楊淦全，蘇靜波，季曉堂

(河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

近年來(lái)，隨著海港工程建設(shè)趨于飽和，國(guó)家對(duì)于碼頭岸線的審批愈發(fā)嚴(yán)格，新建碼頭項(xiàng)目逐漸減少，而已建成的碼頭多接近使用年限，存在許多安全隱患。其中高樁碼頭因其承載能力強(qiáng)、材料用量省、適應(yīng)多種地質(zhì)條件等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)役碼頭中一種重要的結(jié)構(gòu)形式，但其構(gòu)件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、在荷載作用下自我調(diào)節(jié)能力差，使很大一部分在役高樁碼頭多存在或大或小的損傷，給碼頭帶來(lái)安全隱患。因而，給出合理的碼頭整體安全性指標(biāo)便顯得尤其重要。

對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全性的評(píng)估是碼頭檢測(cè)的核心問(wèn)題和最終目的，雖然國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的相關(guān)研究，但仍有一些問(wèn)題未能解決：如何建立合理有效的評(píng)估方法、如何選取科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)等。目前，高樁碼頭安全評(píng)估主要以構(gòu)件可靠度計(jì)算為基礎(chǔ)，但某一構(gòu)件的可靠度并不能反映碼頭的整體安全度水平，高樁碼頭結(jié)構(gòu)的整體安全度是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度問(wèn)題，但其工作研究所涉及的學(xué)科甚廣、難度很大，屬國(guó)內(nèi)外研究難題之一。目前行業(yè)內(nèi)使用的JTS 304—2019《水運(yùn)工程水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》，主要是針對(duì)已建港口水工建筑物的安全性、使用性和耐久性的檢測(cè)、評(píng)估方法做出規(guī)定，其主要局限性在于：僅進(jìn)行了碼頭現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，通過(guò)復(fù)核驗(yàn)算，提出了一個(gè)安全性等級(jí)，缺乏結(jié)構(gòu)承載力方面的評(píng)定能力，還須進(jìn)一步研究完善。針對(duì)規(guī)范中存在的缺陷，現(xiàn)有的主要研究方向在于可靠度方法和綜合評(píng)估方法：王元戰(zhàn)等[1]以常用的高樁碼頭標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段作為其研究對(duì)象，選取結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)及幾何尺寸參數(shù)等作為隨機(jī)變量，基于非線性有限元數(shù)值模型，采用蒙特卡羅法建立結(jié)構(gòu)整體極限承載力概率分布模型及統(tǒng)計(jì)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，采用一次二階矩法計(jì)算結(jié)構(gòu)體系的可靠指標(biāo)；Ruben等[2]結(jié)合碼頭結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)碼頭進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估；吳鋒等[3]以模糊理論為基礎(chǔ)，采用變權(quán)理論和層次分析法，結(jié)合高樁碼頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了分層評(píng)估指標(biāo)變權(quán)重和隸屬函數(shù)的計(jì)算方法，建立一套高樁碼頭耐久性模糊綜合評(píng)估方法。干擾能量法及最小勢(shì)能原理是基于能量理論發(fā)展出的一種安全判別方法。由于干擾能量是標(biāo)量，所以可以便捷地進(jìn)行局部構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。而最小勢(shì)能原理也可以明確地給出結(jié)構(gòu)的安全指標(biāo)。目前關(guān)于干擾能量法及最小勢(shì)能原理的研究成果大多存在于單獨(dú)構(gòu)件方面[4-5]，也在邊坡及基坑安全穩(wěn)定判別方面有一些成果[6-7]。

本文將此方法應(yīng)用于高樁碼頭構(gòu)件及整體的安全性判別中，給出明確的判別指標(biāo)。同時(shí)以某工程為例，與現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行比較，證明其科學(xué)性，并得到結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)以及各構(gòu)件對(duì)于結(jié)構(gòu)整體安全性的貢獻(xiàn)，為高樁碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、損傷碼頭的加固提供依據(jù)。

1 碼頭整體評(píng)估的能量方法原理

1.1 干擾能量法基本原理

根據(jù)Dirichlet定理，平衡位置上的勢(shì)能Πp應(yīng)具有極小值或極大值，若Πp為極小值，即δΠp=0、δ2Πp> 0，該平衡位置是穩(wěn)定的；若Πp為極大值，即δΠp=0、δ2Πp< 0，則該平衡是不穩(wěn)定的；當(dāng)δ2Πp=0，表明物體在微小擾動(dòng)前后勢(shì)能不變，穩(wěn)定是隨遇的。

在數(shù)值計(jì)算中，設(shè)Πp(u0)為物體在平衡位置上的總勢(shì)能，其受到微小擾動(dòng)δu后勢(shì)能為Πp(u0+δu)。而由微小擾動(dòng)δu引起的干擾能量記為ΔΠp，根據(jù)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，得到：

(1)

1.2 干擾能量法的評(píng)價(jià)方法以及干擾能量指標(biāo)

干擾能量ΔΠp可由下式求得：

(2)

其中

(3)

(4)

式中：A(·)物體的變形能密度；eij,0物體的初始應(yīng)變；Δeij為應(yīng)變?cè)隽?；fi,0和pi,0為初始的體力和面力；Δui為干擾位移；Ω為物體計(jì)算范圍；Sσ為面力計(jì)算邊界；ΔU為干擾后儲(chǔ)存在物體內(nèi)的變形能增量，它是使系統(tǒng)恢復(fù)原位的因素，稱(chēng)為干擾內(nèi)能；ΔW為外力在干擾位移中所做的功，它將消耗系統(tǒng)的能量。當(dāng)ΔW> ΔU，系統(tǒng)將出現(xiàn)動(dòng)能而導(dǎo)致失穩(wěn)；當(dāng)ΔW=ΔU，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)；當(dāng)ΔW< ΔU，系統(tǒng)去掉干擾后能恢復(fù)原位，此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定。

考慮離散元的結(jié)果，得到

(5)

式中：σ0、Re,0為單元原有狀態(tài)的應(yīng)力矩陣、荷載矩陣；Δe、Δσ為干擾應(yīng)變、干擾應(yīng)力；Ωe為每個(gè)單元的積分區(qū)域；Ne為單元的個(gè)數(shù)；Δue為每個(gè)單元的擾動(dòng)位移矩陣。

基于干擾能量法的最小安全系數(shù)，可以利用能量的觀點(diǎn)得到穩(wěn)定安全系數(shù)：

(6)

若考慮一個(gè)單元的穩(wěn)定性，只須計(jì)入相鄰單元的作用力，便可計(jì)算ΔUe和ΔWe，則該單元的穩(wěn)定安全系數(shù)為

(7)

若考慮某一部分的穩(wěn)定性，只須在上述基礎(chǔ)進(jìn)行代數(shù)相加，從而求出部分構(gòu)件的穩(wěn)定安全系數(shù)為

(8)

2 能量法檢測(cè)評(píng)估流程及與對(duì)有常規(guī)方法的改進(jìn)

2.1 檢測(cè)前工作

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)前需要對(duì)待評(píng)測(cè)的碼頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘和資料收集，為后續(xù)工作提供依據(jù)。資料收集內(nèi)容包括碼頭設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)、設(shè)計(jì)變更記錄、施工竣工記錄等資料，目的是結(jié)合資料建立待測(cè)碼頭原狀碼頭模型；現(xiàn)場(chǎng)踏勘目的是了解碼頭現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境氣象條件、歷年檢修情況歷年修復(fù)情況及修復(fù)效果及近期作業(yè)荷載等，為后續(xù)計(jì)算以及模型修正提供依據(jù)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)包括但不限于外觀檢查、變形變位檢測(cè)、水下環(huán)境調(diào)查、構(gòu)件強(qiáng)度調(diào)查、耐久性檢測(cè)、樁身完整性檢測(cè)。具體檢測(cè)項(xiàng)目可以根據(jù)建設(shè)單位要求或依據(jù)常規(guī)檢測(cè)內(nèi)容進(jìn)行制定。

2.3 檢測(cè)資料匯集以及模型修正

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，形成檢測(cè)報(bào)告。依據(jù)檢測(cè)報(bào)告的內(nèi)容對(duì)于已建成的碼頭結(jié)構(gòu)評(píng)估模型進(jìn)行必要的模型修正，使修正后的模型符合待評(píng)估碼頭的現(xiàn)有狀況，保證評(píng)估結(jié)果真實(shí)、有效。

2.4 計(jì)算及評(píng)估報(bào)告形成

根據(jù)前期調(diào)查的荷載條件，結(jié)合修正過(guò)的碼頭模型，應(yīng)用前述能量評(píng)估方法對(duì)于碼頭進(jìn)行評(píng)估，得到相關(guān)安全系數(shù)。最終形成碼頭檢測(cè)評(píng)估報(bào)告，包括工程概況、檢測(cè)評(píng)估內(nèi)容、評(píng)估方法、檢測(cè)評(píng)估結(jié)果以及修復(fù)意見(jiàn)等。

2.5 現(xiàn)行規(guī)范

根據(jù)JTJ 304—2019《水運(yùn)工程水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》，安全性評(píng)估應(yīng)按承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算的結(jié)果進(jìn)行，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 高樁碼頭評(píng)估分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

注：Rd、Sd分別為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力和作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；其中各驗(yàn)算項(xiàng)目的等級(jí)，取最低一級(jí)作為該評(píng)估單元的安全評(píng)估等級(jí)。

2.6 高樁碼頭整體評(píng)估的干擾能量法與現(xiàn)行規(guī)范方法的對(duì)比

規(guī)范中的評(píng)估方法僅進(jìn)行了碼頭現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，通過(guò)復(fù)核驗(yàn)算，提出了一個(gè)安全性等級(jí)；干擾能量法的安全系數(shù)，是在結(jié)合設(shè)計(jì)資料建立模型的同時(shí)，參照現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)修正結(jié)構(gòu)模型后，使用前文提到的能量法進(jìn)行計(jì)算得出的，充分客觀反映了被評(píng)估碼頭的現(xiàn)有狀態(tài)。

規(guī)范中對(duì)于碼頭整體安全性的評(píng)估結(jié)果，是建立在各構(gòu)件安全等級(jí)上的摻雜了評(píng)價(jià)主體主觀因素的結(jié)果；能量法計(jì)算出的整體安全系數(shù)，是計(jì)算結(jié)構(gòu)各個(gè)單元、構(gòu)件干擾能量值，以及所受外力做功值后得出的，排除了評(píng)價(jià)主體的主觀因素，結(jié)果更加客觀。

關(guān)于構(gòu)件在整體中的重要性，規(guī)范規(guī)定得較為模糊，更多是憑借既有經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷；在干擾能量法中可以通過(guò)計(jì)算構(gòu)件干擾能量、所受外力做功在總體中所占比例ΔU1/ΔU、ΔW1/ΔW，來(lái)展現(xiàn)構(gòu)件對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的重要性。

綜合來(lái)看，干擾能量法能夠?qū)Υa頭結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)做出更加客觀的評(píng)價(jià)以及對(duì)各個(gè)構(gòu)件在結(jié)構(gòu)整體安全中的的重要性做出定量判斷。

3 工程實(shí)例

某碼頭工程建設(shè)1個(gè)3 000噸級(jí)舾裝泊位，舾裝碼頭采用順岸滿堂式布置。碼頭平臺(tái)平面尺度為150 m×12.4 m(長(zhǎng)×寬)。水工建筑物采用高樁梁板結(jié)構(gòu)形式。

碼頭結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，順流方向布置2條軌道梁，軌道梁間距10.5 m，軌道梁截面為矩形，每段軌道梁長(zhǎng)11.6 m，基礎(chǔ)采用3根φ800 mm鉆孔灌注樁，樁距為4.5 m。軌道梁間布置聯(lián)系梁，聯(lián)系梁間距4.5 m。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

經(jīng)檢測(cè)碼頭存在一些缺陷：抽測(cè)構(gòu)件的碳化深度值在1.0～4.0 mm，表明混凝土耐久性受到一定影響。抽檢的碼頭平臺(tái)前排基樁的混凝土抗壓強(qiáng)度推定值均小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，不滿足設(shè)計(jì)要求；其余構(gòu)件的混凝土抗壓強(qiáng)度推定值均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。所抽檢的樁基最小鋼筋保護(hù)層厚度為30 mm，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，淡水環(huán)境梁類(lèi)構(gòu)件混凝土保護(hù)層最小厚度為30 mm，板類(lèi)構(gòu)件混凝土保護(hù)層最小厚度為25 mm，僅滿足施工規(guī)范最低要求。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)(單位：mm)

3.1 碼頭構(gòu)件及整體性安全評(píng)估

經(jīng)過(guò)對(duì)承載力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果及《水運(yùn)工程水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性評(píng)估，評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，在驗(yàn)算荷載作用下，參照規(guī)范聯(lián)系梁等級(jí)為D級(jí)，其余構(gòu)件的安全性等級(jí)為A級(jí)，需要對(duì)聯(lián)系梁進(jìn)行加固。

表2 采用規(guī)范各類(lèi)構(gòu)件安全性等級(jí)評(píng)估結(jié)果

3.2 干擾能量法評(píng)估

根據(jù)碼頭設(shè)計(jì)資料以及現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)返回的碼頭相關(guān)損傷情況建立相應(yīng)的有限元模型，樁底根據(jù)嵌固點(diǎn)理論進(jìn)行約束，經(jīng)計(jì)算嵌固深度為5.13 m，采用Midas Civil進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 碼頭有限元模型

針對(duì)建立的有限元模型采用干擾能量法計(jì)算碼頭相應(yīng)構(gòu)件的安全系數(shù)，評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 采用能量法各類(lèi)構(gòu)件安全性等級(jí)評(píng)估結(jié)果

由表3可知，聯(lián)系梁安全系數(shù)小于1，需要加固；其他構(gòu)件安全系數(shù)大于1，狀態(tài)尚可；碼頭整體安全系數(shù)為1.37，還在安全范圍，但富余度不足。從結(jié)構(gòu)儲(chǔ)備安全性角度來(lái)看，聯(lián)系梁這一構(gòu)件在抵抗外力過(guò)程中，干擾能量值占總體的比例過(guò)小(21.1%)，遠(yuǎn)小于其需要抵抗的外力作用(32.5%)。所以其為整體中的薄弱構(gòu)件，容易在使用中產(chǎn)生損傷，應(yīng)注意防范；同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)更加關(guān)注薄弱結(jié)構(gòu)，提高該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提升薄弱結(jié)構(gòu)的下限，使碼頭結(jié)果設(shè)計(jì)更加合理。

3.3 改進(jìn)建議

目前碼頭整體結(jié)構(gòu)基本能滿足設(shè)計(jì)使用要求，但考慮到結(jié)構(gòu)本身受力體系的不合理性，且安全儲(chǔ)備不足，在持久荷載作用下，結(jié)構(gòu)受較大影響，為確保碼頭平臺(tái)的長(zhǎng)期安全使用，建議對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的加固措施，對(duì)目前結(jié)構(gòu)受力體系進(jìn)行優(yōu)化處理。建議在碼頭前沿打入1排預(yù)制樁，延伸碼頭平臺(tái)，改進(jìn)碼頭承載力富余度，同時(shí)安裝靠船構(gòu)件優(yōu)化其受力。關(guān)于聯(lián)系梁不安全的問(wèn)題，建議對(duì)聯(lián)系梁梁側(cè)粘貼鋼板進(jìn)行加固處理。

4 結(jié)論

1)本文采用干擾能量法對(duì)于高樁碼頭進(jìn)行評(píng)估，干擾能量法理論完備，方法流程清晰，可操作性強(qiáng)，可信度較高。由于干擾能量是標(biāo)量，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的碼頭結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)在較大程度上減少了主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

2)本文將干擾能量法應(yīng)用于某碼頭的結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估，并與采取現(xiàn)行規(guī)范的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。發(fā)現(xiàn)單獨(dú)構(gòu)件的評(píng)估結(jié)果十分吻合,對(duì)于需要加固的薄弱構(gòu)件的識(shí)別一致。

3)高樁碼頭評(píng)估的干擾能量方法經(jīng)計(jì)算得到該碼頭的整體安全系數(shù)，可以較為客觀地反映當(dāng)下碼頭的整體安全狀況，而不是規(guī)范中以最薄弱構(gòu)件的評(píng)級(jí)劃定碼頭整體安全評(píng)級(jí)，更加科學(xué)客觀。同時(shí)，干擾能量方法還可以計(jì)算出各個(gè)構(gòu)件的能量占比，以此為據(jù)判斷薄弱構(gòu)件，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用過(guò)程中薄弱結(jié)構(gòu)損壞預(yù)防工作和損傷結(jié)構(gòu)的加固工作。