海洋環(huán)境碼頭樁基性能退化及剩余壽命預(yù)測研究

董勤學(xué) 仇陸鋒 南京智航工程技術(shù)咨詢有限公司

1.前言

我國海岸線較長，碼頭眾多。海洋環(huán)境碼頭樁基樁身受氯離子侵蝕作用，隨著氯離子侵入深度及濃度不斷增加，樁基結(jié)構(gòu)承載能力普遍存在降低的情況，對碼頭的使用壽命產(chǎn)生影響，當(dāng)氯離子濃度擴散侵蝕導(dǎo)致混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕，將可能影響碼頭整體結(jié)構(gòu)安全，威脅碼頭及作業(yè)人員生命財產(chǎn)安全，因此對海洋環(huán)境碼頭氯離子侵蝕作用下樁基性能退化及剩余壽命的研究意義較大。

相關(guān)學(xué)者對海洋環(huán)境樁基氯離子影響及剩余壽命進了研究，蔡榮[1]研究了海洋環(huán)境下混凝土表面氯離子濃度影響因素及量化指標(biāo)；王駿[2]基于混凝土強度及氯離子變化研究了碼頭剩余壽命計算方法；鞠學(xué)莉等[3]建立了氯離子侵蝕模型并結(jié)合鋼筋銹蝕速率模型，預(yù)測了相關(guān)結(jié)構(gòu)的服役壽命。

本文為研究高樁碼頭樁基性能退化及碼頭剩余壽命準(zhǔn)確計算，根據(jù)高樁碼頭樁基氯離子侵蝕破壞模型，基于實測資料研究了高樁碼頭樁基耐久性退化規(guī)律，以江蘇省連云港多座碼頭為研究實例對象，對其剩余壽命進行預(yù)測，并進一步探討了碼頭使用壽命延長措施。相關(guān)原理及計算方法可在其他海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)推廣使用。

2.海洋環(huán)境混凝土樁基氯離子擴散模型及計算方法

2.1 海洋環(huán)境樁基耐久性退化模型

海洋環(huán)境高樁碼頭樁基與海水接觸，樁基混凝土不同深度氯離子濃度典型分布情況如圖1所示。碼頭結(jié)構(gòu)混凝土樁中的鋼筋受氯離子侵蝕發(fā)生銹蝕，由于氯離子的擴散過程較為復(fù)雜，國際上一般采用Fick第二定律，如圖2所示的高樁碼頭樁基性能退化分析模型[4]，可以較好地描述混凝土樁不同時刻氯離子影響狀況，以判別碼頭混凝土樁耐久性。因此結(jié)合Fick第二定律及圖2所示的退化模型進行海洋環(huán)境樁基耐久性研究。

圖1 海洋環(huán)境樁基氯離子濃度典型分布

圖2 高樁碼頭樁基性能退化分析模型

2.2 氯離子擴散模型及計算方法

樁基氯離子擴散模型采用Fick第二定律擴散理論，公式如下：

利用文獻(xiàn)[4]中建立的氯離子擴散模型可按下式表示：

式中，D(t)、D0分別為時刻t、t0的氯離子擴散系數(shù)，m為衰減擬合指數(shù)，可參考文獻(xiàn)[4]取值。同時28天齡期的混凝土氯離子擴散模型以水灰比表示如下：

以綜合系數(shù)對氯離子擴散模型進行改進，適應(yīng)不同碼頭混凝土結(jié)構(gòu)的差異，改進的公式如下：

式中，為綜合系數(shù)，按照式（5）可進行反推，得到下式：

將式（6）代入公式（1），假設(shè)初始時刻混凝土氯離子濃度為0，可得到修正的Fick第二定律公式：

3.高樁碼頭樁基使用壽命計算

根據(jù)連云港地區(qū)多座碼頭樁基混凝土具體資料，其中部分碼頭樁基各深度氯離子濃度分布情況列于表1。根據(jù)圖2所示的樁基性能退化模型，繪制了連云港地區(qū)樁基性能退化曲線，如圖3所示。

表1 樁基各深度氯離子濃度分布取樣結(jié)果

圖3 高樁碼頭樁基性能退化曲線

可見，樁基表面20m m位置氯離子濃度達(dá)到臨界濃度0.10%的時間約為5-10年，連云港地區(qū)樁基預(yù)應(yīng)力鋼筋表面的混凝土保護層厚度約為52.5mm，根據(jù)樁基性能退化曲線與氯離子臨界濃度0.10%，可以判斷連云港地區(qū)相關(guān)碼頭使用壽命約為50年。

4.高樁碼頭剩余壽命計算

以連云港L9碼頭工程為例，通過式（7）計算其剩余壽命，碼頭結(jié)構(gòu)斷面如圖4所示。

圖4 L9碼頭工程結(jié)構(gòu)斷面圖

將實例工程實測數(shù)據(jù)代入式（2），可知實例工程混凝土設(shè)計水灰比為：

將式（9）計算結(jié)果與表1中碼頭各分層數(shù)據(jù)依次代入式（7），得到五個分層各自的綜合系數(shù)依次如下：

根據(jù)工程資料，初始時刻L9碼頭混凝土表面氯離子濃度Cs為0.40，帶入表1中碼頭各分層的綜合系數(shù)，初始時刻混凝土表面氯離子濃度Cs為0.40，可計算得到鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到臨界值時的時間。

L9碼頭五個分層的臨界時間分別為51.6年、61.5年、72.3年、68.5年與54.3年，根據(jù)各分層的最不利值，可知實例碼頭工程最大使用壽命為51.6年。由于本碼頭已使用9.5年，因此，碼頭的剩余壽命為42.1年。

5.碼頭使用壽命延長措施研究

對于海洋環(huán)境碼頭樁基結(jié)構(gòu)，在樁基設(shè)計建造時，可以通過提高密實度、添加影響氯離子擴散的添加劑等措施改善混凝土耐久性能，同時也可以通過在鋼筋表面設(shè)置涂層，來減緩鋼筋銹蝕，從而提高碼頭結(jié)構(gòu)的耐久性及使用壽命[6]。

部分碼頭年代久遠(yuǎn)，隨著碼頭不斷使用，除受海洋侵蝕影響，碼頭本身存在的破壞情況，對碼頭使用壽命影響更大。為了延長碼頭的使用壽命，改善碼頭運營環(huán)境，有必要采取一定的碼頭加固措施。主要有如下加固方案[7]：

（1）對于碼頭棧橋等位置發(fā)現(xiàn)的銹蝕鋼筋，可能是由于保護層厚度隨使用逐漸減小或碳化深度增大原因?qū)е碌?，對于此類情況應(yīng)及時對鋼筋進行除銹和放銹處理，并做好鋼筋的保護措施，防止鋼筋的進一步銹蝕。

（2）對于碼頭樁、柱等主要結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損，鋼筋銹蝕等問題，將嚴(yán)重影響碼頭的使用安全，針對此類情況，有必要采用一定的結(jié)構(gòu)加強措施，如在結(jié)構(gòu)四角添加角鋼；在破損位置可以采用防腐砂漿，并利用鋼板等包裹破損位置進行防護，并注意加固結(jié)構(gòu)的保護措施。

同時，碼頭在使用過程中常受到船舶撞擊影響，隨著碼頭使用頻率的增加，船舶撞擊風(fēng)險進一步提高，撞擊嚴(yán)重時將直接造成船舶和碼頭結(jié)構(gòu)的損壞，影響碼頭使用壽命及工作人員安全。因此有必要對碼頭增加一定的防撞措施，對撞擊風(fēng)險較高位置增加結(jié)構(gòu)厚度，采用如橡膠等緩沖結(jié)構(gòu)。

對于海洋環(huán)境高樁碼頭，在設(shè)計建造時應(yīng)注意采取一定的措施減緩氯離子擴散，對于碼頭出現(xiàn)的破損、銹蝕情況應(yīng)及時采取工程措施提高碼頭結(jié)構(gòu)安全性，并結(jié)合一定的碼頭防撞措施，延長碼頭使用壽命。

6.研究結(jié)論

本文針對海洋環(huán)境高樁碼頭樁基氯離子侵蝕問題，基于高樁碼頭樁基性能退化模型對連云港地區(qū)碼頭樁基耐久性及使用壽命進行了研究，繪制了連云港地區(qū)樁基性能退化曲線，以L9碼頭工程為例，對其剩余壽命進行了分析預(yù)測，得到如下主要結(jié)論：

（1）樁基表面20mm位置氯離子濃度達(dá)到臨界濃度0.1%的時間約為5-10年，樁基預(yù)應(yīng)力鋼筋表面的混凝土保護層厚度約為52.5mm，根據(jù)樁基性能退化曲線碼頭使用壽命約為50年。

（2）L9碼頭工程最大使用壽命為51.6年，由于本碼頭已使用9.5年，其剩余壽命約為42.1年。

（3）對于海洋環(huán)境高樁碼頭，在設(shè)計建造時應(yīng)注意采取一定的措施減緩氯離子擴散，采取一定的碼頭防撞措施，對于碼頭出現(xiàn)的破損、銹蝕情況應(yīng)及時采取工程措施提高碼頭結(jié)構(gòu)安全性，延長碼頭使用壽命。

（4）后續(xù)可進一步研究不同混凝土樁基耐久性提高措施對氯離子侵蝕的改善作用及對碼頭使用壽命的提高情況。