黃驊港某碼頭破損橫梁加固研究

趙博 駱城

0 引言

黃驊港某碼頭于2005年11月正式營運。該碼頭前沿設計水深-11.5 m,碼頭頂面高程+6.0 m,可停靠2艘萬噸級輪船;碼頭的每個排架由600×600預應力鋼筋混凝土叉樁和直樁構成,樁上現澆樁帽,樁帽上安設預制橫梁和縱梁結構,梁上安放500 mm厚預應力空心面板;面層為不大于130 mm的磨耗層。靠泊設施包括碼頭前沿TD-B600H和TD-B300H兩種拱形橡膠護舷,1 000 kN系船柱等。

該碼頭自投入使用后,由于實際情況所需,碼頭面層上過大型吊車等荷載,對碼頭的結構構件造成了較大的影響,尤其是該碼頭的橫梁構件,出現了大范圍的裂縫破損,為了能分析橫梁出現大面積開裂的原因,并提出經濟合理的加固維修方法,特對該碼頭破損橫梁構件采用ANSYS軟件進行分析論證。

1 破損情況介紹

黃驊港某碼頭的1號,2號泊位經調查發現,樁、縱梁、面板等構件完好,但是碼頭橫梁破損嚴重。橫梁破損形式均為裂縫破損,裂縫一般出現在橫梁的跨中、1/3跨和橫梁靠近搭接部位處,裂縫一般都是三面貫通裂縫,有少數裂縫只出現在梁底或者梁的兩側,根據裂縫的位置和破損形式可知裂縫一般為受力裂縫,是由于荷載過大而造成碼頭構件的開裂;橫梁裂縫多伴隨有流白漿現象,其寬度較小,一般小于0.1 mm;裂縫深度經過現場檢測可知多在150 mm～250 mm之間。據統計,該碼頭共計有71根橫梁出現了裂縫破損,數量很多,約占橫梁總數的17%。所以該碼頭的橫梁破損嚴重,需要及時進行破損原因分析并采取科學合理的加固維修措施。

2 橫梁破損機理和加固維修效果驗證

為了探求橫梁的開裂原因,我們采用有限元軟件ANSYS對黃驊港某碼頭橫梁的受力情況進行了有限元分析。

計算中,單元選用三維Solid45單元,單梁長 3.65 m,凈跨度3.05 m,梁底寬度1.0 m,T梁頂寬度1.6 m,梁高1.8 m,翼緣高0.3 m,按4跨連續梁考慮計算。各混凝土指標的數值見表1。

表1 各混凝土指標的數值

有限元模型中節點7 673個,單元35 908個,其示意圖見圖1。

計算中考慮結構自重、上部結構(如板和面層等)傳遞到橫梁的重量以及吊車支腿荷載。考慮160 t吊車工作時最大單腿支撐壓力2 000 kN,作用于橫梁第三跨中部。

計算結果見圖2,其中應力單位為Pa,位移單位為m。

從圖2中可以看出,除去集中荷載作用位置造成的應力集中外,整個橫梁應力最大的位置出現在橫梁底部。

荷載作用下橫梁底部出現了較大的拉應力,最大值為1.83 MPa,已經超過C40混凝土的抗拉強度1.8 M Pa,因此,在該荷載工況下,混凝土橫梁的底部就有可能產生裂縫。

由于目前部分橫梁底部產生了裂縫,如果不維修而繼續使用的話,在一定的荷載作用下,裂縫會迅速發展,不僅降低橫梁斷面的承載能力,還會加速氯離子向混凝土內部滲透,導致鋼筋銹蝕,情況嚴重的話,甚至會影響碼頭結構的安全使用。

因此建議對混凝土進行外包加固。外包范圍將覆蓋橫梁跨中以及1/3跨的裂縫。但外包加固后其加固效果能否滿足需要,就要進行建模驗證。根據實際加固尺寸建立模型(見圖3)。外包加固后模型節點8 162個,單元38 365個。在荷載作用位置及大小不變的情況下,對橫梁進行外包維修后的模型進行計算,將橫梁底部單元單獨列出,應力分布見圖4。

對比圖2,圖4可以看出,對橫梁進行加固維修后,橫梁底部出現的拉應力明顯降低,降低幅度約20%。橫梁經過外包加固后應力已低于C40混凝土的抗拉強度,在現有工況條件下不會再出現裂縫,因此該維修方案是可行且十分有效果的。

3 結語

通過對黃驊港某碼頭橫梁開裂的原因進行分析,可知該碼頭橫梁開裂是由于受到超出設計能力的非常規荷載造成的,需要碼頭管理部門進一步規范操作方法,嚴格控制堆載、流動荷載等,防止碼頭構件出現開裂破損;針對橫梁的破損,特提出了原地加固補強維修的方法,這樣可以節省維修費用,并且不影響碼頭的正常作業,通過模型分析可知,該局部外包加固方法效果顯著,方法先進,資金節省,工期合理,是科學合理的維修加固方法,值得推廣和借鑒。

[1] 朱崇誠.高樁碼頭橫梁極限承載力有限元分析[J].水運工程,2009(5):27-29.

[2] 陳忠華.高樁碼頭橫梁裂縫成因分析與對策[J].水運工程,2006(5):319-321.