裝卸設(shè)備升級(jí)下的高樁梁板碼頭檢測(cè)評(píng)估

潘新恩,廖德華,扈世龍

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著航運(yùn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,到港船舶大型化、貨物多樣化,在役碼頭常出現(xiàn)由于原有裝卸設(shè)備裝卸能力與裝卸效率難以提升,而產(chǎn)生制約港口企業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題[1]。配置成本合理、效率匹配的裝卸設(shè)備資源有利于提高港口碼頭的裝卸效率和貨物吞吐量,提升港口企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力[2],在役碼頭裝卸設(shè)備及工藝升級(jí)已成為突破這一瓶頸問(wèn)題的重要方法。碼頭前沿裝卸設(shè)備升級(jí)通常會(huì)因荷載作用和使用條件發(fā)生改變,而對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的安全使用造成潛在的安全隱患及產(chǎn)生不良影響。

高樁梁板碼頭在我國(guó)港口建設(shè)中廣泛應(yīng)用,其結(jié)構(gòu)構(gòu)件比其他形式碼頭單薄,構(gòu)件在使用過(guò)程中更易遭受損壞,結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料性能的劣化、結(jié)構(gòu)損傷會(huì)對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力產(chǎn)生重大的影響。早期大多數(shù)碼頭建設(shè)時(shí),未考慮未來(lái)前沿裝卸工藝設(shè)備升級(jí)而預(yù)留結(jié)構(gòu)安全富裕,后期進(jìn)行碼頭裝卸設(shè)備及工藝升級(jí)改造往往存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)行的檢測(cè)規(guī)范[3]對(duì)碼頭相關(guān)檢測(cè)評(píng)估的要求已經(jīng)有了明確的規(guī)定,也有很多學(xué)者[4-7]對(duì)高樁碼頭檢測(cè)評(píng)估進(jìn)行了研究,但是關(guān)于裝卸工藝升級(jí)改造的專項(xiàng)評(píng)估研究較少,且高樁梁板碼頭前沿裝卸設(shè)備及工藝升級(jí)存在較多不確定因素,影響因子較復(fù)雜,結(jié)構(gòu)安全評(píng)估難度大,目前還未形成系統(tǒng)、高效的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法。對(duì)于高樁梁板碼頭前沿裝卸設(shè)備升級(jí)的安全評(píng)估,本文提出了在滿足現(xiàn)行規(guī)范常規(guī)結(jié)構(gòu)檢測(cè)和結(jié)構(gòu)復(fù)核驗(yàn)算的基礎(chǔ)上,通過(guò)增加碼頭結(jié)構(gòu)荷載,試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)真實(shí)承載力,以保證結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估結(jié)果更加安全、真實(shí)可靠。

1 工程案例分析

某內(nèi)河件雜貨碼頭的水工建筑物采用現(xiàn)澆高樁梁板樁框架式結(jié)構(gòu)。碼頭基礎(chǔ)為灌注型嵌巖樁,樁徑為1.8 m,樁基持力層為中風(fēng)化石灰?guī)r。碼頭頂面門座起重機(jī)下設(shè)兩條現(xiàn)澆T型軌道梁,軌距為10.50 m。為滿足生產(chǎn)和發(fā)展需要,碼頭運(yùn)行管理部門擬將碼頭前沿裝卸設(shè)備升級(jí)為1臺(tái)25 t-30 m門座式起重機(jī),原有的1臺(tái)50 t通用門式起重機(jī)和1臺(tái)8 t門式起重機(jī)將陸續(xù)拆除;原設(shè)計(jì)的碼頭面流動(dòng)機(jī)械荷載由30 t載重汽車變更為55 t載重汽車。碼頭結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

圖1 碼頭典型結(jié)構(gòu)斷面圖(mm)

本文依據(jù)《水運(yùn)工程水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》(JTS304-2019)[3](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)第3.0.4.1條:“改變建筑物的功能或使用條件時(shí),應(yīng)對(duì)水工建筑物進(jìn)行安全性、適用性及耐久性評(píng)估。”為了掌握現(xiàn)狀碼頭裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性能,針對(duì)碼頭基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)開(kāi)展評(píng)估工作,檢測(cè)、分析驗(yàn)算和評(píng)判前沿裝卸設(shè)備升級(jí)后碼頭結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能是否滿足規(guī)范要求,為決策提供科學(xué)依據(jù)。

2 碼頭檢測(cè)與評(píng)估

2.1 檢測(cè)評(píng)估方法

目前,碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)方案中涉及的檢測(cè)流程、內(nèi)容以及方法較為系統(tǒng),主要關(guān)注碼頭結(jié)構(gòu)的外觀損傷情況、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定狀況、結(jié)構(gòu)材料性能的劣化狀況以及結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境等方面的內(nèi)容[8]。結(jié)構(gòu)復(fù)核驗(yàn)算使用的是現(xiàn)行規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估方法,需要結(jié)合碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際使用狀況進(jìn)行充分考慮,本質(zhì)是以概率理論為基礎(chǔ)的構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)或正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算,以實(shí)測(cè)值或驗(yàn)算值與現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定限值的比值進(jìn)行等級(jí)的劃分,偏理論性和依賴于有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員,結(jié)果因人而異。

以往碼頭結(jié)構(gòu)常規(guī)檢測(cè)都是對(duì)碼頭局部抽樣進(jìn)行檢測(cè),雖然檢測(cè)過(guò)程中是隨機(jī)進(jìn)行抽樣,結(jié)果具有一定的代表性、科學(xué)性,但是局部檢測(cè)的數(shù)據(jù)不能反映結(jié)構(gòu)的整體性能和質(zhì)量狀況。而結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)結(jié)果在檢測(cè)評(píng)估中往往較為直觀、真實(shí)、可靠,通過(guò)合理、有效的加載方式與測(cè)點(diǎn)布置,實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的整體承載能力,試驗(yàn)結(jié)果輔助評(píng)估結(jié)論,更有說(shuō)服力。因此,本次檢測(cè)評(píng)估在以往碼頭常規(guī)結(jié)構(gòu)檢測(cè)和結(jié)構(gòu)復(fù)核驗(yàn)算的基礎(chǔ)上,增加了碼頭結(jié)構(gòu)載荷試驗(yàn),以便客觀真實(shí)地檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)承載力。

2.2 碼頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)

依據(jù)《規(guī)范》,本次碼頭結(jié)構(gòu)實(shí)體質(zhì)量檢測(cè)的主要內(nèi)容有:碼頭結(jié)構(gòu)水上構(gòu)件外觀檢查、碼頭結(jié)構(gòu)水下構(gòu)件外觀檢查、碼頭結(jié)構(gòu)整體變形與變位、主要受力構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土碳化深度、鋼筋腐蝕電位、主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸復(fù)核、接岸擋墻等檢測(cè)項(xiàng)目。碼頭結(jié)構(gòu)常規(guī)檢測(cè)結(jié)果經(jīng)判定均符合《規(guī)范》要求,未見(jiàn)異常。常規(guī)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 碼頭結(jié)構(gòu)常規(guī)檢測(cè)結(jié)果一覽表

2.3 碼頭結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核驗(yàn)算

根據(jù)碼頭新增25 t-30 m門座式起重機(jī)、流動(dòng)運(yùn)輸車輛等荷載影響范圍及后續(xù)使用的實(shí)際情況,本次評(píng)估結(jié)構(gòu)復(fù)核驗(yàn)算主要是對(duì)碼頭上部結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件(縱梁、軌道梁、連系梁、橫梁和立柱等)的承載力、裂縫寬度,以及碼頭下部基樁豎向承載力進(jìn)行驗(yàn)算。碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 碼頭單排架結(jié)構(gòu)示意圖

驗(yàn)算結(jié)果表明:改變前沿裝卸設(shè)備及工藝后,碼頭軌道梁、縱梁、橫梁、連系梁、立柱及基樁在設(shè)計(jì)荷載作用下承載能力均能滿足規(guī)范要求,各主要受力構(gòu)件均具有足夠的承載能力,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗裂性能滿足規(guī)范要求。主要構(gòu)件驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2～4。

表2 軌道梁截面彎矩及裂縫寬度復(fù)核結(jié)果表

表3 立柱抗彎、抗壓承載力及裂縫寬度復(fù)核結(jié)果表

表4 樁承載能力及裂縫寬度復(fù)核結(jié)果表

2.4 碼頭結(jié)構(gòu)載荷試驗(yàn)

高樁梁板碼頭上幾乎所有的荷載都是通過(guò)橫梁傳遞至基樁,受力比較復(fù)雜。為確保碼頭安全穩(wěn)定的運(yùn)行,判定改變前沿裝卸設(shè)備及工藝后的碼頭工作狀態(tài),選定碼頭橫梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)。通過(guò)局部結(jié)構(gòu)受力變形荷載試驗(yàn),其結(jié)果可反映碼頭結(jié)構(gòu)整體受力性狀,以此達(dá)到分析和推斷結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)的目的。采用數(shù)值模擬軟件建立計(jì)算模型,將碼頭荷載按最不利荷載組合等效轉(zhuǎn)換成汽車輪胎荷載,采用過(guò)磅稱重的載重汽車壓在碼頭面指定位置進(jìn)行加載。

根據(jù)碼頭使用實(shí)際情況,考慮最不利的荷載組合,25 t-30 m門座式起重機(jī)+55 t載重汽車,沖擊系數(shù)取1.3,門機(jī)支腿輪壓按最大輪壓250 kN的不利情況考慮。碼頭荷載試驗(yàn)結(jié)構(gòu)選擇為:碼頭第11軸橫梁AB段作為試驗(yàn)跨,在跨中布置1個(gè)測(cè)試截面A1。A1截面為11軸橫梁AB段最大正彎矩截面,即相應(yīng)工況的控制截面。本次安排1個(gè)試驗(yàn)工況,分兩級(jí)進(jìn)行加載,以第二級(jí)為終極荷載。

(1)在橫梁A1截面布置豎向位移測(cè)點(diǎn)。位移測(cè)點(diǎn)布置于A1截面底部,共2個(gè)測(cè)點(diǎn)(為a點(diǎn)、b點(diǎn))。

(2)在橫梁A1截面布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)均為單向測(cè)點(diǎn),布置于橫梁底面及兩側(cè)面,底面采用鋼筋應(yīng)變片(1#點(diǎn)、2#點(diǎn)),其余采用混凝土電阻式應(yīng)變片測(cè)量(3#～12#點(diǎn)),A1截面共布置12個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖3所示。

本次碼頭結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)采用3輛(1#車、2#車、3#車)過(guò)磅稱重后的三軸載重汽車,分級(jí)進(jìn)行荷載加載(如圖4所示)。碼頭靜載試驗(yàn)工況及試驗(yàn)荷載效率如下頁(yè)表5所示。

注:圖中表示橫梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn),表示豎向位移(撓度)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)圖3 試驗(yàn)橫梁A1截面應(yīng)變、撓度測(cè)點(diǎn)布置圖(cm)

表5 碼頭荷載試驗(yàn)工況及荷載試驗(yàn)結(jié)果表

圖4 試驗(yàn)橫梁AB段A1截面最大正彎矩試驗(yàn)車平面布置圖(mm)

第二級(jí)終極荷載試驗(yàn)下的試驗(yàn)梁段截面撓度、應(yīng)變結(jié)果如下頁(yè)表6和圖5～7所示。

表6 第二級(jí)荷載下試驗(yàn)梁段截面撓度、應(yīng)變結(jié)果表

注:圖中數(shù)據(jù)均為加載最后一級(jí)(滿載)時(shí)撓度圖5 試驗(yàn)橫梁A1截面撓度橫向分布曲線圖

注:從下到上為1#、7#、6#、5#、4#、3#測(cè)點(diǎn)圖6 試驗(yàn)橫梁A1截面中性軸位置分析圖

在試驗(yàn)過(guò)程中,試驗(yàn)梁段構(gòu)件未出現(xiàn)裂縫且無(wú)異常響聲或發(fā)生其他異常情況。在試驗(yàn)荷載作用下,試驗(yàn)梁段實(shí)測(cè)彈性撓度小于計(jì)算撓度,試驗(yàn)梁段控制截面應(yīng)變沿高度分布符合平截面假定趨勢(shì),碼頭(11軸橫梁AB段)主測(cè)截面的應(yīng)變和撓度校驗(yàn)系數(shù)均<1.0,說(shuō)明試驗(yàn)梁段的整體剛度、強(qiáng)度滿足要求;主測(cè)截面在卸載后殘余撓度和殘余應(yīng)變最大分別為14.3%和3.4%,均<20%,說(shuō)明結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下處于彈性受力狀態(tài)。綜上,碼頭(11軸橫梁AB段)的承載能力滿足《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1-2010)規(guī)定的設(shè)計(jì)荷載正常使用要求。試驗(yàn)結(jié)果表明,碼頭結(jié)構(gòu)整體可靠,具有足夠的承載能力,改變前沿裝卸設(shè)備及工藝后不影響碼頭結(jié)構(gòu)安全性。

3 碼頭結(jié)構(gòu)評(píng)估

綜合碼頭結(jié)構(gòu)常規(guī)檢測(cè)結(jié)果、結(jié)構(gòu)復(fù)核驗(yàn)算結(jié)果以及碼頭結(jié)構(gòu)載荷試驗(yàn)結(jié)果可知:現(xiàn)狀碼頭工程質(zhì)量總體較好,外觀未見(jiàn)明顯的損傷,結(jié)構(gòu)材料未見(jiàn)明顯的劣化,未發(fā)現(xiàn)存在影響結(jié)構(gòu)承載力發(fā)揮的結(jié)構(gòu)缺陷和損傷,無(wú)明顯不均勻沉降、位移,結(jié)構(gòu)整體現(xiàn)狀穩(wěn)定可靠。

根據(jù)《規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定要求,本碼頭結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估等級(jí)為A級(jí),結(jié)構(gòu)適用性評(píng)估等級(jí)為B級(jí),結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估等級(jí)為B級(jí),在后期的使用中,建議業(yè)主加強(qiáng)碼頭主體結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)和定期檢查維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)經(jīng)本次檢測(cè)評(píng)估,碼頭改變前沿裝卸設(shè)備及工藝升級(jí)后已投入使用較長(zhǎng)一段時(shí)間,并已進(jìn)行多輪結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,碼頭結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定,未見(jiàn)異常。業(yè)主反饋碼頭使用正常,表明本次碼頭結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測(cè)評(píng)估結(jié)果真實(shí)可靠。

(2)現(xiàn)階段高樁碼頭結(jié)構(gòu)的局部抽樣檢測(cè)具有一定的局限性,常規(guī)檢測(cè)數(shù)據(jù)難以全面反映結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量狀況和承載能力,建議在役高樁梁板碼頭進(jìn)行前沿裝卸設(shè)備升級(jí)及定期檢測(cè)評(píng)估時(shí),要進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)真實(shí)的整體承載能力,確保檢測(cè)評(píng)估結(jié)果更加真實(shí)可靠,保障碼頭后期的使用安全。

(3)結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)檢測(cè)在橋梁領(lǐng)域廣泛使用,效果顯著,但在港口碼頭領(lǐng)域使用還比較少。建議在港口碼頭質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)范修編中,將結(jié)構(gòu)載荷試驗(yàn)作為一項(xiàng)高樁梁板碼頭試驗(yàn)檢測(cè)手段,進(jìn)行推廣應(yīng)用。