潘新恩,廖德華,扈世龍

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著航運經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,到港船舶大型化、貨物多樣化,在役碼頭常出現(xiàn)由于原有裝卸設(shè)備裝卸能力與裝卸效率難以提升,而產(chǎn)生制約港口企業(yè)發(fā)展的瓶頸問題[1]。配置成本合理、效率匹配的裝卸設(shè)備資源有利于提高港口碼頭的裝卸效率和貨物吞吐量,提升港口企業(yè)的核心競爭力[2],在役碼頭裝卸設(shè)備及工藝升級已成為突破這一瓶頸問題的重要方法。碼頭前沿裝卸設(shè)備升級通常會因荷載作用和使用條件發(fā)生改變,而對碼頭結(jié)構(gòu)的安全使用造成潛在的安全隱患及產(chǎn)生不良影響。

高樁梁板碼頭在我國港口建設(shè)中廣泛應(yīng)用,其結(jié)構(gòu)構(gòu)件比其他形式碼頭單薄,構(gòu)件在使用過程中更易遭受損壞,結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能的劣化、結(jié)構(gòu)損傷會對碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力產(chǎn)生重大的影響。早期大多數(shù)碼頭建設(shè)時,未考慮未來前沿裝卸工藝設(shè)備升級而預(yù)留結(jié)構(gòu)安全富裕,后期進(jìn)行碼頭裝卸設(shè)備及工藝升級改造往往存在較大的安全風(fēng)險?，F(xiàn)行的檢測規(guī)范[3]對碼頭相關(guān)檢測評估的要求已經(jīng)有了明確的規(guī)定,也有很多學(xué)者[4-7]對高樁碼頭檢測評估進(jìn)行了研究,但是關(guān)于裝卸工藝升級改造的專項評估研究較少,且高樁梁板碼頭前沿裝卸設(shè)備及工藝升級存在較多不確定因素,影響因子較復(fù)雜,結(jié)構(gòu)安全評估難度大,目前還未形成系統(tǒng)、高效的結(jié)構(gòu)安全評估方法。對于高樁梁板碼頭前沿裝卸設(shè)備升級的安全評估,本文提出了在滿足現(xiàn)行規(guī)范常規(guī)結(jié)構(gòu)檢測和結(jié)構(gòu)復(fù)核驗算的基礎(chǔ)上,通過增加碼頭結(jié)構(gòu)荷載,試驗檢驗結(jié)構(gòu)真實承載力,以保證結(jié)構(gòu)檢測評估結(jié)果更加安全、真實可靠。

1 工程案例分析

某內(nèi)河件雜貨碼頭的水工建筑物采用現(xiàn)澆高樁梁板樁框架式結(jié)構(gòu)。碼頭基礎(chǔ)為灌注型嵌巖樁,樁徑為1.8 m,樁基持力層為中風(fēng)化石灰?guī)r。碼頭頂面門座起重機下設(shè)兩條現(xiàn)澆T型軌道梁,軌距為10.50 m。為滿足生產(chǎn)和發(fā)展需要,碼頭運行管理部門擬將碼頭前沿裝卸設(shè)備升級為1臺25 t-30 m門座式起重機,原有的1臺50 t通用門式起重機和1臺8 t門式起重機將陸續(xù)拆除;原設(shè)計的碼頭面流動機械荷載由30 t載重汽車變更為55 t載重汽車。碼頭結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

圖1 碼頭典型結(jié)構(gòu)斷面圖(mm)

本文依據(jù)《水運工程水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》(JTS304-2019)[3](以下簡稱《規(guī)范》)第3.0.4.1條:“改變建筑物的功能或使用條件時,應(yīng)對水工建筑物進(jìn)行安全性、適用性及耐久性評估?！睘榱苏莆宅F(xiàn)狀碼頭裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性能,針對碼頭基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)開展評估工作,檢測、分析驗算和評判前沿裝卸設(shè)備升級后碼頭結(jié)構(gòu)的各項性能是否滿足規(guī)范要求,為決策提供科學(xué)依據(jù)。

2 碼頭檢測與評估

2.1 檢測評估方法

目前,碼頭結(jié)構(gòu)檢測方案中涉及的檢測流程、內(nèi)容以及方法較為系統(tǒng),主要關(guān)注碼頭結(jié)構(gòu)的外觀損傷情況、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定狀況、結(jié)構(gòu)材料性能的劣化狀況以及結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境等方面的內(nèi)容[8]。結(jié)構(gòu)復(fù)核驗算使用的是現(xiàn)行規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)評估方法,需要結(jié)合碼頭結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果和實際使用狀況進(jìn)行充分考慮,本質(zhì)是以概率理論為基礎(chǔ)的構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)或正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗算,以實測值或驗算值與現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定限值的比值進(jìn)行等級的劃分,偏理論性和依賴于有經(jīng)驗的技術(shù)人員,結(jié)果因人而異。

以往碼頭結(jié)構(gòu)常規(guī)檢測都是對碼頭局部抽樣進(jìn)行檢測,雖然檢測過程中是隨機進(jìn)行抽樣,結(jié)果具有一定的代表性、科學(xué)性,但是局部檢測的數(shù)據(jù)不能反映結(jié)構(gòu)的整體性能和質(zhì)量狀況。而結(jié)構(gòu)荷載試驗結(jié)果在檢測評估中往往較為直觀、真實、可靠,通過合理、有效的加載方式與測點布置,實際檢驗結(jié)構(gòu)的整體承載能力,試驗結(jié)果輔助評估結(jié)論,更有說服力。因此,本次檢測評估在以往碼頭常規(guī)結(jié)構(gòu)檢測和結(jié)構(gòu)復(fù)核驗算的基礎(chǔ)上,增加了碼頭結(jié)構(gòu)載荷試驗,以便客觀真實地檢驗結(jié)構(gòu)承載力。

2.2 碼頭結(jié)構(gòu)檢測

依據(jù)《規(guī)范》,本次碼頭結(jié)構(gòu)實體質(zhì)量檢測的主要內(nèi)容有:碼頭結(jié)構(gòu)水上構(gòu)件外觀檢查、碼頭結(jié)構(gòu)水下構(gòu)件外觀檢查、碼頭結(jié)構(gòu)整體變形與變位、主要受力構(gòu)件的混凝土強度、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土碳化深度、鋼筋腐蝕電位、主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸復(fù)核、接岸擋墻等檢測項目。碼頭結(jié)構(gòu)常規(guī)檢測結(jié)果經(jīng)判定均符合《規(guī)范》要求,未見異常。常規(guī)檢測結(jié)果見表1。

表1 碼頭結(jié)構(gòu)常規(guī)檢測結(jié)果一覽表

2.3 碼頭結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核驗算

根據(jù)碼頭新增25 t-30 m門座式起重機、流動運輸車輛等荷載影響范圍及后續(xù)使用的實際情況,本次評估結(jié)構(gòu)復(fù)核驗算主要是對碼頭上部結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件(縱梁、軌道梁、連系梁、橫梁和立柱等)的承載力、裂縫寬度,以及碼頭下部基樁豎向承載力進(jìn)行驗算。碼頭結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖2所示。

圖2 碼頭單排架結(jié)構(gòu)示意圖

驗算結(jié)果表明:改變前沿裝卸設(shè)備及工藝后,碼頭軌道梁、縱梁、橫梁、連系梁、立柱及基樁在設(shè)計荷載作用下承載能力均能滿足規(guī)范要求,各主要受力構(gòu)件均具有足夠的承載能力,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗裂性能滿足規(guī)范要求。主要構(gòu)件驗算結(jié)果見表2～4。

表2 軌道梁截面彎矩及裂縫寬度復(fù)核結(jié)果表

表3 立柱抗彎、抗壓承載力及裂縫寬度復(fù)核結(jié)果表

表4 樁承載能力及裂縫寬度復(fù)核結(jié)果表

2.4 碼頭結(jié)構(gòu)載荷試驗

高樁梁板碼頭上幾乎所有的荷載都是通過橫梁傳遞至基樁,受力比較復(fù)雜。為確保碼頭安全穩(wěn)定的運行,判定改變前沿裝卸設(shè)備及工藝后的碼頭工作狀態(tài),選定碼頭橫梁進(jìn)行荷載試驗。通過局部結(jié)構(gòu)受力變形荷載試驗,其結(jié)果可反映碼頭結(jié)構(gòu)整體受力性狀,以此達(dá)到分析和推斷結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)的目的。采用數(shù)值模擬軟件建立計算模型,將碼頭荷載按最不利荷載組合等效轉(zhuǎn)換成汽車輪胎荷載,采用過磅稱重的載重汽車壓在碼頭面指定位置進(jìn)行加載。

根據(jù)碼頭使用實際情況,考慮最不利的荷載組合,25 t-30 m門座式起重機+55 t載重汽車,沖擊系數(shù)取1.3,門機支腿輪壓按最大輪壓250 kN的不利情況考慮。碼頭荷載試驗結(jié)構(gòu)選擇為:碼頭第11軸橫梁AB段作為試驗跨,在跨中布置1個測試截面A1。A1截面為11軸橫梁AB段最大正彎矩截面,即相應(yīng)工況的控制截面。本次安排1個試驗工況,分兩級進(jìn)行加載,以第二級為終極荷載。

(1)在橫梁A1截面布置豎向位移測點。位移測點布置于A1截面底部,共2個測點(為a點、b點)。

(2)在橫梁A1截面布置應(yīng)變測點。應(yīng)變測點均為單向測點,布置于橫梁底面及兩側(cè)面,底面采用鋼筋應(yīng)變片(1#點、2#點),其余采用混凝土電阻式應(yīng)變片測量(3#～12#點),A1截面共布置12個測點,如圖3所示。

本次碼頭結(jié)構(gòu)靜載試驗采用3輛(1#車、2#車、3#車)過磅稱重后的三軸載重汽車,分級進(jìn)行荷載加載(如圖4所示)。碼頭靜載試驗工況及試驗荷載效率如下頁表5所示。

注:圖中表示橫梁應(yīng)變測點,表示豎向位移(撓度)監(jiān)測測點圖3 試驗橫梁A1截面應(yīng)變、撓度測點布置圖(cm)

表5 碼頭荷載試驗工況及荷載試驗結(jié)果表

圖4 試驗橫梁AB段A1截面最大正彎矩試驗車平面布置圖(mm)

第二級終極荷載試驗下的試驗梁段截面撓度、應(yīng)變結(jié)果如下頁表6和圖5～7所示。

表6 第二級荷載下試驗梁段截面撓度、應(yīng)變結(jié)果表

注:圖中數(shù)據(jù)均為加載最后一級(滿載)時撓度圖5 試驗橫梁A1截面撓度橫向分布曲線圖

注:從下到上為1#、7#、6#、5#、4#、3#測點圖6 試驗橫梁A1截面中性軸位置分析圖

在試驗過程中,試驗梁段構(gòu)件未出現(xiàn)裂縫且無異常響聲或發(fā)生其他異常情況。在試驗荷載作用下,試驗梁段實測彈性撓度小于計算撓度,試驗梁段控制截面應(yīng)變沿高度分布符合平截面假定趨勢,碼頭(11軸橫梁AB段)主測截面的應(yīng)變和撓度校驗系數(shù)均<1.0,說明試驗梁段的整體剛度、強度滿足要求;主測截面在卸載后殘余撓度和殘余應(yīng)變最大分別為14.3%和3.4%,均<20%,說明結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下處于彈性受力狀態(tài)。綜上,碼頭(11軸橫梁AB段)的承載能力滿足《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1-2010)規(guī)定的設(shè)計荷載正常使用要求。試驗結(jié)果表明,碼頭結(jié)構(gòu)整體可靠,具有足夠的承載能力,改變前沿裝卸設(shè)備及工藝后不影響碼頭結(jié)構(gòu)安全性。

3 碼頭結(jié)構(gòu)評估

綜合碼頭結(jié)構(gòu)常規(guī)檢測結(jié)果、結(jié)構(gòu)復(fù)核驗算結(jié)果以及碼頭結(jié)構(gòu)載荷試驗結(jié)果可知:現(xiàn)狀碼頭工程質(zhì)量總體較好,外觀未見明顯的損傷,結(jié)構(gòu)材料未見明顯的劣化,未發(fā)現(xiàn)存在影響結(jié)構(gòu)承載力發(fā)揮的結(jié)構(gòu)缺陷和損傷,無明顯不均勻沉降、位移,結(jié)構(gòu)整體現(xiàn)狀穩(wěn)定可靠。

根據(jù)《規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定要求,本碼頭結(jié)構(gòu)安全性評估等級為A級,結(jié)構(gòu)適用性評估等級為B級,結(jié)構(gòu)耐久性評估等級為B級,在后期的使用中,建議業(yè)主加強碼頭主體結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測和定期檢查維護(hù)。

4 結(jié)語

(1)經(jīng)本次檢測評估,碼頭改變前沿裝卸設(shè)備及工藝升級后已投入使用較長一段時間,并已進(jìn)行多輪結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示,碼頭結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定,未見異常。業(yè)主反饋碼頭使用正常,表明本次碼頭結(jié)構(gòu)試驗檢測評估結(jié)果真實可靠。

(2)現(xiàn)階段高樁碼頭結(jié)構(gòu)的局部抽樣檢測具有一定的局限性,常規(guī)檢測數(shù)據(jù)難以全面反映結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量狀況和承載能力,建議在役高樁梁板碼頭進(jìn)行前沿裝卸設(shè)備升級及定期檢測評估時,要進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)荷載試驗,檢驗結(jié)構(gòu)真實的整體承載能力,確保檢測評估結(jié)果更加真實可靠,保障碼頭后期的使用安全。

(3)結(jié)構(gòu)荷載試驗檢測在橋梁領(lǐng)域廣泛使用,效果顯著,但在港口碼頭領(lǐng)域使用還比較少。建議在港口碼頭質(zhì)量檢驗規(guī)范修編中,將結(jié)構(gòu)載荷試驗作為一項高樁梁板碼頭試驗檢測手段,進(jìn)行推廣應(yīng)用。