頭抗負荷能力弱、結(jié)構(gòu)易損傷、檢修加固困難。因此，分析導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)受損的因素并提出相應(yīng)的加固修復(fù)技術(shù)，可為碼頭運營的管理和維護工作提供相應(yīng)的理論支持和實踐指導(dǎo)。

1 碼頭結(jié)構(gòu)受損的表現(xiàn)與成因

受設(shè)計水平和建造技術(shù)的限制，20世紀80年代建造的一批高樁碼頭雖然還未達到服務(wù)年限，但已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性損傷。碼頭的結(jié)構(gòu)損傷是多種因素共同作用的結(jié)果，包括自然條件、運行負荷、碰撞事故等,需要及時有效地對受損架構(gòu)進行修復(fù)和維護。[2]

1.1 結(jié)構(gòu)受損的表現(xiàn)與特征

高樁碼頭的結(jié)構(gòu)損傷主要分為構(gòu)件受損和連接性構(gòu)架損傷，二者共同導(dǎo)致了碼頭基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)性能退化。輕度損傷表現(xiàn)為銹跡、細小的裂縫或者空鼓現(xiàn)象，重度損傷則會出現(xiàn)大面積銹蝕、面層剝落、縱橫梁順筋開裂甚至箍筋銹斷等。腐蝕性損傷的評級標準見表1。整體性結(jié)構(gòu)損傷多由于地震、撞擊等造成，常見的表現(xiàn)包括結(jié)構(gòu)橫梁斷裂、樁基位移、碼頭整體滑移以及結(jié)構(gòu)坍塌等。

表1 水工構(gòu)件腐蝕性損傷評級標準

根據(jù)近年來交通運輸部對始建于2000年以前的港口碼頭現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果，高樁碼頭出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的比例明顯大于其他類型的港口碼頭。其中一部分原因是高樁碼頭相較于其他碼頭結(jié)構(gòu)比重小、適應(yīng)力強，是比較適合在淤積層厚、條件苛刻的地基上建造的。其在復(fù)雜環(huán)境的廣泛應(yīng)用，本身就意味更大的結(jié)構(gòu)性能退化風險、更高安全維護成本和更大固化修復(fù)難度。以長江中下游流域為例，調(diào)查結(jié)果顯示，服務(wù)時間在8年以上的高樁碼頭出現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題的比例在63%以上。其中根據(jù)現(xiàn)行的在役高樁碼頭安全分級標準，損傷程度在30%以上的碼頭占總數(shù)的54%，亟待維修加固。

1.2 結(jié)構(gòu)受損的成因與影響因素

碼頭結(jié)構(gòu)性損傷與自然環(huán)境的相關(guān)因素聯(lián)系密切，對于不同地域而言，起主導(dǎo)作用的環(huán)境因素各不相同。各類因素之間相互影響，通過引起鋼筋銹蝕、混凝土結(jié)構(gòu)銹脹，導(dǎo)致二者的黏結(jié)性逐步降低，進而引起碼頭的各類功能性構(gòu)件抗彎剛度下降，承載能力減弱，實際的負荷能力接近甚至低于限定負荷，最終破壞碼頭整體結(jié)構(gòu)。[3]以臨海高樁碼頭為例，其具體腐蝕過程與因素分析如圖1所示。

圖1 碼頭腐蝕性產(chǎn)生過程圖

高樁碼頭的水平承載力主要由樁基水平抗力負擔，這是由其結(jié)構(gòu)特點決定的。樁基和地基形成一個受力整體，因此岸坡的水平變位對于碼頭承載力的影響是限制性的。超載和水力條件變化造成的淤積現(xiàn)象等都會引起岸坡的形變，導(dǎo)致碼頭應(yīng)力配置失衡，造成結(jié)構(gòu)損傷。

2 碼頭結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)的綜合利用和發(fā)展趨勢

目前，針對常見的結(jié)構(gòu)損傷問題，常用的處理方法包括加設(shè)樁基、混凝土澆筑包裹法，玻璃纖維或者鋼板加固法，針對浪濺區(qū)還有涂層防腐法等。但是隨著對于碼頭可靠性能要求的不斷提高，單一的加固技術(shù)已不能滿足損傷碼頭的修復(fù)需要，加固修復(fù)技術(shù)逐漸呈現(xiàn)出綜合性的特點。

2.1 碼頭結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)的綜合利用

碼頭結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)的綜合利用就是利用成熟修復(fù)技術(shù)，針對碼頭具體的結(jié)構(gòu)損傷、自然因素和使用需求，設(shè)計出一個可靠、經(jīng)濟、有效的綜合方案。

施工難度、工作量、施工效率、維修成本和碼頭保底使用時間等都是設(shè)計綜合加固方案的重要影響考量因素。為了達到更好的維修效果，綜合修復(fù)方案需要有針對性，從整體的角度入手，對碼頭的損傷結(jié)構(gòu)進行修復(fù)。[4]

例如，北方地區(qū)多采用填補裂縫、增加截面積和優(yōu)化涂層的綜合方案。具體選取的填補措施可以結(jié)合實際情況選擇砂漿修補法或者包裹法等。這種組合方式工作量適中，耐久性較好，適用于整體結(jié)構(gòu)損傷程度較輕的高樁碼頭的修復(fù)。

針對出現(xiàn)整體性結(jié)構(gòu)損傷高樁碼頭，需要事先進行結(jié)構(gòu)檢測和評估，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果和修復(fù)后的荷載要求確定方案。碼頭承載力和極限結(jié)構(gòu)抗力是最重要的參考因素，決定了核心加固技術(shù)的選擇和修復(fù)后碼頭的安全性等級。對于構(gòu)件損傷，需要進行隨機抽檢進行強度分析，對照現(xiàn)行的港口工程規(guī)范，進行加固、填補或者更換。

適用于不同的安全評級的碼頭進行修復(fù)的綜合工藝可大致總結(jié)如圖2所示。

圖2 高樁碼頭綜合修復(fù)技術(shù)示意圖

2.2 新型碼頭結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)與發(fā)展趨勢

隨著材料學(xué)的不斷發(fā)展，各類新型材料逐漸在港口工程中得到了應(yīng)用，在減緩腐蝕和加固結(jié)構(gòu)方面取得良好的效果，逐步衍生出了復(fù)合材料包裹的加固方法。

與傳統(tǒng)的包裹材料相比，纖維材料抗腐蝕能力較強，比重低，有利于施工，可以減小現(xiàn)場的運輸和作業(yè)負擔。隨著對于材料研究的不斷深入，復(fù)合材料的可靠性和經(jīng)濟性都有了長足的發(fā)展，尤其是黏合材料的開發(fā)，為復(fù)合材料的水下應(yīng)用提供了良好的技術(shù)支撐，使其成了碼頭加固工程的重要備選方案。

除新型材料的應(yīng)用外，壓力灌注技術(shù)依靠其可靠的穩(wěn)定性和優(yōu)良的加固性能，逐漸在各類高樁碼頭修復(fù)工程中得到了推廣和應(yīng)用。高壓條件下，在套筒和原有樁之間灌入高黏接性漿料，使得鋼板套筒或者纖維板套筒可以分擔原樁基的負荷，從而減緩結(jié)構(gòu)形變。環(huán)氧灌漿料是目前使用較為廣泛的一類灌注漿，而高壓灌注技術(shù)，能使得漿料、套筒和樁之間的聯(lián)系相較于傳統(tǒng)的粘貼法更加緊密。[5]

玻璃纖維材料的物理性能檢測檢結(jié)果見表2。

由表2可知，纖維套筒體抗拉伸能力較好，可靠性能滿足要求，與剛性材料相比，負擔相同承載力時相對體積小、質(zhì)量輕，同時對氯離子的腐蝕具有更強的抗性，因此可以對原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提供更好的保護作用，在提高高樁碼頭的安全性的同時可以提高碼頭結(jié)構(gòu)的耐久性。

表2 玻璃纖維材料可靠性檢測數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

(1) 各因素綜合作用導(dǎo)致了高樁碼頭的結(jié)構(gòu)損傷。本文以近年來碼頭結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果為依據(jù)，歸納總結(jié)了我國高樁碼頭的建造特點與結(jié)構(gòu)損傷的表現(xiàn)和成因，為碼頭修復(fù)加固方案的比選提供了參考資料。

(2) 通過分析各類碼頭的綜合性修復(fù)技術(shù)，提出了強調(diào)全局性、綜合性、經(jīng)濟性的技術(shù)組合原則，強調(diào)根據(jù)構(gòu)件損傷的成因采取具有針對性的修復(fù)方法，以保證碼頭的修復(fù)效果，提高工程經(jīng)濟效益。

(3) 新型材料和新興的施工技術(shù)不斷發(fā)展，逐步取得了良好的效果，可為日后碼頭修復(fù)工程的設(shè)計提供更多樣的選擇。