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（福建船政交通職業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350007）

近年來，我國的港口建設(shè)取得了長足進(jìn)步，為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn). 作為碼頭主要結(jié)構(gòu)形式之一的高樁碼頭由于腐蝕、疲勞、碰撞等原因發(fā)生損傷，或已經(jīng)接近、達(dá)到使用壽命的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，存在較大安全隱患，故亟需對現(xiàn)役高樁碼頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測評估，以促進(jìn)港口建設(shè)健康發(fā)展.

由于高樁碼頭剛度大、荷載復(fù)雜且為多次超靜定結(jié)構(gòu)，如何通過檢測來判斷結(jié)構(gòu)的健康狀況已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn). 以往的結(jié)構(gòu)損傷檢測往往采用經(jīng)驗(yàn)法，結(jié)合一些試驗(yàn)，如回彈儀檢測混凝土強(qiáng)度、超聲波法測量混凝土缺陷等. 王山山等重視理論研究，通過現(xiàn)場的原型檢測得到高樁碼頭的動力特性［1］. Radzieński M等用鋁板進(jìn)行損傷試驗(yàn)研究，對比分析高樁碼頭多種損傷檢測方法［2］. 現(xiàn)階段高樁碼頭動力損傷識別研究多集中于運(yùn)用數(shù)值模擬達(dá)到識別效果，如孫熙平等利用NEXT-ERA模態(tài)參數(shù)識別算法和模態(tài)應(yīng)變能損傷定位原理，驗(yàn)證環(huán)境激勵下高樁碼頭排架損傷診斷的可行性和準(zhǔn)確性［3］；楊志明等通過有限元分析軟件ANSYS對高樁碼頭結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)構(gòu)損傷時(shí)的動力特性變化特點(diǎn)［4］. 目前高樁碼頭結(jié)構(gòu)的檢測研究有一定局限性，有的依賴結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)信息，有的僅通過數(shù)據(jù)挖掘方法揭示結(jié)構(gòu)特征的變化，未能將試驗(yàn)與模擬仿真有效結(jié)合，建立合理有效的評估方法［5］. 鑒于此，本文以福建某一在建高樁碼頭工程為依托，采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，選取碼頭不同參數(shù)作為隨機(jī)變量，得出高樁碼頭的梁樁損傷對固有頻率特性的影響，此研究成果可為該類高樁碼頭的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)檢測、評估及加固提供參考.

1 高樁碼頭的損傷類型

從動力學(xué)理論分析，影響高樁碼頭損傷的參數(shù)包括邊界條件參數(shù)、材料參數(shù)和幾何參數(shù)3種類型［6］.

1.1 邊界條件參數(shù)變化

引起高樁碼頭邊界條件參數(shù)改變主要有底部土體參數(shù)改變和底面沖刷，其中底面沖刷影響更大. 底面沖刷分為兩種情況，一是碼頭所處基床本身由于水動力條件導(dǎo)致水流對基床沖刷；二是高樁打入河（海）床后改變樁身周圍的水動力條件，造成泥沙運(yùn)輸增強(qiáng)，導(dǎo)致河（海）床特別是樁身周圍部分產(chǎn)生沖刷，形成不同形式的沖刷坑［7］. 沖刷坑導(dǎo)致樁身的約束力減小，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響. 同時(shí)邊界條件的改變會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)頻率變化.

1.2 材料參數(shù)變化

1.2.1 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是高樁碼頭鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的主要形式，會影響樁基內(nèi)部鋼筋自身的力學(xué)性能和樁基構(gòu)件的黏結(jié)性能，降低兩者之間的黏結(jié)作用，使鋼筋周圍的混凝土向四周膨脹，導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)大量裂紋，降低混凝土對鋼筋的約束力［8］. 調(diào)研數(shù)據(jù)顯示［9］：20世紀(jì)60年代，華東、華南近30座重要海港碼頭中引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞誘因中鋼筋銹蝕占比74%；20世紀(jì)80年代，再次對華南地區(qū)18座海港碼頭調(diào)研發(fā)現(xiàn)引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞誘因中鋼筋銹蝕占比89%；同期澳大利亞調(diào)研了62座海港碼頭，發(fā)現(xiàn)浪濺區(qū)的混凝結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕最為嚴(yán)重.

1.2.2 混凝土強(qiáng)度降低

混凝土強(qiáng)度降低會直接導(dǎo)致碼頭承載力不足，引起結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫導(dǎo)致海水的滲入，從而進(jìn)一步加劇混凝土結(jié)構(gòu)的破壞. 近幾年交通運(yùn)輸部在廣東、福建、江西等16個(gè)省份調(diào)研得到的657個(gè)病害碼頭樣本中顯示，混凝土劣化導(dǎo)致病害產(chǎn)生的占總體的22%，表明港口碼頭結(jié)構(gòu)的損壞主要是混凝土劣化導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度和彈性模量下降，引起港口混凝土劣化的主要原因是冰川磨蝕、堿骨料反應(yīng)、硫酸鹽侵蝕及霜凍［9］.

1.3 幾何參數(shù)變化

高樁碼頭的破壞主要引起混凝土表面缺陷、鋼筋截面損失等幾何參數(shù)變化. 20世紀(jì)60年代挪威對200座海港碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)浪濺區(qū)的樁基斷面減少30%以上的占比14%，減少10%～30%的占24%；20世紀(jì)90年代，對湛江港6個(gè)泊位的碼頭調(diào)研發(fā)現(xiàn)，較多鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有順筋裂縫，其中部分裂縫寬度超過2 cm；2003年在南京港某碼頭檢測中發(fā)現(xiàn)，碼頭多數(shù)構(gòu)件出現(xiàn)截面破壞，其中立柱占23.5%，縱、橫梁占35%，斜撐占41.5%［9］.

2 基于有限元模擬的損傷識別研究

建立碼頭損傷動力分析模型，可通過改變土體的p-y曲線或?qū)Φ匦芜吔绺叱踢M(jìn)行邊界條件參數(shù)模擬， 通過調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，即改變彈性模量、截面尺寸等手段實(shí)現(xiàn)材料參數(shù)、幾何參數(shù)模擬［10］.

2.1 有限元模型建立

根據(jù)福建某一在建高樁碼頭結(jié)構(gòu)承臺標(biāo)準(zhǔn)段的尺寸、材料力學(xué)特性等條件，采用 ABAQUS有限元軟件建立模型如圖1. 模型長1.5 m，寬 0.63 m，共 3 跨，排架間距0.46 m，碼頭前沿為雙直樁，中間為單直樁. 采用三維實(shí)體單元建模，采用1階六面體單元劃分計(jì)算. 通過改變不同位置的彈性模量來模擬不同程度的損傷工況，分析高樁碼頭不同損傷類型的動力特性變化規(guī)律.

圖1 有限元模型

2.2 損傷工況模擬

2.2.1 梁損傷模擬

碼頭裂縫主要存在于上部結(jié)構(gòu)，故選取橫梁、縱梁上存在裂縫的情況建立模型. 通過減小破損位置的彈性模量進(jìn)行3種情況的模擬：單一橫梁裂縫、多個(gè)裂縫、所有縱橫梁底部一定范圍的損傷，研究它們對高樁碼頭固有頻率動力特性的影響. 分析無破損、破損20%、破損50%、破損80% 4種工況，損傷通過減小結(jié)構(gòu)段剛度實(shí)現(xiàn).

2.2.2 樁損傷的模擬

碼頭垂直荷載通過上部結(jié)構(gòu)傳遞至樁基，對樁基產(chǎn)生垂直作用力，因此樁的安全性對高樁碼頭安全至關(guān)重要. 樁的破損現(xiàn)象主要存在于樁的上部位置（水位變化的區(qū)域），故模擬樁的損傷位置選取為水位變化的區(qū)域. 對高樁碼頭樁的損傷影響的模擬同樣分為3種情況：單樁損傷對高樁碼頭固有頻率動力特性的影響；三樁損傷對高樁碼頭固有頻率動力特性的影響；水位變動區(qū)所有樁損傷對高樁碼頭固有頻率動力特性的影響. 分析無破損、破損 20%、破損 50%、破損80% 4種工況，損傷通過減小結(jié)構(gòu)段剛度實(shí)現(xiàn).

2.3 有限元動力分析

運(yùn)用有限元計(jì)算法對高樁碼頭模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到前10階振型貢獻(xiàn)率及固有頻率. 限于篇幅，本文給出前2階碼頭結(jié)構(gòu)模態(tài)振型（見圖2～圖3）. 第1階振型主要為X方向擺動，2、3階振型主要為Y向擺動，前3階為低階頻率. 由于碼頭結(jié)構(gòu)存在不對稱性，所以在第4階出現(xiàn)了較為明顯的平扭耦合效應(yīng)，因此，第4階～第10階頻率為高階頻率，振型為平扭耦合. 低階頻率與高階頻率線性關(guān)系較弱，原因是前3階頻率為整體指標(biāo)，4階及以上頻率是局部振型指標(biāo).

圖2 有限元模型第1階振型

圖3 有限元模型第2階振型

2.3.1 梁損傷數(shù)值模擬損傷識別

梁損傷時(shí)，裂縫不同工況下前10階固有頻率變化如下：

表1 裂縫不同工況下的固有頻率

續(xù)表1

表1列出了梁結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，各工況下的固有頻率值. 從表1可知，單一裂縫同一階次不同破損程度下的固有頻率基本不變，說明在裂縫少的情況下，破損程度對結(jié)構(gòu)固有頻率基本無影響. 裂縫數(shù)量多的工況下，伴隨梁結(jié)構(gòu)損傷程度的擴(kuò)大，碼頭結(jié)構(gòu)的固有頻率值略有下降，其中破損程度輕（如破損20%）對固有頻率影響很小，可忽略不計(jì)，隨著破損程度的增加（如破損50%、破損80%），結(jié)構(gòu)的固有頻率減小趨勢更明顯，但總體降幅不大，前10階頻率變量均未超過1%. 隨著破損位置和破損范圍的增加，對碼頭固有頻率影響越來越大，在同一階次同一破損程度下，單一裂縫固有頻率＞多個(gè)裂縫固有頻率＞縱橫梁底部一定范圍損傷固有頻率.

2.3.2 樁損傷數(shù)值模擬損傷識別

樁損傷時(shí)，不同工況下前10階固有頻率變化如下：

表2 樁損傷不同工況下的固有頻率

續(xù)表2

表2列出了樁結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，不同工況下的固有頻率值，說明樁上的鋼筋銹蝕和混凝土碳化等破損對碼頭固有頻率動力特性有一定影響. 當(dāng)破損程度增加，結(jié)構(gòu)的固有頻率呈現(xiàn)出減小趨勢，破損程度越大，固有頻率減小越多，且在低階（前1～3階）頻率體現(xiàn)更為明顯，但前10階頻率變量均未超過5%. 當(dāng)破損位置和破損范圍增加，碼頭固有頻率影響越來越大，即在同一階次同一破損程度下，單樁損傷固有頻率＞三樁損傷固有頻率＞水位變動區(qū)所有樁損傷固有頻率.

對比樁破損和梁破損時(shí)固有頻率的變化可知，樁破損時(shí)對碼頭固有頻率動力特性的影響更大. 在即在同一階次同一破損程度下，單樁損傷固有頻率＜單一裂縫固有頻率，三樁損傷固有頻率＜多個(gè)裂縫固有頻率，水位變動區(qū)所有樁損傷固有頻率＜縱橫梁底部一定范圍損傷固有頻率. 原因是：在模擬損傷時(shí)，設(shè)置樁損傷的范圍比裂縫的損傷范圍大，損傷范圍越大則固有頻率變化越大. 因此，樁損傷作為結(jié)構(gòu)損傷的判斷依據(jù)更為敏感，固有頻率變化量可定性反映高樁碼頭結(jié)構(gòu)損傷程度.

3 基于動力實(shí)測試驗(yàn)的損傷識別

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

建立與數(shù)值模型一致的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄒ妶D4）. 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛炷亮喊褰Y(jié)構(gòu)，采用C30混凝土整體澆筑，養(yǎng)護(hù)周期為20天.

圖4 高樁碼頭結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3.2 傳感器優(yōu)化布置

高樁碼頭是梁-板-樁式工程結(jié)構(gòu)，其上部結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、剛度大，而樁基結(jié)構(gòu)剛度相對較小，因此采用傳統(tǒng)遺傳算法進(jìn)行傳感器數(shù)量及布置位置優(yōu)化，得到結(jié)構(gòu)固有頻率動力特性. 在不同測區(qū)優(yōu)選初始測點(diǎn)，組合形成初始布點(diǎn)方案，通過適應(yīng)度函數(shù)評價(jià)初始布點(diǎn)方案，將適應(yīng)度高的布點(diǎn)方案用算法進(jìn)化后，最終獲取最優(yōu)的傳感器布置方案，如圖5所示.

圖5 傳感器優(yōu)化布置

3.3 動力實(shí)測與有限元模擬的結(jié)果相似性驗(yàn)證

布設(shè)傳感器，采用沖擊荷載，開展動力實(shí)測試驗(yàn). 在施加荷載的同時(shí)提取傳感器加速度值，根據(jù)加速度值進(jìn)行頻譜分析獲取碼頭前10階的固有頻率. 動力模型試驗(yàn)實(shí)測頻率與有限元模擬頻率對比見表3.

由表3中數(shù)據(jù)可知，碼頭模型實(shí)測頻率與利用有限元軟件數(shù)值模擬計(jì)算得到的頻率貼近，實(shí)測值在模擬計(jì)算值上下范圍波動，最大誤差不超過3.77%. 說明物理模型與有限元模擬固有頻率動力特性基本一致，該模型能夠反映高樁碼頭結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)營狀況.

表3 試驗(yàn)實(shí)測頻率與模擬計(jì)算頻率的對比

3.4 動力實(shí)測試驗(yàn)結(jié)果分析

分別測量碼頭2號樁無破損、損傷20%、損傷50%、損傷80%等4種的工況的加速度和頻率數(shù)據(jù)后，分析碼頭10階固有頻率的變化，如表4所示.

表4 2號樁損傷時(shí)碼頭固有頻率變化

從表4可以看出，樁身局部損傷對碼頭頻率影響較小，樁破損20%與完整樁相比，固有頻率基本無異. 隨著破損程度加大，固有頻率略有下降，但前10階頻率變量均未超過5%，這與有限元軟件模擬計(jì)算的結(jié)論一致，固有頻率變化量可定性反映高樁碼頭結(jié)構(gòu)損傷程度.

4 結(jié)論與展望

通過建立ABAQUS有限元模型模擬和動力實(shí)測試驗(yàn)，研究了高樁碼頭梁樁損傷對固有頻率動力特性的影響. 研究發(fā)現(xiàn)有限元模擬可對高樁碼頭結(jié)構(gòu)損傷識別做出準(zhǔn)確判斷：不同的梁樁損傷對碼頭固有頻率特性影響不同，當(dāng)梁樁破損程度和范圍較小時(shí)，對碼頭固有頻率動力特性影響很??；隨著破損程度和范圍的不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)的固有頻率呈現(xiàn)減小趨勢. 因此不同參數(shù)的高樁碼頭可以選擇不同結(jié)構(gòu)的固有頻率動力特性參數(shù)進(jìn)行損傷識別，這為高樁碼頭損傷識別應(yīng)用提供理論基礎(chǔ). 同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，動力實(shí)測試驗(yàn)對高樁碼頭樁身損傷的識別效果，與有限元模擬計(jì)算結(jié)果幾乎一致. 研究還發(fā)現(xiàn)，樁損傷對碼頭固有頻率動力特性的影響更大，高樁碼頭動力表征指標(biāo)對樁損傷更加敏感. 后續(xù)研究可對高樁碼頭樁基的識別損傷開展進(jìn)一步深入探索.