孟靜，李鑫

（1.交通部天津水運工程科學(xué)研究所，水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.天津港工程監(jiān)理咨詢有限公司，天津 300456）

天津港是國內(nèi)最大的人工港，也是世界等級最高的人工深水港，是在淤泥質(zhì)淺灘上人工挖海建港、吹填造陸建成的。因此，天津港的碼頭形式均以高樁碼頭為主，特別是高樁梁板式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最為廣泛。但因為此種結(jié)構(gòu)形式的高樁碼頭在耐久性和對超載及裝卸工藝方面的適應(yīng)能力較差，所以導(dǎo)致構(gòu)件易損壞且難修復(fù)，故對其進行可靠度計算顯得尤為重要。

1 工程概況

天津港某港區(qū)高樁碼頭為連續(xù)梁板式承臺結(jié)構(gòu)，由面板﹑面層、橫梁﹑門機梁﹑火車梁﹑樁﹑靠船構(gòu)件等部分組成。構(gòu)件均為預(yù)制安裝，接縫混凝土及面層為現(xiàn)澆，形成連續(xù)結(jié)構(gòu)。由北到南共75個排架，排架間距7m，分為9個結(jié)構(gòu)段，1～34排為雜貨泊位，34～75排為糧食泊位。該碼頭面頂高程為5.8m，前沿水深為-9m，碼頭分為前樁臺、后樁臺和接岸結(jié)構(gòu)3部分，橫斷面見圖1。碼頭橫梁為混凝土梁，分2次澆筑，面板以下部分為預(yù)制混凝土T形梁，與面板連接部分為橫梁的現(xiàn)澆疊合部分，橫梁斷面圖見圖2，結(jié)構(gòu)斷面特性見表1。采用C35混凝土，水灰比0.43，主筋保護層厚度60mm；底部配10φ20的II級縱向受拉鋼筋，上部配2φ14@250的水平分布筋，10φ14的短筋，豎向分布筋4φ14@250。裂縫寬度W=0.15mm，裂縫間距為180mm。

圖1 天津港某高樁碼頭橫斷面圖Fig.1 Cross-sectional view of a high-pile wharf of Tianjin Port

圖2 橫梁斷面圖（單位：mm）Fig.2 Beam cross section （mm）

表1 橫梁結(jié)構(gòu)斷面特性表Table 1 Beam cross-section characteristics

通過統(tǒng)計2009年該碼頭檢測評估過程中的實測數(shù)據(jù)，并由式（1）～（5），得出橫梁的鋼筋混凝土的統(tǒng)計參數(shù)見表2。

表2 碼頭橫梁鋼筋混凝土材料的統(tǒng)計參數(shù)Table2 Statistical parameters of beam reinforced concrete

材料強度的不定型Kf是結(jié)構(gòu)中材料的實際強度fs與材料的強度設(shè)計值fk的差異，即：

式中：f為結(jié)構(gòu)構(gòu)件中材料性能值；fs為試件材料性能值；fk為規(guī)范規(guī)定的材料性能標準值；w0為反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能與試件材料性能差別的影響系數(shù)，w0=1；K0為反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能與試件材料性能差別的隨機變量；K1為反映試件材料性能不定性的隨機變量。

2 高樁碼頭橫梁可靠度計算

由于高樁碼頭抗力的影響因素比較復(fù)雜，本文擬采用時變動態(tài)可靠度的計算方法，計算碼頭橫梁結(jié)構(gòu)承載力達到極限的時間：結(jié)構(gòu)的時變動態(tài)可靠度（或可靠指標）可看作是結(jié)構(gòu)服役時間的函數(shù)，給定其目標可靠度或目標可靠度指標β*后，則可由β*與動態(tài)可靠度指標β（t）的函數(shù)聯(lián)合求解，二者曲線交點對應(yīng)的橫坐標，即為年數(shù)，此時間點為結(jié)構(gòu)的使用壽命。

按照GB 50158—2010《港口工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》的規(guī)定，港口工程結(jié)構(gòu)的目標可靠指標β*應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的破壞類型和安全等級按表3 確定[1]。

表3 結(jié)構(gòu)可靠度目標Table3 Goals of structural reliability

2.1 橫梁構(gòu)件承載力極限方程

按照JTJ267—98《港口工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2]，本文采用鋼筋混凝土構(gòu)件的正截面抗彎承載力計算模型，由受力平衡條件得：

式中：fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，MPa；As，分別為銹后縱向受拉，受壓鋼筋的截面面積，mm2；fy，分別為銹前縱向受拉鋼筋抗拉、受壓強度設(shè)計值，MPa；b為矩形截面的寬度或T形截面的腹板寬度，mm；為受壓區(qū)鋼筋合力點至受壓邊緣的距離，mm；ky為銹蝕鋼筋屈服強度降低系數(shù)；ks為鋼筋與混凝土之間的協(xié)同工作系數(shù)。依據(jù)設(shè)計圖，根據(jù)受力分析選取該橫梁的最不利截面，結(jié)合式（6）～（7），得到該處抗彎極限承載力方程為：

式中：fc（t）為隨時間變化的混凝土軸心抗壓強度值，MPa；fy（t）為隨時間變化的銹前縱向受拉鋼筋抗拉設(shè)計值，MPa；SG（t）為隨時間變化的結(jié)構(gòu)永久荷載作用效應(yīng)組合值，MPa；SQ（t）為隨時間變化的結(jié)構(gòu)可變荷載作用效應(yīng)組合值，MPa。

2.2 橫梁構(gòu)件鋼筋混凝土銹蝕時間

由于混凝土中的氯離子擴散具有地域性這一特征，因此，在研究該港區(qū)氯離子時，選取了幾個典型的碼頭結(jié)構(gòu)段作為研究對象，根據(jù)JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》對“鋼筋劣化耐久性專項檢測”中規(guī)定[3]：用沖擊鉆在結(jié)構(gòu)混凝土尚未開裂、剝落的典型部位鉆取試樣，取樣是在垂直于梁側(cè)向表面的部位鉆取混凝土粉末，每鉆入1 cm深度所取得的混凝土粉末作為1個試樣，在每個取樣點鉆入深度為5 cm，每個測點共取5個試樣。將現(xiàn)場采集的待檢混凝土粉末配制成檢測溶液，利用混凝土快速氯離子檢測儀檢測溶液的氯離子含量，此含量即為結(jié)構(gòu)中氯離子含量。檢測前應(yīng)對儀器進行標定，檢測中依次對檢測液進行分別檢測，最終將測得結(jié)果和標定曲線進行對比。將結(jié)果帶入了菲克第二定律進行計算，可得出氯離子表面濃度以及擴散系數(shù)，見表4。

表4 天津港碼頭橫梁氯離子實測值Table 4 Chloride ion measured values of beams in Tianjin Port

按照JTJ302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定，將上述實測數(shù)據(jù)帶入到菲克第二定律中進行計算[3]，即：

式中：Cx，t為齡期t時不同深度處的氯離子含量（以占膠凝材料質(zhì)量百分率計）；Ci為混凝土中原始氯離子含量（以占膠凝材料質(zhì)量百分率計）；Cs為混凝土表面氯離子含量（以占膠凝材料質(zhì)量百分率計）；x為距離混凝土表面的深度，mm；Dt為氯離子擴散系數(shù)，mm2/s；t為混凝土暴露于環(huán)境中經(jīng)過的時間，s。

由實測數(shù)據(jù)算出該處構(gòu)件氯離子表面濃度Cs為0.825%（按與混凝土重量的百分比計算），擴散系數(shù)Dt為76.8mm2/a，代入下式[4-5]：

式中：Kc為混凝土總修正系數(shù)；Kce為水泥品種修正系數(shù)；Kel為地區(qū)影響系數(shù)；Kei為環(huán)境影響系數(shù)；Kt為混凝土養(yǎng)護系數(shù)，取值見表5；c為混凝土保護層厚度，mm；xc為混凝土碳化殘量，mm。

表5 計算參數(shù)表Table 5 Calculation parameters

根據(jù)《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》計算得出該段碼頭的鋼筋開始銹蝕的時間=36.7 a，計算出混凝土碳化開始的時間為=75.9 a，則臨界時間為二者的最小值，則tp=36.7 a。

另外，根據(jù)鋼筋銹蝕量得出的平衡方程[6]計算出混凝土的開裂時間tcr=33.11 a，因此該碼頭在此時，即運行至32 a時，還不用考慮鋼筋銹蝕對其抗力的影響，但在tcr=33.11 a之后，就要將此影響考慮進去，為了更好地反映橫梁可靠度指標在服役基準期及以后的變化，本文選取了80 a為計算年限來計算該碼頭的可靠指標。

2.3 橫梁可靠度計算

根據(jù)上述分析，計算該碼頭橫梁結(jié)構(gòu)的時變動態(tài)可靠度，擬以規(guī)范規(guī)定的50 a為基準期，每5 a為一個生命步長，一直計算到80 a，然后用Matlab軟件編制JC法程序[7]，計算出各個生命步長的可靠度指標β，并繪制動態(tài)可靠度曲線，見圖3，圖中橫線為臨界可靠度指標β=3.5。

圖3 橫梁可靠度指標與使用年限的關(guān)系Fig.3 Relationship between the reliability index and service life of beam s

3 結(jié)果分析

首先，由計算可以看出：該碼頭在基準期內(nèi)的可靠指標滿足規(guī)范規(guī)定值，由該計算得出其計算年限為48.3 a，與僅用氯離子侵蝕計算的使用年限為46.3 a基本相符合。其次，從計算可以看出，在結(jié)合混凝土開裂，鋼筋發(fā)生銹蝕以后，該橫梁可靠度指標下降較快，所以要預(yù)防發(fā)生鋼筋銹蝕，且一旦發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，要及時進行維修。其次，在此次研究中發(fā)現(xiàn)高樁碼頭的橫梁損傷多是發(fā)生彎矩破壞，即其可靠指標是由構(gòu)件的延性破壞所控制的，這是由于梁板式高樁碼頭構(gòu)件截面設(shè)計較大，且跨度較大導(dǎo)致的，建議從設(shè)計方案上優(yōu)化，合理改變橫梁的截面尺寸，最大程度使其彎、剪可靠度指標達到一致，從而使結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)滿足經(jīng)濟合理，使用安全的需要。

[1] GB 50158—2010，港口工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準[S].GB 50158—2010，Code for design of steel structure in port engineering[S].

[2] 黃長虹.在役高樁碼頭耐久性評估方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2003.HUANG Chang-hong.Research on evaluation method of the durability of high-pile wharf in service life[D].Tianjin:Tianjin Univer-sity，2003.

[3] JTJ302—2006，港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范[S].JTJ 302—2006，Technical specification for detection and assessment of harbour and marine structures[S].

[4] 王有志.橋梁的可靠性評估與加固[M].北京：中國水利水電出版社，2008：10-195.WANG You-zhi.Reliability evaluation and reinforcement of bridges[M].Beijing:China Water Power Press，2008：10-195.

[5] SONG Yu-pu，SONG Li-yuan，ZHAO Guo-fan.Factors affecting corrosion and approaches for improving durability of ocean reinforced concrete structures[J].Ocean Engineering，2004，31（5/6）：779-789.

[6] 牛荻濤，王慶霖，王林科.銹蝕開裂前混凝土中鋼筋銹蝕量的預(yù)測模型[J].工業(yè)建筑，1996，26（4）：8-13.NIU Di-tao，WANG Qing-lin，WANG Lin-ke.Predeterminate model of steel corrosion extent in reinforced concrete structures before producing corrosion crack[J].Industrial Construction，1996，26（4）:8-13.

[7] 張明.結(jié)構(gòu)可靠度方法分析——方法與程序[M].北京：科學(xué)出版社，2009.ZHANG Ming.Structural reliability analysis-method and procedure[M].Beijing:Science Press，2009.