高樁碼頭評估的干擾能量法及與常規(guī)方法的對比*

楊淦全，蘇靜波，季曉堂

(河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

近年來，隨著海港工程建設(shè)趨于飽和，國家對于碼頭岸線的審批愈發(fā)嚴格，新建碼頭項目逐漸減少，而已建成的碼頭多接近使用年限，存在許多安全隱患。其中高樁碼頭因其承載能力強、材料用量省、適應(yīng)多種地質(zhì)條件等優(yōu)點，是現(xiàn)役碼頭中一種重要的結(jié)構(gòu)形式，但其構(gòu)件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、在荷載作用下自我調(diào)節(jié)能力差，使很大一部分在役高樁碼頭多存在或大或小的損傷，給碼頭帶來安全隱患。因而，給出合理的碼頭整體安全性指標便顯得尤其重要。

對結(jié)構(gòu)整體安全性的評估是碼頭檢測的核心問題和最終目的，雖然國內(nèi)外進行了大量的相關(guān)研究，但仍有一些問題未能解決：如何建立合理有效的評估方法、如何選取科學(xué)的評價指標等。目前，高樁碼頭安全評估主要以構(gòu)件可靠度計算為基礎(chǔ)，但某一構(gòu)件的可靠度并不能反映碼頭的整體安全度水平，高樁碼頭結(jié)構(gòu)的整體安全度是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度問題，但其工作研究所涉及的學(xué)科甚廣、難度很大，屬國內(nèi)外研究難題之一。目前行業(yè)內(nèi)使用的JTS 304—2019《水運工程水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》，主要是針對已建港口水工建筑物的安全性、使用性和耐久性的檢測、評估方法做出規(guī)定，其主要局限性在于：僅進行了碼頭現(xiàn)場檢測及結(jié)構(gòu)驗算，通過復(fù)核驗算，提出了一個安全性等級，缺乏結(jié)構(gòu)承載力方面的評定能力，還須進一步研究完善。針對規(guī)范中存在的缺陷，現(xiàn)有的主要研究方向在于可靠度方法和綜合評估方法：王元戰(zhàn)等[1]以常用的高樁碼頭標準結(jié)構(gòu)段作為其研究對象，選取結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)及幾何尺寸參數(shù)等作為隨機變量，基于非線性有限元數(shù)值模型，采用蒙特卡羅法建立結(jié)構(gòu)整體極限承載力概率分布模型及統(tǒng)計參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，采用一次二階矩法計算結(jié)構(gòu)體系的可靠指標；Ruben等[2]結(jié)合碼頭結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)數(shù)據(jù)對碼頭進行檢測評估；吳鋒等[3]以模糊理論為基礎(chǔ)，采用變權(quán)理論和層次分析法，結(jié)合高樁碼頭的結(jié)構(gòu)特點，給出了分層評估指標變權(quán)重和隸屬函數(shù)的計算方法，建立一套高樁碼頭耐久性模糊綜合評估方法。干擾能量法及最小勢能原理是基于能量理論發(fā)展出的一種安全判別方法。由于干擾能量是標量，所以可以便捷地進行局部構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析。而最小勢能原理也可以明確地給出結(jié)構(gòu)的安全指標。目前關(guān)于干擾能量法及最小勢能原理的研究成果大多存在于單獨構(gòu)件方面[4-5]，也在邊坡及基坑安全穩(wěn)定判別方面有一些成果[6-7]。

本文將此方法應(yīng)用于高樁碼頭構(gòu)件及整體的安全性判別中，給出明確的判別指標。同時以某工程為例，與現(xiàn)行規(guī)范進行比較，證明其科學(xué)性，并得到結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)以及各構(gòu)件對于結(jié)構(gòu)整體安全性的貢獻，為高樁碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計、損傷碼頭的加固提供依據(jù)。

1 碼頭整體評估的能量方法原理

1.1 干擾能量法基本原理

根據(jù)Dirichlet定理，平衡位置上的勢能Πp應(yīng)具有極小值或極大值，若Πp為極小值，即δΠp=0、δ2Πp> 0，該平衡位置是穩(wěn)定的；若Πp為極大值，即δΠp=0、δ2Πp< 0，則該平衡是不穩(wěn)定的；當δ2Πp=0，表明物體在微小擾動前后勢能不變，穩(wěn)定是隨遇的。

在數(shù)值計算中，設(shè)Πp(u0)為物體在平衡位置上的總勢能，其受到微小擾動δu后勢能為Πp(u0+δu)。而由微小擾動δu引起的干擾能量記為ΔΠp，根據(jù)泰勒級數(shù)展開，得到：

(1)

1.2 干擾能量法的評價方法以及干擾能量指標

干擾能量ΔΠp可由下式求得：

(2)

其中

(3)

(4)

式中：A(·)物體的變形能密度；eij,0物體的初始應(yīng)變；Δeij為應(yīng)變增量；fi,0和pi,0為初始的體力和面力；Δui為干擾位移；Ω為物體計算范圍；Sσ為面力計算邊界；ΔU為干擾后儲存在物體內(nèi)的變形能增量，它是使系統(tǒng)恢復(fù)原位的因素，稱為干擾內(nèi)能；ΔW為外力在干擾位移中所做的功，它將消耗系統(tǒng)的能量。當ΔW> ΔU，系統(tǒng)將出現(xiàn)動能而導(dǎo)致失穩(wěn)；當ΔW=ΔU，系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)；當ΔW< ΔU，系統(tǒng)去掉干擾后能恢復(fù)原位，此時系統(tǒng)穩(wěn)定。

考慮離散元的結(jié)果，得到

(5)

式中：σ0、Re,0為單元原有狀態(tài)的應(yīng)力矩陣、荷載矩陣；Δe、Δσ為干擾應(yīng)變、干擾應(yīng)力；Ωe為每個單元的積分區(qū)域；Ne為單元的個數(shù)；Δue為每個單元的擾動位移矩陣。

基于干擾能量法的最小安全系數(shù)，可以利用能量的觀點得到穩(wěn)定安全系數(shù)：

(6)

若考慮一個單元的穩(wěn)定性，只須計入相鄰單元的作用力，便可計算ΔUe和ΔWe，則該單元的穩(wěn)定安全系數(shù)為

(7)

若考慮某一部分的穩(wěn)定性，只須在上述基礎(chǔ)進行代數(shù)相加，從而求出部分構(gòu)件的穩(wěn)定安全系數(shù)為

(8)

2 能量法檢測評估流程及與對有常規(guī)方法的改進

2.1 檢測前工作

現(xiàn)場檢測前需要對待評測的碼頭進行現(xiàn)場踏勘和資料收集，為后續(xù)工作提供依據(jù)。資料收集內(nèi)容包括碼頭設(shè)計計算書、設(shè)計變更記錄、施工竣工記錄等資料，目的是結(jié)合資料建立待測碼頭原狀碼頭模型；現(xiàn)場踏勘目的是了解碼頭現(xiàn)場環(huán)境氣象條件、歷年檢修情況歷年修復(fù)情況及修復(fù)效果及近期作業(yè)荷載等，為后續(xù)計算以及模型修正提供依據(jù)。

2.2 現(xiàn)場檢測

現(xiàn)場檢測包括但不限于外觀檢查、變形變位檢測、水下環(huán)境調(diào)查、構(gòu)件強度調(diào)查、耐久性檢測、樁身完整性檢測。具體檢測項目可以根據(jù)建設(shè)單位要求或依據(jù)常規(guī)檢測內(nèi)容進行制定。

2.3 檢測資料匯集以及模型修正

結(jié)合現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行總結(jié)，形成檢測報告。依據(jù)檢測報告的內(nèi)容對于已建成的碼頭結(jié)構(gòu)評估模型進行必要的模型修正，使修正后的模型符合待評估碼頭的現(xiàn)有狀況，保證評估結(jié)果真實、有效。

2.4 計算及評估報告形成

根據(jù)前期調(diào)查的荷載條件，結(jié)合修正過的碼頭模型，應(yīng)用前述能量評估方法對于碼頭進行評估，得到相關(guān)安全系數(shù)。最終形成碼頭檢測評估報告，包括工程概況、檢測評估內(nèi)容、評估方法、檢測評估結(jié)果以及修復(fù)意見等。

2.5 現(xiàn)行規(guī)范

根據(jù)JTJ 304—2019《水運工程水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》，安全性評估應(yīng)按承載力極限狀態(tài)驗算的結(jié)果進行，分級標準見表1。

表1 高樁碼頭評估分級標準

注：Rd、Sd分別為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力和作用效應(yīng)組合設(shè)計值；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；其中各驗算項目的等級，取最低一級作為該評估單元的安全評估等級。

2.6 高樁碼頭整體評估的干擾能量法與現(xiàn)行規(guī)范方法的對比

規(guī)范中的評估方法僅進行了碼頭現(xiàn)場檢測及結(jié)構(gòu)驗算，通過復(fù)核驗算，提出了一個安全性等級；干擾能量法的安全系數(shù)，是在結(jié)合設(shè)計資料建立模型的同時，參照現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)修正結(jié)構(gòu)模型后，使用前文提到的能量法進行計算得出的，充分客觀反映了被評估碼頭的現(xiàn)有狀態(tài)。

規(guī)范中對于碼頭整體安全性的評估結(jié)果，是建立在各構(gòu)件安全等級上的摻雜了評價主體主觀因素的結(jié)果；能量法計算出的整體安全系數(shù)，是計算結(jié)構(gòu)各個單元、構(gòu)件干擾能量值，以及所受外力做功值后得出的，排除了評價主體的主觀因素，結(jié)果更加客觀。

關(guān)于構(gòu)件在整體中的重要性，規(guī)范規(guī)定得較為模糊，更多是憑借既有經(jīng)驗來判斷；在干擾能量法中可以通過計算構(gòu)件干擾能量、所受外力做功在總體中所占比例ΔU1/ΔU、ΔW1/ΔW，來展現(xiàn)構(gòu)件對于整體結(jié)構(gòu)的重要性。

綜合來看，干擾能量法能夠?qū)Υa頭結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)做出更加客觀的評價以及對各個構(gòu)件在結(jié)構(gòu)整體安全中的的重要性做出定量判斷。

3 工程實例

某碼頭工程建設(shè)1個3 000噸級舾裝泊位，舾裝碼頭采用順岸滿堂式布置。碼頭平臺平面尺度為150 m×12.4 m(長×寬)。水工建筑物采用高樁梁板結(jié)構(gòu)形式。

碼頭結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，順流方向布置2條軌道梁，軌道梁間距10.5 m，軌道梁截面為矩形，每段軌道梁長11.6 m，基礎(chǔ)采用3根φ800 mm鉆孔灌注樁，樁距為4.5 m。軌道梁間布置聯(lián)系梁，聯(lián)系梁間距4.5 m。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

經(jīng)檢測碼頭存在一些缺陷：抽測構(gòu)件的碳化深度值在1.0～4.0 mm，表明混凝土耐久性受到一定影響。抽檢的碼頭平臺前排基樁的混凝土抗壓強度推定值均小于設(shè)計強度，不滿足設(shè)計要求；其余構(gòu)件的混凝土抗壓強度推定值均大于設(shè)計強度，滿足設(shè)計要求。所抽檢的樁基最小鋼筋保護層厚度為30 mm，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，淡水環(huán)境梁類構(gòu)件混凝土保護層最小厚度為30 mm，板類構(gòu)件混凝土保護層最小厚度為25 mm，僅滿足施工規(guī)范最低要求。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)(單位：mm)

3.1 碼頭構(gòu)件及整體性安全評估

經(jīng)過對承載力進行復(fù)核計算，根據(jù)計算結(jié)果及《水運工程水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，進行碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性評估，評估結(jié)果見表2。

由表2可知，在驗算荷載作用下，參照規(guī)范聯(lián)系梁等級為D級，其余構(gòu)件的安全性等級為A級，需要對聯(lián)系梁進行加固。

表2 采用規(guī)范各類構(gòu)件安全性等級評估結(jié)果

3.2 干擾能量法評估

根據(jù)碼頭設(shè)計資料以及現(xiàn)場勘測返回的碼頭相關(guān)損傷情況建立相應(yīng)的有限元模型，樁底根據(jù)嵌固點理論進行約束，經(jīng)計算嵌固深度為5.13 m，采用Midas Civil進行建模計算，計算模型見圖2。

圖2 碼頭有限元模型

針對建立的有限元模型采用干擾能量法計算碼頭相應(yīng)構(gòu)件的安全系數(shù)，評估結(jié)果見表3。

表3 采用能量法各類構(gòu)件安全性等級評估結(jié)果

由表3可知，聯(lián)系梁安全系數(shù)小于1，需要加固；其他構(gòu)件安全系數(shù)大于1，狀態(tài)尚可；碼頭整體安全系數(shù)為1.37，還在安全范圍，但富余度不足。從結(jié)構(gòu)儲備安全性角度來看，聯(lián)系梁這一構(gòu)件在抵抗外力過程中，干擾能量值占總體的比例過小(21.1%)，遠小于其需要抵抗的外力作用(32.5%)。所以其為整體中的薄弱構(gòu)件，容易在使用中產(chǎn)生損傷，應(yīng)注意防范；同時，在設(shè)計時也應(yīng)更加關(guān)注薄弱結(jié)構(gòu)，提高該結(jié)構(gòu)的設(shè)計標準，提升薄弱結(jié)構(gòu)的下限，使碼頭結(jié)果設(shè)計更加合理。

3.3 改進建議

目前碼頭整體結(jié)構(gòu)基本能滿足設(shè)計使用要求，但考慮到結(jié)構(gòu)本身受力體系的不合理性，且安全儲備不足，在持久荷載作用下，結(jié)構(gòu)受較大影響，為確保碼頭平臺的長期安全使用，建議對該結(jié)構(gòu)進行必要的加固措施，對目前結(jié)構(gòu)受力體系進行優(yōu)化處理。建議在碼頭前沿打入1排預(yù)制樁，延伸碼頭平臺，改進碼頭承載力富余度，同時安裝靠船構(gòu)件優(yōu)化其受力。關(guān)于聯(lián)系梁不安全的問題，建議對聯(lián)系梁梁側(cè)粘貼鋼板進行加固處理。

4 結(jié)論

1)本文采用干擾能量法對于高樁碼頭進行評估，干擾能量法理論完備，方法流程清晰，可操作性強，可信度較高。由于干擾能量是標量，經(jīng)過計算得到的碼頭結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)在較大程度上減少了主觀因素對評價結(jié)果的影響。

2)本文將干擾能量法應(yīng)用于某碼頭的結(jié)構(gòu)安全性評估，并與采取現(xiàn)行規(guī)范的評估結(jié)果進行對比。發(fā)現(xiàn)單獨構(gòu)件的評估結(jié)果十分吻合,對于需要加固的薄弱構(gòu)件的識別一致。

3)高樁碼頭評估的干擾能量方法經(jīng)計算得到該碼頭的整體安全系數(shù)，可以較為客觀地反映當下碼頭的整體安全狀況，而不是規(guī)范中以最薄弱構(gòu)件的評級劃定碼頭整體安全評級，更加科學(xué)客觀。同時，干擾能量方法還可以計算出各個構(gòu)件的能量占比，以此為據(jù)判斷薄弱構(gòu)件，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用過程中薄弱結(jié)構(gòu)損壞預(yù)防工作和損傷結(jié)構(gòu)的加固工作。