高樁碼頭基樁損傷檢測(cè)技術(shù)研究與展望

周楠，蘇靜波*，吳鋒，朱瑞虎，尹璐

高樁碼頭基樁損傷檢測(cè)技術(shù)研究與展望

周楠1，蘇靜波1*，吳鋒2，朱瑞虎1，尹璐1

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海200030）

高樁碼頭基樁的損傷檢測(cè)技術(shù)對(duì)于高樁碼頭的安全長(zhǎng)期使用具有十分關(guān)鍵的作用，對(duì)基樁損傷的位置、程度的識(shí)別與判定有利于及時(shí)對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)與加固?；鶚稉p傷的檢測(cè)方法多種多樣，文中首先簡(jiǎn)要介紹了傳統(tǒng)的基樁檢測(cè)方法及其局限性，而后闡述了基于動(dòng)力的基樁損傷檢測(cè)方法及其發(fā)展，最后對(duì)高樁碼頭基樁損傷檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

高樁碼頭；基樁；損傷檢測(cè)；動(dòng)力

0 引言

我國(guó)港口工程領(lǐng)域中老舊高樁碼頭大量存在，由于船舶撞擊、岸坡變形、強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)震等因素的影響，這些老碼頭普遍存在著損傷破壞的問題。作為碼頭上部的主要受力構(gòu)件，基樁對(duì)碼頭的安全長(zhǎng)期使用起著關(guān)鍵性的作用。因此要想確保高樁碼頭結(jié)構(gòu)的整體承載能力，必須提高基樁損傷檢測(cè)技術(shù)的有效性和檢測(cè)結(jié)果的可靠性。由于碼頭基樁自身的復(fù)雜性和不確定性，以及損傷的高度隱蔽性，急需采用有效手段對(duì)損傷進(jìn)行檢測(cè)，本文將對(duì)目前高樁碼頭基樁損傷檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行綜述與展望。

1 傳統(tǒng)基樁檢測(cè)方法及其局限性

1.1 靜載法

靜載法是指將靜止荷載作用于待測(cè)構(gòu)件的指定位置，建立靜力平衡方程，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果得到構(gòu)件剛度、靜位移、靜應(yīng)變等參數(shù)來(lái)判別該構(gòu)件的損傷。靜載法測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)試效率低，測(cè)試費(fèi)用高，設(shè)備笨重，且會(huì)對(duì)構(gòu)件造成一定損傷，因此靜載法在實(shí)際工程應(yīng)用中有一定局限性，對(duì)于上部有梁板結(jié)構(gòu)的高樁碼頭基樁檢測(cè)難以實(shí)施。

1.2 鉆孔取芯法

鉆孔取芯法通過(guò)檢測(cè)樁長(zhǎng)、樁身混凝土強(qiáng)度、樁底沉渣厚度、樁底持力層情況以及巖土特性等，來(lái)判斷基樁樁身是否損傷，可直觀可靠地反映基樁樁身的完整性。鉆孔取芯法需在樁身鉆孔取樣進(jìn)行壓力檢測(cè)，受取樣面積的影響，無(wú)法有效全面地檢測(cè)基樁局部缺陷和水平裂縫，存在一定的盲區(qū)，故只適用于損傷面積較大的基樁檢測(cè)。而且，鉆孔取芯法所需的成本較高，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷，在工程應(yīng)用中受到較大的限制。

1.3 超聲波法

超聲波法將聲測(cè)管預(yù)埋在樁的兩側(cè)，分別發(fā)射和接收超聲波。由于基樁混凝土厚度可以通過(guò)量測(cè)得到，再根據(jù)實(shí)測(cè)的超聲波傳播時(shí)間，便可計(jì)算出超聲波在混凝土中的傳播速度，由基樁的波速、波幅以及波形的變化情況可判斷基樁的損傷情況，分析缺陷的位置及大小?；炷撩軐?shí)程度越高，超聲波傳播速度越大；相反，密實(shí)程度越低，或混凝土存在孔洞缺陷等，超聲波傳播速度越小，由此可判斷基樁損傷情況。超聲波法不受基樁樁身尺寸限制，可通過(guò)采用密測(cè)、掃測(cè)等方法減少檢測(cè)盲區(qū)。但是，超聲波法須預(yù)埋聲測(cè)管，成本高，操作繁瑣，對(duì)缺陷難以進(jìn)行定量分析，故難以大量使用，該方法主要適用于灌注樁的檢測(cè)。

1.4 應(yīng)力反射波法

應(yīng)力反射波法是一種實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、便捷的基樁無(wú)損檢測(cè)方法，目前廣泛應(yīng)用于基樁損傷的判斷和識(shí)別。

1.4.1 高應(yīng)變反射波法

高應(yīng)變反射波法假定基樁是一維的線彈性桿體，通過(guò)測(cè)量基樁樁頂因外界激振作用產(chǎn)生的應(yīng)力波來(lái)判定基樁樁身是否損傷。

高應(yīng)變反射波法儀器設(shè)備輕便，檢測(cè)速度快，費(fèi)用低，不僅可以檢測(cè)樁身的結(jié)構(gòu)完整性，還可分析沉樁能力，區(qū)分沉降是土的變形還是樁身結(jié)構(gòu)破壞引起的。柴華友等[1]通過(guò)平臺(tái)模型樁及護(hù)坡樁實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波在平臺(tái)-樁系統(tǒng)中傳播情況復(fù)雜，根據(jù)平臺(tái)實(shí)測(cè)波形特征很難判斷平臺(tái)下基樁完整性。而由于高應(yīng)變反射波法沖擊能量大，且沖擊力持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，各種應(yīng)力波發(fā)生重疊，帽、梁、面板等上部結(jié)構(gòu)的影響更為顯著，這對(duì)基樁樁身上部的損傷識(shí)別是不利的。

1.4.2 低應(yīng)變反射波法

低應(yīng)變反射波法采用低能量激振作用，使待測(cè)基樁在線彈性范圍內(nèi)作低幅振動(dòng)，測(cè)得樁頂速度，然后通過(guò)波動(dòng)理論或頻域處理數(shù)據(jù)技術(shù)理論進(jìn)行分析，來(lái)判定樁身是否損傷。

低應(yīng)變反射波法儀器設(shè)備便攜，檢測(cè)效率高，成本低，且理論模型成熟，被廣泛應(yīng)用于基樁損傷檢測(cè)中。但是，由于受激振能量、樁周土約束、傳感器等因素的影響，應(yīng)力波在反射過(guò)程中能量急速衰減，因此該法受到基樁樁長(zhǎng)的限制，無(wú)法對(duì)深部缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)。不僅如此，對(duì)于多缺陷樁，低應(yīng)變反射波法一般只能測(cè)到由樁頂向下的第一處缺陷，無(wú)法有效檢測(cè)漸變?nèi)毕莸念愋汀?/p>

低應(yīng)變反射波法又分為低應(yīng)變縱波檢測(cè)和低應(yīng)變扭轉(zhuǎn)波檢測(cè)。季勇志等[2]運(yùn)用LS-DYNA顯式分析方法對(duì)這兩種方法分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，扭轉(zhuǎn)波檢測(cè)可有效避開基樁上部結(jié)構(gòu)的干擾，缺陷靈敏度更高，但是扭轉(zhuǎn)波較縱波衰減快，且加載產(chǎn)生純扭矩較難實(shí)現(xiàn)。

2 基于動(dòng)力的基樁損傷檢測(cè)的方法和發(fā)展

2.1 時(shí)域分析和頻域分析

時(shí)域分析以時(shí)間為基本計(jì)量單位，考察在特定時(shí)間段結(jié)構(gòu)在荷載作用下的響應(yīng)，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。時(shí)域分析法采用原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采集到的信號(hào)無(wú)需轉(zhuǎn)換，也不受任何變換函數(shù)的假定條件限制。但是，時(shí)域分析中易采集到誤差較大的信號(hào)，以致特征信號(hào)難以識(shí)別，且計(jì)算量巨大。

頻域分析通過(guò)對(duì)時(shí)域信號(hào)的變換和提取獲得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，其信號(hào)圖譜容易取得，但缺點(diǎn)是頻域分析法需對(duì)采集的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換，變換過(guò)程將不可避免地帶來(lái)一定的誤差。

2.2 動(dòng)力指紋法

動(dòng)力指紋法是尋找與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性相關(guān)的動(dòng)力指紋，通過(guò)動(dòng)力指紋的變化判斷結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況，常用的動(dòng)力指紋包括：頻率、振型、曲率模態(tài)、柔度差陣、模態(tài)應(yīng)變能等。

2.2.1 頻率指紋法

頻率指紋方法通過(guò)實(shí)測(cè)固有頻率確定結(jié)構(gòu)損傷。1975年，Cawley和Adams[3]最早將固有頻率作為損傷指標(biāo)，用以檢測(cè)纖維復(fù)合材料中的裂紋，之后也在懸臂梁、鋼桁架及板結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別中予以應(yīng)用。該法測(cè)試精度較高、實(shí)測(cè)固有頻率比較容易得到，且頻率與測(cè)點(diǎn)位置無(wú)關(guān)；但對(duì)于具有相同頻率的對(duì)稱位置的損傷，檢測(cè)較為困難。而且大量試驗(yàn)表明，固有頻率的變化對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的敏感性較低，對(duì)大型的土木工程結(jié)構(gòu)更不明顯，且無(wú)法定位損傷。

2.2.2 曲率模態(tài)指紋法

曲率模態(tài)本質(zhì)上是一種應(yīng)變模態(tài)，結(jié)構(gòu)破損時(shí)，破損處剛度降低，振型曲率增大。1991年，Pandy等[4]通過(guò)懸臂梁和簡(jiǎn)支梁驗(yàn)證分析，發(fā)現(xiàn)模態(tài)振型曲率的變化對(duì)結(jié)構(gòu)損傷很敏感，故可根據(jù)振型曲率的變化分析損傷位置。然而，Ho和Ewins[5]的研究卻發(fā)現(xiàn)振型曲率的測(cè)量誤差會(huì)在中心差分法過(guò)程中被放大，這就使得損傷識(shí)別結(jié)果的可靠性降低。因此采用該法需布置足夠多的測(cè)點(diǎn)，且測(cè)點(diǎn)位置要足夠接近，才能避免曲率模態(tài)振型產(chǎn)生較大誤差。

2.2.3 柔度差陣法

柔度差陣法是一種基于模態(tài)分析的損傷識(shí)別方法，該方法只需要測(cè)量基樁的幾個(gè)低階模態(tài)參數(shù)和頻率就可判定損傷位置，這是因?yàn)樵谀B(tài)滿足歸一化的前提下，柔度矩陣是頻率的倒數(shù)和振型的函數(shù)，隨著頻率的增大，可忽略柔度矩陣中高頻率的倒數(shù)的影響，這就避免了由于高階模態(tài)的難以測(cè)量產(chǎn)生的誤差。RaghaVendraChar和Aktan[6]通過(guò)對(duì)一個(gè)三跨混凝土橋梁進(jìn)行數(shù)值分析和研究，發(fā)現(xiàn)了相較于固有頻率或振型，模態(tài)柔度對(duì)構(gòu)件的局部損傷更加靈敏。Pandey和Biswas[7]提出將柔度的改變量作為損傷識(shí)別因子，研究結(jié)果亦表明模態(tài)柔度具有更高的損傷靈敏度，且僅利用前幾個(gè)低階模態(tài)參數(shù)便可識(shí)別損傷位置。楊華[8]通過(guò)對(duì)懸臂梁在損傷情況下的數(shù)值模擬也驗(yàn)證了利用柔度矩陣進(jìn)行損傷定位這種方法的有效性。由于損傷前后模態(tài)可能會(huì)發(fā)生躍遷，導(dǎo)致同一階次的模態(tài)在損傷前后并不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這將會(huì)造成損傷識(shí)別的不準(zhǔn)確。

2.2.4 模態(tài)應(yīng)變能法

模態(tài)應(yīng)變能法將損傷前后單元應(yīng)變能的變化作為損傷因子來(lái)識(shí)別損傷。1988年，Chen[9]最早提出模態(tài)應(yīng)變能這一概念，通過(guò)計(jì)算模態(tài)應(yīng)變能來(lái)識(shí)別損傷單元。Stubbs等[10]利用兩個(gè)結(jié)構(gòu)自由度的模態(tài)應(yīng)變能之差來(lái)識(shí)別一維梁存在的損傷。Cornwell等[11]將該方法從一維梁擴(kuò)展到二維板的損傷識(shí)別中。Shi[12-14]通過(guò)對(duì)1個(gè)兩層平面鋼架的研究證明了將結(jié)構(gòu)單元應(yīng)變能的變化作為損傷識(shí)別因子的方法是有效的。孫熙平[15]首次提出將模態(tài)應(yīng)變能法應(yīng)用于高樁碼頭基樁損傷檢測(cè)中，通過(guò)對(duì)高樁碼頭的一個(gè)排架進(jìn)行研究分析，對(duì)不同工況下基樁的損傷進(jìn)行了診斷，得出了模態(tài)應(yīng)變能變化率對(duì)損傷單元具有較強(qiáng)的敏感性，能夠識(shí)別不同工況下高樁碼頭基樁的損傷的結(jié)論。但是在采用模態(tài)應(yīng)變能法時(shí)，易對(duì)損傷較輕的單元和緊鄰損傷較為嚴(yán)重的單元造成誤判。

2.3 模型修正法

由于所建理論模型的結(jié)構(gòu)誤差、參數(shù)誤差、階次誤差[16-19]，需對(duì)理論模型進(jìn)行一定的修正。而模型修正法就是通過(guò)一定的條件對(duì)直接或間接測(cè)得的模態(tài)參數(shù)、加速度記錄、頻域函數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化約束，不斷修正模型中的剛度分布，從而得到基樁構(gòu)件剛度變化的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)基樁損傷的檢測(cè)和判斷。張啟偉等[20]基于有限元模型修正技術(shù)，并利用結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的損傷診斷，取得了較為理想的結(jié)果。Kim[21]先通過(guò)優(yōu)化模型修正法進(jìn)行損傷定位，再用靈敏度法識(shí)別損傷，也取得較好的效果。王樂等[22]提出一種基于結(jié)構(gòu)自振頻率修正結(jié)構(gòu)剛度矩陣的方法，該方法只需要獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率，大大降低了計(jì)算量。

測(cè)試過(guò)程中，由于模態(tài)不完備、自由度不足及噪聲較高等原因，易產(chǎn)生病態(tài)方程導(dǎo)致解的不唯一。因此，采用該法時(shí)需處理有限元模型詳細(xì)分析與相對(duì)離散信息之間的不匹配問題。

2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)人腦思維方式的某種簡(jiǎn)化、抽象和模擬。通過(guò)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析、理論分析或響應(yīng)測(cè)試，得到結(jié)構(gòu)在完好和損傷狀態(tài)下的某幾種動(dòng)態(tài)特性或響應(yīng)，然后從中提取有效數(shù)據(jù)作為相應(yīng)的損傷識(shí)別指標(biāo)，最后以損傷識(shí)別指標(biāo)作為網(wǎng)絡(luò)輸入，以與之相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)識(shí)別結(jié)果為網(wǎng)絡(luò)輸出，就構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練所需的輸入-輸出模式，建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，便可通過(guò)對(duì)比與匹配數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)識(shí)別損傷。1995年，Barai和Pandy[23]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)動(dòng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，對(duì)一剛桁架橋進(jìn)行了損傷評(píng)估。1999年，王成華和趙志成[24]通過(guò)在輸入層和隱含層間增設(shè)一個(gè)過(guò)渡層改進(jìn)BP網(wǎng)絡(luò)模型，使該模型精度提高。尹娟等[25]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用時(shí)域數(shù)據(jù)對(duì)1座5層框結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷評(píng)估，結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別具有較好的適應(yīng)性。

原始數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性和算法的可靠性決定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的有效性，因此必須保證樣本的合理分布和高質(zhì)量，才能確保人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)基樁的損傷作出快速準(zhǔn)確的判斷和識(shí)別。

3結(jié)論與展望

部分高樁碼頭結(jié)構(gòu)因承受著多樣的荷載以及外部環(huán)境的侵蝕而損傷嚴(yán)重，如若不能及時(shí)檢測(cè)和維護(hù)，將會(huì)影響碼頭整體的承載性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懘a頭使用的安全性、穩(wěn)定性和耐久性。因此對(duì)于基樁損傷位置及程度的識(shí)別，其重要性不言而喻。目前，傳統(tǒng)的高樁碼頭基樁損傷檢測(cè)方法大多需將結(jié)構(gòu)破損，且成本高，操作不便，檢測(cè)結(jié)果可靠性較低。而基于動(dòng)力的基樁損傷檢測(cè)方法極具發(fā)展前景，它無(wú)需將結(jié)構(gòu)破損，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)施加激勵(lì)，由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的輸入和輸出確定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性，由該動(dòng)力特性反推出結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度變化等信息，該方法的現(xiàn)場(chǎng)工作量小、試驗(yàn)時(shí)間短、經(jīng)濟(jì)成本較低，最重要的是可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，受到了眾多研究者的廣泛關(guān)注。當(dāng)然，該方法仍存在許多問題，譬如最優(yōu)損傷指標(biāo)的確定、傳感器的布置、外界因素干擾的排除等等。因此，高樁碼頭基樁損傷檢測(cè)的主要發(fā)展趨勢(shì)分析如下：

1）使基樁損傷檢測(cè)走向智能化。由于基樁損傷問題普遍存在，而對(duì)基樁的檢測(cè)和維護(hù)又是一個(gè)艱辛繁雜的過(guò)程，檢測(cè)人員需到碼頭下部對(duì)基樁進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于水下基樁甚至需潛入水中，這樣做極其消耗人力、物力、財(cái)力。因而基樁損傷檢測(cè)走向智能化的趨勢(shì)不可避免。

2）對(duì)于極微小損傷的有效檢測(cè)。對(duì)于大型的復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的微小損傷難以檢測(cè)。如何更有效地檢測(cè)出結(jié)構(gòu)的微小損傷，仍有待進(jìn)一步研究。

3）所檢測(cè)、識(shí)別出的損傷對(duì)高樁碼頭使用壽命的影響判斷。目前大多基樁檢測(cè)手段只能對(duì)基樁損傷進(jìn)行檢測(cè)定位，而不能對(duì)高樁碼頭的使用壽命進(jìn)行判別。因此如何通過(guò)檢測(cè)出的損傷對(duì)碼頭使用壽命進(jìn)行判別和預(yù)測(cè)，需要進(jìn)一步研究和解決。

4）減小誤差的影響。譬如提高信號(hào)處理器的除噪技術(shù)，盡量排除外界因素的干擾，減小誤差，提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

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Research and prospects of damage detection technology of high-piled wharf piles

ZHOU Nan1,SU Jing-bo1*,WU Feng2,ZHU Rui-hu1,YIN Lu1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China; 2.CCCC Shanghai Third Harbor Engineering Science&Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200030,China）

Damage detection technologies of high-piled wharf piles play an important role in the safe and long-term use progress.To identify and judge the location and degree of pile damage is beneficial for people to repair and reinforce high-piled wharf structures timely.Damage testing technologies of high-piled wharf piles are varied.In this paper,we briefly introduced the traditional pile foundation inspection methods and their limitations at first,and then clarified the methods based on dynamic damage detection and their development.Finally,the damage detection technologies of high-piled wharf piles are summarized and proposed.

high-piled wharf;foundation piles;damage detection;dynamic

U656.113

A

2095-7874（2017）08-0019-04

10.7640/zggwjs201708005

2017-02-19

2017-05-02

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51679081）

周楠（1996—），女，江蘇鹽城人，從事高樁碼頭結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)與評(píng)估方面工作。

*通訊作者：蘇靜波，E-mail：jbsu@hhu.edu.cn