高樁碼頭小范圍結(jié)構(gòu)撞損檢測(cè)與評(píng)估

張翠瑩，劉全興

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430060）

引言

某海港在建高樁梁板碼頭，在施工過(guò)程中意外受到超等級(jí)船舶撞擊，碼頭結(jié)構(gòu)發(fā)生局部損害，為評(píng)估碼頭結(jié)構(gòu)受損程度，并為后續(xù)碼頭結(jié)構(gòu)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，需合理確定碼頭檢測(cè)范圍和結(jié)構(gòu)檢測(cè)方案。

1 依托項(xiàng)目概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

某沿海煤炭進(jìn)口碼頭，共設(shè)計(jì)1 萬(wàn)t 駁船卸煤作業(yè)泊位2 個(gè)，泊位總長(zhǎng)265 m，寬24 m。碼頭水工結(jié)構(gòu)采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架間距8 m，共設(shè)計(jì)排架34 榀，每榀排架下布置4 根φ1 350 mm 灌注樁。上部結(jié)構(gòu)由鋼筋砼迭合板、現(xiàn)澆前邊梁、預(yù)安軌道梁、預(yù)安縱梁、預(yù)安后邊梁和現(xiàn)澆橫梁等組成[1]。碼頭結(jié)構(gòu)典型剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)典型剖面示意圖

1.2 碼頭損害過(guò)程及損害表現(xiàn)

該碼頭煤炭卸船用橋式抓斗卸船機(jī)采用整機(jī)上岸形式進(jìn)行運(yùn)輸安裝，考慮到項(xiàng)目工期需求，在碼頭1 號(hào)泊位施工完成、2 號(hào)泊位施工完成40 %的情況下，碼頭4 臺(tái)橋式抓斗卸船機(jī)由5 萬(wàn)t 級(jí)半潛駁一次運(yùn)輸?shù)綀?chǎng)，半潛駁計(jì)劃在1 號(hào)泊位及部分2號(hào)泊位前沿靠泊，并在1 號(hào)泊位整機(jī)上岸。本項(xiàng)目碼頭設(shè)計(jì)船型為1 萬(wàn)t 駁船，而卸船機(jī)運(yùn)輸船為5萬(wàn)t 級(jí)半潛駁，屬超等級(jí)船舶靠泊，為保證靠泊安全，靠泊過(guò)程中雖然采取了減載、多拖輪輔助靠泊等多重安全保障措施，但受碼頭前沿突發(fā)大流速潮汐橫流影響，半潛駁船船首球鼻艏意外擦碰到碼頭2 號(hào)泊位13#排架、并撞擊14#排架（排架位置見(jiàn)圖2），碰撞事件發(fā)生后對(duì)碼頭進(jìn)行了外觀檢查，碼頭1 號(hào)泊位、2 號(hào)泊位現(xiàn)有結(jié)構(gòu)整體未發(fā)生明顯位移、碼頭樁基未見(jiàn)明顯彎曲或變位，碼頭13#、14#排架靠船構(gòu)件混凝土局部掉角、14 號(hào)排架橫梁端部水平變位約2 cm、14 號(hào)排架橫梁兩側(cè)見(jiàn)混凝土明顯損害（見(jiàn)圖3）。

圖2 碼頭損害排架位置圖

圖3 碼頭14 排架損害圖

為進(jìn)一步評(píng)估碼頭損害狀況、為下一階段的結(jié)構(gòu)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，需對(duì)碼頭進(jìn)行損害檢測(cè)及評(píng)估。

2 碼頭結(jié)構(gòu)損害檢測(cè)方案

2.1 損害檢測(cè)內(nèi)容及范圍

該碼頭為典型的高樁梁板碼頭，碼頭損害發(fā)生時(shí)主體結(jié)構(gòu)尚在施工，輔助工程系統(tǒng)尚未安裝，因此損害影響僅限碼頭主體結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的外觀檢查，初步確定損害檢測(cè)內(nèi)容包括：樁基完整性及縱橫梁系完整性?？紤]到此次結(jié)構(gòu)損害程度較小、影響范圍有限，碼頭損害檢測(cè)范圍將以碰撞點(diǎn)為中心，采取初步確認(rèn)檢測(cè)范圍、檢測(cè)、結(jié)構(gòu)評(píng)估、確認(rèn)是否擴(kuò)大檢測(cè)范圍的步驟，逐步完成結(jié)構(gòu)損害檢測(cè)與評(píng)估。本次撞損中心位于2 號(hào)泊位的14#排架，初步確認(rèn)檢測(cè)范圍為13#、14#及15#排架，若13#和15#結(jié)構(gòu)受損，應(yīng)擴(kuò)大檢測(cè)范圍[2]。碼頭排架示意圖詳見(jiàn)圖4。

圖4 碼頭排架示意圖

1）樁基檢測(cè)范圍

優(yōu)先檢測(cè)14#前沿第一根樁14A，若此樁發(fā)現(xiàn)缺陷，則以該樁為中心擴(kuò)大抽檢范圍，按照14B-13A-15A 的順序進(jìn)行；若還存在缺陷，依次繼續(xù)擴(kuò)大抽檢范圍。

2）梁板檢測(cè)范圍

外觀檢測(cè)范圍：橫梁HL13～HL15 外觀；13 號(hào)至15 號(hào)排架間軌道梁、縱梁。

混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)范圍：優(yōu)先檢測(cè)HL14，若某樁段間的梁體外觀完好且未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，則檢測(cè)終止；反之，則需擴(kuò)大檢測(cè)范圍至HL13 和HL15。

2.2 樁基檢測(cè)方案

本項(xiàng)目樁基為鉆孔灌注樁，樁基設(shè)計(jì)直徑1.35 m，樁長(zhǎng)30 m。常規(guī)的灌注樁樁身完整性檢測(cè)方法有預(yù)埋超聲管、取芯、低應(yīng)變?nèi)N方法，這三種方法均需在樁頂橫截面設(shè)置擊震點(diǎn)或安裝相關(guān)傳感器[3]，就本工程實(shí)際現(xiàn)狀而言，由于需檢測(cè)樁基的上部結(jié)構(gòu)已施工完成，已沒(méi)有可供檢測(cè)用的樁頂操作面，因而傳統(tǒng)檢測(cè)方法已經(jīng)不適用于本工程。

根據(jù)《港口碼頭結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)與評(píng)估指南》及《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》，既有結(jié)構(gòu)下樁的完整性檢測(cè)，可采用樁側(cè)切割安放傳感器的小平臺(tái)，進(jìn)行豎向激振的方法進(jìn)行。

1）測(cè)試方法

在樁頂以下70 cm 處沿樁身四周對(duì)稱切割四個(gè)鍥形槽,鍥形槽布置見(jiàn)圖5。在一個(gè)槽安放加速度傳感器，用專用小錘敲擊在相對(duì)應(yīng)的另一個(gè)槽頂混凝土面進(jìn)行豎向激振，形成一個(gè)低應(yīng)變彈性壓力波，彈性波向下行進(jìn)時(shí)如遇到橫截面積或材料質(zhì)量發(fā)生變化，就會(huì)激發(fā)出上行反射波，這些信號(hào)同樁底反射信號(hào)一起返回到接收側(cè)槽口，波信號(hào)經(jīng)信號(hào)中心處理成數(shù)字信號(hào)并利用配套軟件進(jìn)行分析，可以確定樁身是否完整以及在何處出現(xiàn)了什么樣的問(wèn)題（如灌注樁的擴(kuò)徑、縮徑、離析、孔洞、夾泥和打入式樁的斷裂、損傷等）。

圖5 樁身完整性檢測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2）評(píng)定完整性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》，并參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將樁身質(zhì)量分為四類：

Ⅰ類：檢測(cè)波波形無(wú)異常反射、波速正常、樁身完好。

Ⅱ類：樁身砼結(jié)構(gòu)基本完整，存在輕微缺陷，對(duì)樁的使用沒(méi)有影響。

Ⅲ類：樁身砼結(jié)構(gòu)完整性介于Ⅱ類和Ⅳ類之間，一般存在明顯缺陷，對(duì)樁的使用有一定影響。宜采用鉆芯法或聲波透射法等其它方法進(jìn)一步判斷或直接進(jìn)行處理。

Ⅳ類樁：檢測(cè)波波形嚴(yán)重畸變、樁身有嚴(yán)重缺陷或斷樁。

Ⅰ、Ⅱ類樁為完整性合格樁，Ⅲ類、Ⅳ類樁均為完整性不合格樁，Ⅲ類樁一般需要設(shè)計(jì)單位復(fù)核承載力后提出是否進(jìn)行處理的意見(jiàn)，Ⅳ類樁則必須進(jìn)行工程處理。

2.3 梁系及面板檢測(cè)方案

1）水上外觀檢測(cè)

對(duì)碼頭水上部分的外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查，并記錄缺陷狀況。若存在外觀缺陷，則對(duì)現(xiàn)有的外觀缺陷進(jìn)行拍照，并用鋼尺測(cè)量裂縫長(zhǎng)度和破損面積，用智能裂縫測(cè)寬儀測(cè)量裂縫最大寬度。

2）混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)

測(cè)點(diǎn)布置：

在被測(cè)構(gòu)件的一對(duì)平行（或等測(cè)試距離）的測(cè)試面上，布置超聲測(cè)試區(qū)域，每處檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行超聲測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格布置，測(cè)點(diǎn)間距為200 mm。

各超聲波測(cè)點(diǎn)用透明黃油作耦合劑進(jìn)行充分耦合，采用對(duì)測(cè)法，依次測(cè)出各對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)值并記錄。

數(shù)據(jù)處理及判定：

根據(jù)混凝土內(nèi)傳播的聲時(shí)值計(jì)算得出混凝土聲速值，進(jìn)而計(jì)算混凝土聲速值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)：

式中：

vi——第 i 對(duì)測(cè)點(diǎn)的聲速值（i=1、2、3 … n）（km/s），精確至0.01 km/s；

vm——各測(cè)點(diǎn)聲速值的平均值（km/s），精確至0.01 km/s；

Sv——各測(cè)點(diǎn)聲速值的標(biāo)準(zhǔn)差（km/s）；

n ——測(cè)點(diǎn)數(shù)量；

δv——聲速變異系數(shù)（%），精確至0.1 %。

將測(cè)區(qū)各測(cè)點(diǎn)的聲速值由大到小按順序排列，即：

將排在后面明顯偏小的數(shù)據(jù)視為可疑，再將這些可疑數(shù)據(jù)中最大的一個(gè)（假定為vn）連同前面的數(shù)據(jù)按上式計(jì)算出平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)下式計(jì)算出異常情況的判斷值v0：

式中：λ1——修正系數(shù)。

將判斷值v0與可疑數(shù)據(jù)中最大值vn相比較，如vn≤v0，則vn及排列于其后的各數(shù)據(jù)均為異常值，并且去掉vn，再用v1～vn-1進(jìn)行計(jì)算和判斷，直到判不出異常值為止；當(dāng)vn＞v0時(shí)，應(yīng)將vn+1放進(jìn)去重新進(jìn)行計(jì)算和判別。據(jù)此可以判斷該區(qū)域是否存在異常點(diǎn)，即缺陷狀況。

3 碼頭結(jié)構(gòu)損害檢測(cè)結(jié)論

3.1 樁

1）外觀檢查

本項(xiàng)目樁基采用鉆孔灌注樁，樁基外壁由施工用鋼護(hù)筒包覆，因而樁身未見(jiàn)表觀裂縫，樁基表觀缺陷主要表現(xiàn)為，14A 樁頭與橫梁連接處混凝土受扭碎裂，碎裂面積為50 cm×10 cm。

2）樁身完整性

根據(jù)檢測(cè)順序，首先對(duì)14A，13A 及15A 三根樁基，采用側(cè)切割鍥形槽法進(jìn)行低應(yīng)變樁基完整性檢測(cè)，每根樁分別進(jìn)行了4 組完整性檢測(cè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)相關(guān)波形進(jìn)行分析，經(jīng)判別所檢測(cè)的3 根樁均為Ⅰ類樁[4]。樁基檢測(cè)典型波形圖見(jiàn)圖6。

圖6 14A 低應(yīng)變檢測(cè)波形圖

3.2 橫梁

1）外觀檢測(cè)

梁系外觀檢測(cè)首先對(duì)HL13 和HL14 開(kāi)展。

HL13 主要缺陷為：軌道梁至碼頭后沿方向第一榀縱梁間：下橫梁西側(cè)共計(jì)2 條裂縫，其中最大裂縫長(zhǎng)度為169 cm，最大裂縫寬度為0.11 mm；下橫梁東側(cè)共計(jì)1 條裂縫，裂縫長(zhǎng)度L=181 cm，最大裂縫寬度W=0.11 mm。

HL14 主要缺陷為：從北端往南300 cm 范圍內(nèi)混凝土破損露筋，鋼筋變形，鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力破壞。軌道梁至碼頭后沿方向第一榀縱梁間：下橫梁西側(cè)共計(jì)14 條裂縫，其中最大裂縫長(zhǎng)度為180 cm，最大裂縫寬度為0.43 mm；上橫梁西側(cè)共計(jì)9 條裂縫，其中最大裂縫長(zhǎng)度為200 cm，最大裂縫寬度為0.48 mm；上橫梁東側(cè)共計(jì)5 條裂縫，其中最大裂縫長(zhǎng)度為 200 cm，最大裂縫寬度為0.32 mm；上橫梁底部共計(jì)7 條裂縫，其中最大裂縫長(zhǎng)度為170 cm，最大裂縫寬度為0.28 mm。

圖7 HL14 混凝土表觀損害示意圖

HL13、HL14 檢查完成后，對(duì)臨近的HL12 和HL15 進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)外觀可見(jiàn)損害。

2）混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)

橫梁混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)對(duì)于肉眼可見(jiàn)混凝土碎裂區(qū)域進(jìn)行了分區(qū)，其中混凝土裂縫寬度小于5.0 mm 的開(kāi)展內(nèi)部缺陷檢測(cè)，對(duì)于混凝土裂縫寬度大于5.0 mm 的區(qū)域，由于混凝土表觀裂縫嚴(yán)重影響超聲波的發(fā)射與收取，人為判斷內(nèi)部存在缺陷。根據(jù)橫梁裂縫實(shí)際情況，此次橫梁檢測(cè)范圍主要集中在HL13 橫梁13A～13D 段及HL14 橫梁14A～14D段，經(jīng)測(cè)試相關(guān)檢測(cè)部位超聲波形較好，被測(cè)試區(qū)域混凝土聲速在4.560 km/s～4.880 km/s 之間[4]，且聲速值的離差系數(shù)均較?。? %），被測(cè)試構(gòu)件混凝土內(nèi)部質(zhì)量密實(shí)性良好，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

3.3 縱梁

1）外觀檢測(cè)

通過(guò)對(duì)HL12 與HL15 間縱梁外觀檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，縱梁損害主要發(fā)生在HL12 排架與HL13 排架間，主要表現(xiàn)為混凝土表面受拉開(kāi)裂。本項(xiàng)目碼頭共布置6 榀縱向梁系，在HL12 與HL13 間的縱梁均出現(xiàn)了表觀拉裂，其中最大裂縫長(zhǎng)度為150 cm，最大裂縫寬度為0.81 mm。

2）混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)

對(duì)所涉及到的縱向梁系進(jìn)行了混凝土內(nèi)部探傷檢測(cè)，相應(yīng)檢測(cè)部位超聲波形較好，被測(cè)試區(qū)域混凝土聲速在4.580 km/s～4.900 km/s 之間，且聲速值的離差系數(shù)均較?。?%），被測(cè)試構(gòu)件混凝土內(nèi)部質(zhì)量密實(shí)性良好，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

4 檢測(cè)結(jié)論及修復(fù)建議

4.1 檢測(cè)結(jié)論

本項(xiàng)目碼頭結(jié)構(gòu)在超等級(jí)船舶的意外撞擊下發(fā)生了局部損害，由于船舶瞬間撞擊力較大，使得碼頭橫梁HL14 前端瞬間發(fā)生混凝土彎曲破壞，從而吸收了絕大部分撞擊能量，避免了碼頭整體結(jié)構(gòu)損害的進(jìn)一步發(fā)展，通過(guò)對(duì)樁基、混凝土梁系的外觀和內(nèi)部檢測(cè)可知，碼頭結(jié)構(gòu)損害僅在小范圍內(nèi)發(fā)生，碼頭受損程度有限，不影響整體結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。

4.2 修復(fù)建議

目前常用的碼頭結(jié)構(gòu)修復(fù)方法有以下幾種[5]：1）列席灌漿修補(bǔ)法；2）外包混凝土加固法；3）高分子聚合物砂漿涂抹法；4）外貼高強(qiáng)纖維材料或鋼板加固法；5）纖維混凝土加固法；6）噴射砂漿法；7）更換法；8）體外預(yù)應(yīng)力混凝土法等。合理的修復(fù)方案應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)條件、使用條件、施工條件等綜合確定，本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)施工尚未完成，主要施工設(shè)備機(jī)具仍在施工現(xiàn)場(chǎng)，且碼頭尚未移交，因而采用更換法最為合適。根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)論，僅HL14 前端由于混凝土受扭損害嚴(yán)重，其余部分構(gòu)件均表現(xiàn)為表觀裂縫，因而推薦對(duì)HL14 前端進(jìn)行更換，對(duì)其余部分采取高分子聚合物砂漿封閉裂縫的修復(fù)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

在碼頭結(jié)構(gòu)損害發(fā)生后，合理的檢測(cè)范圍、適宜的檢測(cè)方案，不僅能正確評(píng)估碼頭受損情況，同時(shí)也將對(duì)后續(xù)的結(jié)構(gòu)修復(fù)起到指導(dǎo)作用。本項(xiàng)目損害發(fā)生后，立即啟動(dòng)檢測(cè)程序，為后續(xù)結(jié)構(gòu)修復(fù)提供了科學(xué)依據(jù)，可供類似情況碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)參考。