在役碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估現(xiàn)狀與展望

李沛，李東軍

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

碼頭結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中不斷出現(xiàn)的材料劣化和功能降低現(xiàn)象，導(dǎo)致其原有靠泊能力堪憂，科學(xué)、合理地檢測(cè)和評(píng)估在役碼頭結(jié)構(gòu)的安全性、使用性和耐久性已是實(shí)際的工程需要。

工程結(jié)構(gòu)的檢測(cè)評(píng)估起源于20世紀(jì)四五十年代，在經(jīng)歷結(jié)構(gòu)損傷缺陷原因及相應(yīng)維護(hù)修繕解決辦法研究和結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)及評(píng)估方法研究的兩階段后，自20世紀(jì)80年代起，一系列檢測(cè)與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范相繼制定并實(shí)施，知識(shí)工程被引入，工程結(jié)構(gòu)的檢測(cè)評(píng)估向智能化的方向邁進(jìn)。碼頭結(jié)構(gòu)是工程結(jié)構(gòu)的一種，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，自20世紀(jì)70年代起，我國(guó)開始逐漸重視對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、評(píng)估[1]。直至2006年，國(guó)內(nèi)首本涉及港口碼頭水工結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估的規(guī)范JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》[2]頒布，并于2007年正式實(shí)施。

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，節(jié)約岸線資源，保證船舶靠泊安全，適應(yīng)船舶大型化發(fā)展的要求[3]，交通運(yùn)輸部在2006—2008年前期試點(diǎn)的基礎(chǔ)上，于2009年正式發(fā)布《關(guān)于沿海港口碼頭結(jié)構(gòu)加固改造有關(guān)事宜的通告》[4]，通告規(guī)定截止2012年底對(duì)符合條件的碼頭泊位進(jìn)行加固改造，通過(guò)靠泊能力論證后可靠泊不超過(guò)原泊位設(shè)計(jì)最大代表船型2級(jí)的船舶。

2013年，新版《港口設(shè)施維護(hù)技術(shù)規(guī)范》頒布實(shí)施，編號(hào)由JTJ/T 289—97更新為JTS 310—2013[5]，由推薦性標(biāo)準(zhǔn)提升為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)按照系統(tǒng)管理的理念，明確了港口設(shè)施維護(hù)的主要環(huán)節(jié)和重要管理內(nèi)容，使得港口碼頭水工結(jié)構(gòu)的檢測(cè)評(píng)估更加有章可循，檢測(cè)與評(píng)估活動(dòng)呈現(xiàn)常態(tài)化，開始受到管理和運(yùn)營(yíng)部門的普遍重視。

文中從解決的實(shí)際問(wèn)題、檢測(cè)評(píng)估基本流程、檢測(cè)內(nèi)容和方法、檢測(cè)與評(píng)估的關(guān)系、評(píng)估參數(shù)限值、評(píng)估方法6個(gè)方面分析和闡述碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估的研究現(xiàn)狀，指出存在的問(wèn)題并提出3點(diǎn)對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向的思考，為碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估研究提供參考。

1 解決的實(shí)際問(wèn)題

《港口水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》中將檢測(cè)與評(píng)估定義為檢驗(yàn)已有結(jié)構(gòu)在未來(lái)使用中的可靠性而開展的一系列活動(dòng)，目的是通過(guò)采用檢測(cè)手段及時(shí)掌握碼頭結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果評(píng)估其在正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種作用而保持安全的性能（安全性）、滿足預(yù)定使用要求的性能（使用性）和在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)隨時(shí)間變化而仍能滿足預(yù)定功能要求的性能（耐久性），其意義在于最終為管理和運(yùn)營(yíng)部門對(duì)其做出相應(yīng)維護(hù)決策提供技術(shù)依據(jù)。

《港口水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》和JTS 310—2013《港口設(shè)施維護(hù)技術(shù)規(guī)范》兩本規(guī)范對(duì)維護(hù)策略的劃分略有不同。前者根據(jù)A、B、C、D 4個(gè)評(píng)定等級(jí)依次劃分為不必采取措施、可不采取措施、及時(shí)進(jìn)行修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)和立即進(jìn)行修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)或報(bào)廢。而后者根據(jù)一類（好）、二類（較好）、三類（較差）、四類（差）、五類（危險(xiǎn)）5種技術(shù)類別（狀態(tài)）劃分為保養(yǎng)、小修、中修、大修或報(bào)廢、拆除。

2 檢測(cè)與評(píng)估的基本流程

檢測(cè)與評(píng)估的基本流程如圖1所示。必須強(qiáng)調(diào)的是：

1）當(dāng)碼頭結(jié)構(gòu)的外觀破損、結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形與變位及其材料性能劣化影響到其安全和使用時(shí)，安全性和使用性評(píng)估分級(jí)是必須的。

2）應(yīng)以檢測(cè)與評(píng)估目的為最終目標(biāo)開展相應(yīng)的檢測(cè)活動(dòng)，并應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)的要求，檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)能支撐得出相應(yīng)的檢測(cè)與評(píng)估結(jié)論。

3 檢測(cè)現(xiàn)狀

3.1 檢測(cè)內(nèi)容

在碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)內(nèi)容方面目前已經(jīng)形成較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，即主要關(guān)注碼頭結(jié)構(gòu)的外觀破損狀況、結(jié)構(gòu)變形與變位情況、結(jié)構(gòu)材料性能的劣化狀況及環(huán)境狀況。

《港口設(shè)施維護(hù)技術(shù)規(guī)范》根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)的不同形式，分別制定出不同的檢測(cè)項(xiàng)目、內(nèi)容?！陡劭诖a頭結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)與評(píng)估指南》等[6-7]將碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)參數(shù)具體劃分為11項(xiàng)（構(gòu)件外觀、碼頭結(jié)構(gòu)的整體變形與變位、鋼筋混凝土各項(xiàng)性能參數(shù)、鋼結(jié)構(gòu)、地基與基礎(chǔ)、接岸結(jié)構(gòu)、后方回填工程、岸坡、軌道、?？看胺雷o(hù)設(shè)施和碼頭前沿水深和沖淤）共計(jì)40個(gè)參數(shù)。

《港口水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》、JTS 105-1—2011《港口建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》[8]和SL 59—2015《河流冰清觀測(cè)規(guī)范》[9]等對(duì)碼頭前沿和設(shè)計(jì)水域的環(huán)境條件調(diào)查內(nèi)容做了較為詳細(xì)的制定，其具體檢測(cè)參數(shù)亦不少于20個(gè)。

3.2 檢測(cè)方法

檢測(cè)方法與檢測(cè)技術(shù)密切相關(guān)：外觀破損檢測(cè)主要以目測(cè)、敲擊等方式探明檢測(cè)構(gòu)件的破損位置和破損形態(tài)，輔以顯微鏡、塞尺、鋼尺、卷尺等儀器和測(cè)量工具以量化外觀破損程度；結(jié)構(gòu)的變形與變位檢測(cè)主要采用全站儀/GPS、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器測(cè)量布置于結(jié)構(gòu)表面特定測(cè)點(diǎn)的三維、平面、高程坐標(biāo)，與碼頭特定時(shí)期（竣工驗(yàn)收期、某一觀測(cè)期）的相應(yīng)坐標(biāo)比較，判斷其變化程度和趨勢(shì)，對(duì)于一般性水工建筑物，觀測(cè)精度應(yīng)至少滿足三等觀測(cè)等級(jí)[10]；結(jié)構(gòu)材料性能檢測(cè)主要包括鋼筋、混凝土、混凝土保護(hù)層、鋼材、鋼材防腐涂層、地基土、回填土、土工合成材料等的物理、化學(xué)性能及其劣化/變化趨勢(shì)，其涉及的檢測(cè)方法多種多樣，原位、無(wú)損檢測(cè)應(yīng)是首選；環(huán)境狀況檢測(cè)包括碼頭前沿設(shè)計(jì)水深和沖淤變化、碼頭設(shè)計(jì)水域的水文條件、碼頭設(shè)計(jì)水域的水質(zhì)變化等，其檢測(cè)方法同樣多種多樣。

4 評(píng)估現(xiàn)狀

4.1 檢測(cè)與評(píng)估的關(guān)系

碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估是一門涉及環(huán)境學(xué)、水力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、建筑材料學(xué)、斷裂力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，同時(shí)與施工技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、使用狀況密切相關(guān)的綜合性學(xué)科。王廣德等[11]將檢測(cè)具體定義為通過(guò)檢查、測(cè)試等手段獲得碼頭結(jié)構(gòu)某些參數(shù)某一時(shí)刻現(xiàn)狀的活動(dòng)；以檢測(cè)結(jié)果為依據(jù)對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)某些參數(shù)進(jìn)行估量稱為評(píng)估。

評(píng)估時(shí)，需將上述實(shí)測(cè)參數(shù)值（即反應(yīng)碼頭結(jié)構(gòu)的外觀破損狀況、結(jié)構(gòu)的變形與變位情況、結(jié)構(gòu)材料性能的劣化狀況及環(huán)境狀況的某一時(shí)刻實(shí)測(cè)參數(shù)值）直接與規(guī)范規(guī)定的參數(shù)限值（即實(shí)測(cè)參數(shù)值的設(shè)計(jì)值或規(guī)范規(guī)定的最大值）比較，或代入到某種評(píng)估方法中計(jì)算、分析得評(píng)估參數(shù)值（構(gòu)件內(nèi)力、穩(wěn)定系數(shù)等）后再與規(guī)范規(guī)定的參數(shù)限值（即評(píng)估參數(shù)值的設(shè)計(jì)值或規(guī)范規(guī)定的最大值）比較。對(duì)于耐久性評(píng)估，可根據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)值與規(guī)范規(guī)定的參數(shù)限值直接比較評(píng)定其等級(jí)；對(duì)于安全性、使用性評(píng)估，可根據(jù)實(shí)測(cè)參數(shù)值/計(jì)算、分析得評(píng)估參數(shù)值與規(guī)范規(guī)定的參數(shù)限值的比值評(píng)定其等級(jí)。

4.2 評(píng)估參數(shù)限值

評(píng)估是將實(shí)測(cè)參數(shù)值與規(guī)范規(guī)定的參數(shù)限值相比較，規(guī)范規(guī)定的參數(shù)限值即為表征結(jié)構(gòu)/材料某種狀態(tài)的特征值，而此特征值亦是一重要研究課題，該特征值擬定的合理與否直接關(guān)系到碼頭結(jié)構(gòu)評(píng)定的準(zhǔn)確性和可信性。

《港口水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》中將結(jié)構(gòu)構(gòu)件作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值定為安全性評(píng)估參數(shù)限值，將結(jié)構(gòu)最大撓度、結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度、預(yù)應(yīng)力混凝土拉應(yīng)力限值定為使用性評(píng)估參數(shù)限值，將鋼筋混凝土材料耐久性極限狀態(tài)（一般為鋼筋脫鈍銹蝕、保護(hù)層銹脹開裂、保護(hù)層銹脹開裂達(dá)到限值）定義為耐久性評(píng)估參數(shù)限值。

4.3 評(píng)估方法

復(fù)核驗(yàn)算法是現(xiàn)行《港口水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》使用的評(píng)估方法，其本質(zhì)是以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)[12]驗(yàn)算，但需考慮水工結(jié)構(gòu)的外觀破損狀況、結(jié)構(gòu)變形與變位情況、結(jié)構(gòu)材料性能的劣化狀況及環(huán)境狀況，其評(píng)估參數(shù)反應(yīng)的是碼頭結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況。此外，荷載試驗(yàn)法[13-14]、專家系統(tǒng)法[15]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[16]、模糊理論法[17]、層次分析法[18]、時(shí)序分析法[19]等都是常用的評(píng)估方法。對(duì)于荷載試驗(yàn)法，合理、有效地加載方式與測(cè)點(diǎn)布置是關(guān)鍵；對(duì)于其它評(píng)估方法，評(píng)估模型的合理、準(zhǔn)確性是關(guān)鍵。

5 存在的問(wèn)題

縱觀上述碼頭結(jié)構(gòu)的檢測(cè)評(píng)估現(xiàn)狀，其方法體系已較為完整，事實(shí)證明，該方法體系是可行的，亦切實(shí)滿足了部分當(dāng)前碼頭設(shè)施運(yùn)營(yíng)維護(hù)的迫切需要。但是，無(wú)異于其它工程結(jié)構(gòu)，若要求檢測(cè)、評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確可信，許多關(guān)鍵問(wèn)題仍待突破：

1）“重一次性投入，輕運(yùn)營(yíng)維護(hù)”是我國(guó)工程建設(shè)多年來(lái)的歷史通病。如圖1所示，檢測(cè)評(píng)估項(xiàng)目由具備資質(zhì)的檢測(cè)單位承擔(dān)實(shí)施，管理和運(yùn)營(yíng)部門作為委托方需提供一定數(shù)額的資金購(gòu)買此項(xiàng)技術(shù)服務(wù)，所以通常是碼頭結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“顯著問(wèn)題”或靠泊需要時(shí)才進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，從而導(dǎo)致檢測(cè)評(píng)估的滯后性。

2）目前碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)方案中檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)內(nèi)容和檢測(cè)方法較為系統(tǒng)和完整，但關(guān)鍵檢測(cè)部位、檢測(cè)斷面、檢測(cè)頻率和數(shù)量的確定仍依賴有經(jīng)驗(yàn)的檢測(cè)人員，尚沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，從而導(dǎo)致對(duì)發(fā)生撞損等偶然事故的碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估時(shí)“因人而異”或偏于保守。

3）不論是復(fù)核驗(yàn)算法或者上述除荷載試驗(yàn)法以外的間接評(píng)估方法，如何正確、充分考慮水工結(jié)構(gòu)的外觀破損狀況、結(jié)構(gòu)變形與變位情況、結(jié)構(gòu)材料性能的劣化狀況及環(huán)境狀況，仍需要更加深入的基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)研究，其過(guò)程需要整個(gè)土木工程學(xué)科的進(jìn)步。

4）環(huán)境檢測(cè)是港口碼頭水工結(jié)構(gòu)使用狀況檢測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其反映的是結(jié)構(gòu)所處的實(shí)際使用環(huán)境，使用環(huán)境不同，結(jié)構(gòu)的材料劣化和功能降低規(guī)律亦會(huì)有所差別。然而，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)從事檢測(cè)評(píng)估的單位尚不具備環(huán)境檢測(cè)能力，導(dǎo)致評(píng)估時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取多以查閱資料為主。

5）裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)破損的顯著特征，裂縫形態(tài)、長(zhǎng)度、表觀寬度尚且容易測(cè)得，但裂縫深度檢測(cè)目前仍是技術(shù)難題，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)承載力、變形、耐久性等評(píng)估時(shí)如何充分考慮裂縫因素仍有待深入研究。

6）檢測(cè)時(shí)需要對(duì)檢測(cè)對(duì)象間接或直接“看得見或者摸得著”。對(duì)于高樁碼頭而言，其所有主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件是“暴露”的，對(duì)于重力式或者板樁碼頭，其主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件是“半暴露”或者隱蔽的，若要進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)性的開挖不可避免，其不僅消耗較大的人力、物力，影響生產(chǎn)，同時(shí)“擾動(dòng)”了碼頭結(jié)構(gòu)的整體性。所以，隱蔽工程檢測(cè)技術(shù)亟待開發(fā)、提高。

7）由于基樁完整性檢測(cè)仍以一維縱波傳播理論為基礎(chǔ)，而高樁碼頭上部結(jié)構(gòu)梁或板的存在導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)的激振、收集和分辨的復(fù)雜化，使得在役碼頭基樁完整性檢測(cè)成為行業(yè)技術(shù)難題。

8）位于水面以下泥面以上的結(jié)構(gòu)，外觀破損檢測(cè)只能人工進(jìn)行，而變形與變位情況、材料性能劣化狀況檢測(cè)目前較難實(shí)施。與隱蔽工程檢測(cè)一樣，此部位結(jié)構(gòu)檢測(cè)是在役港口碼頭水工檢測(cè)的“短板”，間接的檢測(cè)技術(shù)亟待開發(fā)。

9）與以往不同，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題已經(jīng)得到很大重視，從原材料到凝結(jié)硬化后的混凝土實(shí)體，與耐久性相關(guān)的檢驗(yàn)檢測(cè)伴隨施工全過(guò)程。同時(shí)，為滿足施工需要，高性能混凝土等特殊混凝土技術(shù)不斷發(fā)展，導(dǎo)致在原來(lái)普通混凝土基礎(chǔ)上建立起來(lái)的鋼筋混凝土材料物理本構(gòu)模型、劣化機(jī)理、評(píng)定指標(biāo)等都不一定適用。所以，針對(duì)新材料、新技術(shù)條件下的鋼筋混凝土材料耐久性劣化研究是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)課題。

6 研究展望

2011年以來(lái)，我國(guó)沿海港口建設(shè)高潮趨緩，進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展建設(shè)期[20]。同時(shí)，我國(guó)已有大量的碼頭運(yùn)營(yíng)多年，作為重要的固定資產(chǎn)，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期的檢測(cè)評(píng)估將是管理和運(yùn)營(yíng)部門未來(lái)的重要工作。上述碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估存在的問(wèn)題可概括為：合理、有效的檢測(cè)技術(shù)仍需不斷探索，檢測(cè)信息往往有限、隨機(jī)、間斷且無(wú)動(dòng)態(tài)反饋，評(píng)估方法經(jīng)驗(yàn)色彩濃重。在此，結(jié)合現(xiàn)階段土木工程研究熱點(diǎn)，提出3點(diǎn)發(fā)展方向：

1）荷載試驗(yàn)法是最直接、最直觀的檢測(cè)評(píng)估方法，由于其試驗(yàn)過(guò)程中通常會(huì)影響碼頭作業(yè)，現(xiàn)在較少采用，但其評(píng)估結(jié)果是最為可靠的。

2）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展至今，其基本理論體系已經(jīng)完整，如今的發(fā)展方向已轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]具體使用條件和使用環(huán)境的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本理論運(yùn)用的完善。正是由于目前碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)數(shù)據(jù)較少，收集和累積還有待更加系統(tǒng)化，導(dǎo)致現(xiàn)有評(píng)估方法經(jīng)驗(yàn)色彩濃重。所以，科學(xué)的、海量的檢測(cè)數(shù)據(jù)收集和積累仍是前提，且應(yīng)將檢測(cè)數(shù)據(jù)逐漸系統(tǒng)化，分門別類。一切理論或者技術(shù)進(jìn)步均離不開相關(guān)數(shù)據(jù)的支撐和驗(yàn)證。此項(xiàng)工作是基礎(chǔ)的、繁重的，但也是最關(guān)鍵的。同時(shí)，應(yīng)重視應(yīng)用雷達(dá)、紅外成像、沖擊反射、電磁與電測(cè)等新的測(cè)試手段[21]。

3）隨著計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛躍進(jìn)步，基于BIM+大數(shù)據(jù)分析的碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，即通過(guò)三維建模、現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)室實(shí)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、基于算法的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)評(píng)估結(jié)果的實(shí)時(shí)終端顯示。2018年，國(guó)內(nèi)首套碼頭全壽命健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)建立[22]。天津港南疆27號(hào)通用碼頭工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用全壽命周期質(zhì)量安全理念，將互聯(lián)網(wǎng)+光纖傳感技術(shù)+BIM信息化技術(shù)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶撞擊力、水工結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、變形變位、振動(dòng)特性、耐久性能、環(huán)境溫度等性能指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)、準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)破壞原因、加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)期碼頭設(shè)施維護(hù)等方面提供有力支撐。