基于鋼筋性能退化的板樁墻承載力研究

趙 藝 孫克俐 朱福明

（1.天津大學建筑工程學院 天津 300072； 2.天津港建設(shè)公司 天津 300461）

由于板樁碼頭結(jié)構(gòu)簡單、用料省、工程造價低、施工方便等優(yōu)點，在我國港口工程大規(guī)模發(fā)展的早期建造了很多，而今其中許多已服役數(shù)十年，并存在著不同程度的病損，其耐久性較差的特點日益顯露出來。

鑒于目前國內(nèi)外的研究成果多集中在對單個鋼筋混凝土構(gòu)件的結(jié)構(gòu)耐久性及使用壽命的理論、試驗及有限元分析等，將碼頭作為一個整體進行承載能力及使用壽命的分析，具有針對性的理論和應(yīng)用價值，是破損和老舊板樁碼頭能否繼續(xù)安全運行，以及升級改造與降級使用的重要而有效的參考依據(jù)，也為現(xiàn)役板樁碼頭的風險評估給予了時間概念上的數(shù)據(jù)支持。

筆者基于前人研究的各功能構(gòu)件的承載能力及性能退化模型、公式、試驗成果等，建立板樁碼頭樁土接觸二維模型，研究單錨板樁墻的時變受力狀態(tài)及其變化規(guī)律。

1 鋼筋性能退化模型的建立

鋼筋混凝土構(gòu)件的舊損形式主要有：①由銹蝕導致的鋼筋截面損失、屈服強度損失、彈性模量降低等；②混凝土保護層剝落等原因造成的混凝土截面損失；③銹蝕導致的鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能的退化。本文不考慮由于鋼筋銹蝕導致的鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的退化，即假定板樁墻經(jīng)過合理修復(fù)后與混凝土粘結(jié)完好。

1.1 鋼筋截面損失速率的推導

影響鋼筋銹蝕速率的因素很多，其銹蝕機理也比較復(fù)雜，本文依據(jù)前人的試驗分析結(jié)論，選取以混凝土銹脹裂縫寬度為中間變量的鋼筋銹蝕率－時間關(guān)系公式，得出鋼筋截面損失速率計算方法。

銹蝕裂縫寬度與時間的關(guān)系見文獻［1］。鋼筋銹蝕率與裂縫寬度的關(guān)系見文獻［2］。

基于上述文獻，在給定一個初始條件的情況下，即可推導出鋼筋截面損失率與時間的關(guān)系，即鋼筋的銹蝕速率。后續(xù)推導和有限元建模計算即建立在此基礎(chǔ)上。

1.2 銹蝕鋼筋的屈服強度

取最不利情況下，即海水浪濺區(qū)環(huán)境條件下，二級鋼筋銹蝕率與屈服強度、極限強度的關(guān)系見文獻［3］。

1.3 銹蝕鋼筋的彈性模量

選取人工氣候環(huán)境加速條件下試驗所得的鋼筋彈性模量與銹蝕率關(guān)系見文獻［4］。

基于上述推導，設(shè)從剛剛開裂到銹脹裂縫擴展到0.1 mm所用的時間為1年，即可推導出不同年份下的鋼筋銹蝕率及對應(yīng)的鋼筋性能參數(shù)。由于在實際工程銹蝕條件下的相關(guān)試驗統(tǒng)計結(jié)果顯示，直徑較大的變形鋼筋屈服平臺消失的臨界銹蝕率為20%［5］，故本文僅考慮在此范圍內(nèi)的鋼筋性能退化數(shù)據(jù)。據(jù)此鋼筋性能退化模型對后續(xù)的單錨板樁碼頭樁土接觸二維模型進行舊損處理。

2 板樁墻時變受力狀態(tài)計算

2.1 單錨板樁碼頭樁土接觸二維模型的建立

首先建立初始狀態(tài)下的單錨板樁碼頭模型，其幾何尺寸見圖1，相應(yīng)土層參數(shù)見表1，各構(gòu)件物理性質(zhì)見表2。取一個結(jié)構(gòu)段（1.2 m）進行建模，即以拉桿為中心，向兩側(cè)分別延伸0.6 m。

圖1 板樁碼頭斷面簡圖

表1 有限元計算土層參數(shù)表

表2 有限元計算材料參數(shù)表

2.1.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件

為便于控制網(wǎng)格劃分位置及網(wǎng)格疏密分布，先采用線網(wǎng)格控制方式，掃掠生成六面體網(wǎng)格。

本模型為靜態(tài)分析，邊界條件的設(shè)置為土體左右兩側(cè)約束水平位移和土體底部約束全部位移，模型前后界面設(shè)置為對稱約束［6］。

2.1.2 碼頭荷載

模型主要考慮碼頭面堆載、最不利情況下的波吸力［7］以及結(jié)構(gòu)與土體的自重荷載［8］，并設(shè)置不同荷載分步加載。假定板樁墻部分設(shè)置了排水孔，故不考慮剩余水壓力。

2.2 基于鋼筋性能退化的計算結(jié)果

基于鋼筋銹蝕速率及性能退化模型，選取10年為間隔，考察板樁墻在鋼筋銹蝕開裂后不同舊損情況下的受力狀態(tài)變化規(guī)律。各年份鋼筋銹蝕情況下板樁墻水平變形曲線，海側(cè)鋼筋軸向應(yīng)變曲線，最大彎矩截面混凝土應(yīng)變、應(yīng)力曲線見圖2～圖5。

圖2 板樁墻水平變形曲線

圖3 板樁海側(cè)鋼筋軸向應(yīng)變曲線

圖4 板樁最大彎矩截面混凝土正應(yīng)變曲線

圖5 板樁最大彎矩截面混凝土正應(yīng)力曲線

由圖2可見，隨著鋼筋銹蝕程度隨年份增加，板樁墻水平最大位移逐漸向海側(cè)增大，且隨時間增速加快。板樁底端幾乎無位移，仍處于彈性嵌固狀態(tài)。板樁頂端由于拉桿力的牽引，在一定范圍內(nèi)向陸側(cè)移動。板樁整體變形幅度增大，且受拉區(qū)混凝土開裂程度加劇。

由圖3可見，隨著鋼筋銹蝕性能退化，板樁墻鋼筋正應(yīng)變有所增加，這是因為鋼筋性能退化造成板樁墻整體剛度減小，變形程度加劇。而混凝土開裂后開裂區(qū)的拉力主要由鋼筋承擔，故開裂后鋼筋應(yīng)變的增幅也有所提高。

由圖4可見，板樁墻最大彎矩截面的混凝土拉、壓應(yīng)變隨著鋼筋銹蝕及板樁墻混凝土拉裂逐漸增加且增幅加大；而在同一鋼筋性能情況內(nèi)，海側(cè)拉裂區(qū)的混凝土拉應(yīng)變較其他區(qū)域增長較慢。前者是由于超過屈服狀態(tài)后的混凝土，拉應(yīng)變隨應(yīng)力增長加快，而后者是由于拉裂后開裂區(qū)混凝土的應(yīng)力相比其余區(qū)域相對得到釋放，這從圖5中也可以明顯看出。此外，圖5還表明，當板樁墻跨中開裂后，截面的中和軸隨開裂加劇向陸側(cè)移動，且在開裂區(qū)附近的混凝土應(yīng)力集中現(xiàn)象增大，未裂區(qū)域的混凝土最大拉、壓應(yīng)力仍隨鋼筋性能退化而逐漸增大。

圖6給出了跨中最大彎矩截面鋼筋與其周圍混凝土正應(yīng)變隨著結(jié)構(gòu)舊損時間的變化曲線。從曲線的變化趨勢可以看出，隨著鋼筋銹蝕程度加重，鋼筋與混凝土最大正應(yīng)變均呈增長趨勢，且增幅逐漸增大。雖然本文solid65單元采用的是彌散裂縫模型，不能精確計算拉裂處裂縫寬度值，但通過拉裂后對應(yīng)區(qū)域混凝土與鋼筋的應(yīng)變差值，可以定性地判斷對應(yīng)拉裂區(qū)的裂縫寬度的變化趨勢。比較跨中最大彎矩截面鋼筋與混凝土正應(yīng)變可以發(fā)現(xiàn)，在開裂后混凝土最大應(yīng)變值一直大于鋼筋，且差值隨著時間逐漸增大，可見隨著鋼筋性能退化進而板樁墻的變形幅度增大，開裂區(qū)的裂縫寬度總體呈增長趨勢。這不僅對碼頭整體安全不利，更會加劇鋼筋的局部銹蝕，使鋼筋易出現(xiàn)應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)整體延性有所減低。

圖6 板樁最大彎矩截面混凝土、鋼筋正應(yīng)變對比圖

圖7 最大彎矩截面、拉桿截面鋼筋處混凝土正應(yīng)變

結(jié)合圖7及模型運算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在板樁墻整體受力狀態(tài)變化的過程中，最大彎矩截面及拉桿作用區(qū)域的混凝土均不同程度地拉裂，且跨中拉裂區(qū)混凝土應(yīng)變及其增幅均大于拉桿處。這說明在板樁墻舊損過程中，主要破壞發(fā)生在跨中最大彎矩截面附近拉裂區(qū)。但由于拉桿處的應(yīng)力集中程度較大，故該處混凝土后期開裂速率較自身前期開裂速率增幅很大的現(xiàn)象不容忽視，也應(yīng)在板樁墻舊損過程中對此進行觀察監(jiān)測。

3 結(jié)論

（1）隨鋼筋銹蝕性能退化，板樁墻變形程度逐漸增大，且在跨中混凝土拉裂出現(xiàn)橫向裂縫之后板樁墻變形增幅加大。這反映出，隨著銹蝕開裂后年份的增加，板樁墻抗彎能力逐漸下降，應(yīng)注意對跨中拉裂區(qū)域的位移進行監(jiān)測，以防結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移失效。還需考慮由于不同結(jié)構(gòu)段板樁的不均勻銹蝕導致其變形幅度不同，不利于板樁間的相互連接，造成鎖扣脫節(jié)、漏沙等不利于碼頭整體穩(wěn)定的現(xiàn)象。

（2）隨著板樁墻整體受力狀態(tài)的變化，主要受拉區(qū)域鋼筋、混凝土的軸向應(yīng)變均不同程度地增大，且在跨中混凝土拉裂后，鋼筋正應(yīng)變的增速明顯加快，而跨中最大彎矩截面混凝土與鋼筋對應(yīng)處的差值也明顯增加?？梢娀炷灵_裂后，拉應(yīng)力主要由鋼筋承擔，且隨著鋼筋性能退化，跨中混凝土裂縫逐漸擴展并增大。

（3）板樁墻跨中最大彎矩截面的混凝土拉裂及裂縫擴展隨鋼筋性能退化的變化最為明顯，應(yīng)作為主要破壞予以關(guān)注。但在鋼筋銹蝕加重的后期，由于板樁整體剛度降低，拉桿力作用處的受拉區(qū)域也產(chǎn)生了一定程度的開裂，且應(yīng)變增幅較自身前期變化明顯。所以，在后期對板樁墻拉桿錨定部位的檢查和修復(fù)需要注意。

（4）綜合以上分析可見，板樁墻的受力狀態(tài)在鋼筋性能退化過程中是有所變化的，且隨著舊損加重其受力狀態(tài)變化幅度更加明顯，結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)也會增加。因此，應(yīng)考慮在設(shè)計初期優(yōu)化板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計或連接部位處理等，使板樁受力分布狀態(tài)不會隨結(jié)構(gòu)舊損而產(chǎn)生大幅度的變化和應(yīng)力集中，這將幫助延長板樁碼頭在銹蝕開裂后的使用壽命，提高舊損板樁碼頭安全度。

［1］ 惠云玲.混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕耐久性損傷評估及壽命預(yù)測方法［J］.工業(yè)建筑，1997，27（6）：19-22.

［2］ 惠云玲.混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕程度評估和預(yù)測試驗研究［J］.工業(yè)建筑，1997，27（6）：6-9.

［3］ 沈德建.海水浪濺下混凝土中銹蝕鋼筋性能試驗研究及仿真分析［J］.工業(yè)建筑，2005，35（3）：58-61.

［4］ 吳 慶，袁迎曙.銹蝕鋼筋力學性能退化規(guī)律試驗研究［J］.土木工程學報，2008，41（12）：42-47.

［5］ 張偉平，商登峰，顧祥林.銹蝕鋼筋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究［J］.同濟大學學報，2004，34（5）：586-591.

［6］ 蔣國棟.板樁碼頭的ANSYS有限元分析［J］.中國水運，2009（9）：81-83.

［7］ JTJ213－98海港水文規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，1998.

［8］ JTJ215－98港口工程荷載規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，1998.