新型高分子材料在長(zhǎng)江口深水航道北堤5號(hào)燈樁上的應(yīng)用研究

摘要：東海海域傳統(tǒng)的燈樁大都采用鋼制結(jié)構(gòu)，但隨著時(shí)間的推移，鋼制結(jié)構(gòu)受到惡劣氣候、海洋環(huán)境和常規(guī)磨損的影響，需要定期的維護(hù)和保養(yǎng)以確保其性能和安全性。本文通過長(zhǎng)江口深水航道北堤5號(hào)燈樁改造后效果評(píng)價(jià)，分析新型高分子材料在燈樁建造上的優(yōu)劣勢(shì)和實(shí)用性，為新型高分子材料在海上導(dǎo)航和海洋安全領(lǐng)域的適用性，提供參考。

關(guān)鍵詞：高分子材料；傳統(tǒng)燈樁；應(yīng)用實(shí)踐

0 引 言

傳統(tǒng)上，燈樁的維修和保養(yǎng)通常依賴于金屬材料和傳統(tǒng)維修工藝。然而，金屬材料抗紫外線能力、著色能力以及抗腐蝕能力，在復(fù)雜海域的條件下，無法具有持久穩(wěn)定性。隨著科技進(jìn)步，新型高分子材料的出現(xiàn)引發(fā)了在這一領(lǐng)域進(jìn)行深入研究的興趣。玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）、聚合物復(fù)合材料/聚氨酯（PU）這些高分子材料具有出色的耐腐蝕性、抗紫外線性能、輕質(zhì)化特性以及可定制性，為燈樁的維修和保養(yǎng)帶來了全新的機(jī)遇。通過對(duì)各種高分子材料特性的對(duì)比和選擇，長(zhǎng)江口深水航道北堤5號(hào)燈樁改造最終選擇以樁體中間灌裝聚氨醋、樁身采用線性低密度聚乙烯材料的方案進(jìn)行改造和探討。

1 燈樁的技術(shù)要求

燈樁是一種海上導(dǎo)航助航設(shè)施，它通過發(fā)出特定頻率和顏色的燈光信號(hào)，幫助船只在夜間或能見度低的情況下識(shí)別方向和避開危險(xiǎn)區(qū)域。燈樁可以是獨(dú)立的塔形結(jié)構(gòu)，也可以是建在島嶼、巖石或其他固定物體上的。它們是9xXQy+Oqn9Svzug8PWjwB0r1Rpt2c5D0HmXQyc8uzDI=海上交通安全的重要組成部分，對(duì)于指引船只安全航行、避免觸礁和擱淺等事故起著至關(guān)重要的作用。

根據(jù)《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》《海區(qū)航標(biāo)效能驗(yàn)收規(guī)范》等相關(guān)技術(shù)規(guī)范，燈樁的建造需符合位置、燈質(zhì)、涂色、結(jié)構(gòu)等驗(yàn)收指標(biāo)外。由于燈樁是重復(fù)建造的建筑類型，按照統(tǒng)一的建筑模數(shù)、建筑標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)定等進(jìn)行設(shè)計(jì)在基本滿足使用要求和修建條件的情況下，盡可能具有通用互換性。新型高分子燈樁系列化設(shè)計(jì)有益于工程建設(shè)節(jié)約設(shè)計(jì)費(fèi)用，使工程工藝定型，容易提高工人技術(shù)水平，工程建設(shè)質(zhì)量得到保證，并能工程建設(shè)施工進(jìn)度大大加快，有利于生產(chǎn)成本的大幅度降低。

2 傳統(tǒng)鋼質(zhì)燈樁面臨的困境

鋼管燈樁腐蝕程度高，影響燈樁使用壽命是傳統(tǒng)鋼質(zhì)燈樁面臨的最主要困境。鋼鐵在海洋環(huán)境中的腐蝕很不均勻，在浪花飛濺區(qū)的腐蝕最為嚴(yán)重，約是海水全浸區(qū)的 3?10 倍。鋼材普遍采用“涂層覆蓋+陰極保護(hù)技術(shù)”進(jìn)行防護(hù)，在服役 3?5 年后，出現(xiàn)局部銹蝕現(xiàn)象，一般6?10年后，銹蝕嚴(yán)重，進(jìn)入大修期，如圖1所示。但長(zhǎng)江口海域工況惡劣，浪花飛濺區(qū)2年左右出現(xiàn)大規(guī)模銹蝕，而燈樁樁身一旦發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕破壞，會(huì)大大縮短使用壽命。同時(shí)，浪濺區(qū)鋼管表面色脫落嚴(yán)重，降低了航標(biāo)助航效能，增加維護(hù)難度，提高船舶及人力的維護(hù)成本。

3 高分子材料的特性與選擇

在選擇高分子材料時(shí)，必須綜合考量該材料的強(qiáng)度和剛度，確保材料具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以支撐和穩(wěn)定燈樁結(jié)構(gòu)；鑒于燈樁通常在惡劣環(huán)境條件下運(yùn)行，材料必須具有良好的抗腐蝕性，以防止損害，耐腐蝕性也是必須考量的因素之一。同時(shí)，因燈樁長(zhǎng)期處在條件惡劣的海浪和陽光暴曬下，容易顏色褪色和表面劣化或受到船舶碰撞或其他物理傷害，還應(yīng)考量其耐紫外線性、耐磨性和溫度穩(wěn)定性，以確保該材料是可行的。綜合考量性能、成本和環(huán)境因素，并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試以驗(yàn)證其燈樁維修中的可行性。這樣可以確保維修工作的質(zhì)量、可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)效益。這些類型包括但不限于以下幾種：

玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP），常用于制造耐候性和耐腐蝕的構(gòu)件，由塑料基體和玻璃纖維增強(qiáng)材料組成，具有出色的耐腐蝕性、輕量化和高強(qiáng)度。

碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）： 類似于GFRP，CFRP也是一種復(fù)合材料，但其使用碳纖維增強(qiáng)材料。它通常比GFRP更輕且具有更高的強(qiáng)度，但也更昂貴。

聚合物復(fù)合材料： 這包括各種聚合物基體與增強(qiáng)材料（如纖維或顆粒）的組合。聚合物復(fù)合材料可以根據(jù)需要進(jìn)行定制，以滿足不同應(yīng)用的要求。

聚氨酯（PU）： PU是一種彈性聚合物，具有出色的抗沖擊性和耐磨性。它可以用于制造燈樁底座或防撞保護(hù)部件。

4 長(zhǎng)江口深水航道北堤5號(hào)燈樁應(yīng)用實(shí)例

長(zhǎng)江口是長(zhǎng)江黃金水道的咽喉，河勢(shì)復(fù)雜多變。作為世界巨型河口航道治理的典范，長(zhǎng)江口的工程建設(shè)者們通過整治與疏浚相結(jié)合的總體方案，通過實(shí)施一系列的重大工程，取得了良好的整治效果。隨著深水航道工程建設(shè)實(shí)施以來，助航設(shè)施建設(shè)一直及時(shí)跟進(jìn)，為長(zhǎng)江口船舶的通航提供了可靠的保障。但長(zhǎng)江口工況惡劣，現(xiàn)有燈樁受地基影響、海況環(huán)境影響以及船舶通航影響，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全性降低、腐蝕速度高、表面色脫落快等現(xiàn)象，導(dǎo)致助航效能大幅降低，維護(hù)成本高啟。

北堤5號(hào)燈樁充分考慮了長(zhǎng)江口航道的使用條件和要求，為確保其穩(wěn)定性、耐久性和安全性并延長(zhǎng)燈樁的使用壽命，減少了維護(hù)成本，選擇了以下方案，如圖2、圖3所示：

首先，材料方面，浮筒使用線性低密度聚乙烯材料是明智之舉，因?yàn)樗哂懈邚?qiáng)度、輕質(zhì)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。這對(duì)于燈樁的浮力和穩(wěn)定性至關(guān)重要，尤其是在海洋環(huán)境中；中間灌裝聚氨醋的方式是一項(xiàng)有益的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗行У馗綦x了海水和紫外線，減少了對(duì)燈樁的腐蝕和損壞。這有助于延長(zhǎng)燈樁的使用壽命，并減少維護(hù)成本。結(jié)構(gòu)材料使用不銹鋼材料是合理的選擇，因?yàn)樗哂辛己玫乃苄院秃附有?，這有助于確保燈樁結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性。

連接和荷載性能，爬梯連接和固定采用四角固定處和一體成型燒制內(nèi)襯鋼管的方法增強(qiáng)了連接強(qiáng)度。這確保了工作人員登爬時(shí)的安全性，并延長(zhǎng)了使用壽命。燈樁爬梯的安全負(fù)載為1噸，這確保了在必要時(shí)，人員和設(shè)備能夠安全登爬和維修燈樁。

最后，在結(jié)構(gòu)改造方面，浮筒外形結(jié)構(gòu)將浮筒的凸臺(tái)和內(nèi)凹設(shè)計(jì)形成了集牟結(jié)構(gòu)，這有助于防止海水灌入樁體。這是一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)元素，可以保護(hù)燈樁的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期性能；浮筒結(jié)構(gòu)采用三層結(jié)構(gòu)的浮筒設(shè)計(jì)非常有趣，尤其是內(nèi)部填充聚氨醋發(fā)泡。這種結(jié)構(gòu)有助于增強(qiáng)殼體和聚氨醋之間的黏結(jié)，規(guī)避了縮殼的問題，從而提高了浮筒的耐久性。采用新型工藝處理和高強(qiáng)度不銹鋼內(nèi)襯以及浮筒燒制成一體的方法，增強(qiáng)了浮筒組合的強(qiáng)度。這確保了燈樁的可靠性，尤其是在承受額外載荷時(shí)。

5北堤5燈樁改造后效果評(píng)價(jià)

通過北堤5號(hào)燈樁的改造案例（見圖4），線性低密度聚乙烯（LDPE）結(jié)構(gòu)燈樁在改造的過程中，有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：

輕質(zhì)化： LDPE結(jié)構(gòu)燈樁非常輕，相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)燈樁來說重量較輕。這使得它們更容易安裝和維護(hù)，減少了建造和維護(hù)的成本。

易加工性： LDPE是一種易于加工和成型的材料，可以制造出各種形狀和結(jié)構(gòu)的燈樁。這使得定制化設(shè)計(jì)變得更加容易。

環(huán)保： LDPE是可回收材料，有助于減少廢棄物的產(chǎn)生，并降低對(duì)有限資源的依賴。這符合可持續(xù)性管理的原則。

結(jié)構(gòu)多樣性： LDPE結(jié)構(gòu)燈樁可以設(shè)計(jì)成多種形狀和顏色，以滿足不同導(dǎo)航需求。它們通常具有醒目的顏色和可見性，有助于導(dǎo)航。

易于安裝： 由于其輕質(zhì)化，LDPE結(jié)構(gòu)燈樁的安裝相對(duì)容易，通常無須使用大型吊裝設(shè)備。這降低了安裝成本和難度。

經(jīng)過一段時(shí)間試運(yùn)行，航標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)巡檢發(fā)現(xiàn)新型高分子材料應(yīng)用的樁身顏色更加醒目，避免了因表面油漆脫落造成樁身顏色暗淡情況的發(fā)生，樁身結(jié)構(gòu)耐腐蝕性及抗紫外線性能得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。樁身模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及材料的多種可塑性，安裝相對(duì)容易，對(duì)后續(xù)燈樁結(jié)構(gòu)改造更加有利，大大提高維修效率。在海上惡劣環(huán)境下，具有較好的耐磨性，可以更好地延長(zhǎng)了改造后燈樁的使用壽命，進(jìn)而降低了維護(hù)成本。通過對(duì)北堤5號(hào)燈樁樁身新型高分子材料現(xiàn)場(chǎng)改造試驗(yàn)，目前整體效果良好。

6 結(jié) 論

燈樁通常建設(shè)在沿海及有人或無人的艱苦島嶼上，對(duì)材料施工的適用地點(diǎn)要求極高。傳統(tǒng)鋼筋混凝土材質(zhì)適用于近?？诎都爸匦蜋C(jī)械設(shè)備能夠到達(dá)的地方，鋁合金材質(zhì)適用于可搭設(shè)大型腳架并且工期較充裕的近海及有人島嶼，線性低密度聚乙烯結(jié)構(gòu)燈樁具有輕質(zhì)、耐腐蝕、抗紫外線、環(huán)保、易加工、易安裝等特點(diǎn)，適用于環(huán)境極端艱苦且要求短時(shí)間內(nèi)完成的無人島礁。高分子燈樁作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、環(huán)保綠色的新型材料燈樁，技術(shù)可靠，工藝先進(jìn)，施工方便，綠色環(huán)保，為燈樁建造、管理、養(yǎng)護(hù)等方面帶來良好的工作成效，在航海保障中將發(fā)揮積極的作用，行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。

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作者簡(jiǎn)介：

陳磊，學(xué)士，工程師，從事航標(biāo)管理，（E-mail）317942076@qq.com，13636678494