在役碼頭結構檢測評估現狀與展望

李沛，李東軍

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

碼頭結構在使用過程中不斷出現的材料劣化和功能降低現象，導致其原有靠泊能力堪憂，科學、合理地檢測和評估在役碼頭結構的安全性、使用性和耐久性已是實際的工程需要。

工程結構的檢測評估起源于20世紀四五十年代，在經歷結構損傷缺陷原因及相應維護修繕解決辦法研究和結構檢測技術及評估方法研究的兩階段后，自20世紀80年代起，一系列檢測與評估標準、規范相繼制定并實施，知識工程被引入，工程結構的檢測評估向智能化的方向邁進。碼頭結構是工程結構的一種，查閱相關文獻資料，自20世紀70年代起，我國開始逐漸重視對碼頭結構的檢測、評估[1]。直至2006年，國內首本涉及港口碼頭水工結構檢測與評估的規范JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》[2]頒布，并于2007年正式實施。

為適應經濟發展需要，節約岸線資源，保證船舶靠泊安全，適應船舶大型化發展的要求[3]，交通運輸部在2006—2008年前期試點的基礎上，于2009年正式發布《關于沿海港口碼頭結構加固改造有關事宜的通告》[4]，通告規定截止2012年底對符合條件的碼頭泊位進行加固改造，通過靠泊能力論證后可靠泊不超過原泊位設計最大代表船型2級的船舶。

2013年，新版《港口設施維護技術規范》頒布實施，編號由JTJ/T 289—97更新為JTS 310—2013[5]，由推薦性標準提升為強制性標準，強調按照系統管理的理念，明確了港口設施維護的主要環節和重要管理內容，使得港口碼頭水工結構的檢測評估更加有章可循，檢測與評估活動呈現常態化，開始受到管理和運營部門的普遍重視。

文中從解決的實際問題、檢測評估基本流程、檢測內容和方法、檢測與評估的關系、評估參數限值、評估方法6個方面分析和闡述碼頭結構檢測與評估的研究現狀，指出存在的問題并提出3點對其未來發展方向的思考，為碼頭結構檢測與評估研究提供參考。

1 解決的實際問題

《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》中將檢測與評估定義為檢驗已有結構在未來使用中的可靠性而開展的一系列活動，目的是通過采用檢測手段及時掌握碼頭結構的運行狀態，根據檢測結果評估其在正常使用條件下，承受可能出現的各種作用而保持安全的性能（安全性）、滿足預定使用要求的性能（使用性）和在規定的時間內隨時間變化而仍能滿足預定功能要求的性能（耐久性），其意義在于最終為管理和運營部門對其做出相應維護決策提供技術依據。

《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》和JTS 310—2013《港口設施維護技術規范》兩本規范對維護策略的劃分略有不同。前者根據A、B、C、D 4個評定等級依次劃分為不必采取措施、可不采取措施、及時進行修復、補強和立即進行修復、補強或報廢。而后者根據一類（好）、二類（較好）、三類（較差）、四類（差）、五類（危險）5種技術類別（狀態）劃分為保養、小修、中修、大修或報廢、拆除。

2 檢測與評估的基本流程

檢測與評估的基本流程如圖1所示。必須強調的是：

1）當碼頭結構的外觀破損、結構構件變形與變位及其材料性能劣化影響到其安全和使用時，安全性和使用性評估分級是必須的。

2）應以檢測與評估目的為最終目標開展相應的檢測活動，并應符合相關標準、法律法規的要求，檢測數據應能支撐得出相應的檢測與評估結論。

3 檢測現狀

3.1 檢測內容

在碼頭結構檢測內容方面目前已經形成較為統一的認識，即主要關注碼頭結構的外觀破損狀況、結構變形與變位情況、結構材料性能的劣化狀況及環境狀況。

《港口設施維護技術規范》根據碼頭結構的不同形式，分別制定出不同的檢測項目、內容。《港口碼頭結構安全性檢測與評估指南》等[6-7]將碼頭結構檢測參數具體劃分為11項（構件外觀、碼頭結構的整體變形與變位、鋼筋混凝土各項性能參數、鋼結構、地基與基礎、接岸結構、后方回填工程、岸坡、軌道、停靠船及防護設施和碼頭前沿水深和沖淤）共計40個參數。

《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》、JTS 105-1—2011《港口建設項目環境影響評價規范》[8]和SL 59—2015《河流冰清觀測規范》[9]等對碼頭前沿和設計水域的環境條件調查內容做了較為詳細的制定，其具體檢測參數亦不少于20個。

3.2 檢測方法

檢測方法與檢測技術密切相關：外觀破損檢測主要以目測、敲擊等方式探明檢測構件的破損位置和破損形態，輔以顯微鏡、塞尺、鋼尺、卷尺等儀器和測量工具以量化外觀破損程度；結構的變形與變位檢測主要采用全站儀/GPS、經緯儀、水準儀等測量儀器測量布置于結構表面特定測點的三維、平面、高程坐標，與碼頭特定時期（竣工驗收期、某一觀測期）的相應坐標比較，判斷其變化程度和趨勢，對于一般性水工建筑物，觀測精度應至少滿足三等觀測等級[10]；結構材料性能檢測主要包括鋼筋、混凝土、混凝土保護層、鋼材、鋼材防腐涂層、地基土、回填土、土工合成材料等的物理、化學性能及其劣化/變化趨勢，其涉及的檢測方法多種多樣，原位、無損檢測應是首選；環境狀況檢測包括碼頭前沿設計水深和沖淤變化、碼頭設計水域的水文條件、碼頭設計水域的水質變化等，其檢測方法同樣多種多樣。

4 評估現狀

4.1 檢測與評估的關系

碼頭結構檢測與評估是一門涉及環境學、水力學、結構力學、建筑材料學、斷裂力學、工程地質學等基礎學科，同時與施工技術、檢測技術、使用狀況密切相關的綜合性學科。王廣德等[11]將檢測具體定義為通過檢查、測試等手段獲得碼頭結構某些參數某一時刻現狀的活動；以檢測結果為依據對碼頭結構某些參數進行估量稱為評估。

評估時，需將上述實測參數值（即反應碼頭結構的外觀破損狀況、結構的變形與變位情況、結構材料性能的劣化狀況及環境狀況的某一時刻實測參數值）直接與規范規定的參數限值（即實測參數值的設計值或規范規定的最大值）比較，或代入到某種評估方法中計算、分析得評估參數值（構件內力、穩定系數等）后再與規范規定的參數限值（即評估參數值的設計值或規范規定的最大值）比較。對于耐久性評估，可根據實測參數值與規范規定的參數限值直接比較評定其等級；對于安全性、使用性評估，可根據實測參數值/計算、分析得評估參數值與規范規定的參數限值的比值評定其等級。

4.2 評估參數限值

評估是將實測參數值與規范規定的參數限值相比較，規范規定的參數限值即為表征結構/材料某種狀態的特征值，而此特征值亦是一重要研究課題，該特征值擬定的合理與否直接關系到碼頭結構評定的準確性和可信性。

《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》中將結構構件作用效應組合設計值定為安全性評估參數限值，將結構最大撓度、結構最大裂縫寬度、預應力混凝土拉應力限值定為使用性評估參數限值，將鋼筋混凝土材料耐久性極限狀態（一般為鋼筋脫鈍銹蝕、保護層銹脹開裂、保護層銹脹開裂達到限值）定義為耐久性評估參數限值。

4.3 評估方法

復核驗算法是現行《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》使用的評估方法，其本質是以概率理論為基礎的極限狀態設計[12]驗算，但需考慮水工結構的外觀破損狀況、結構變形與變位情況、結構材料性能的劣化狀況及環境狀況，其評估參數反應的是碼頭結構的實際狀況。此外，荷載試驗法[13-14]、專家系統法[15]、神經網絡法[16]、模糊理論法[17]、層次分析法[18]、時序分析法[19]等都是常用的評估方法。對于荷載試驗法，合理、有效地加載方式與測點布置是關鍵；對于其它評估方法，評估模型的合理、準確性是關鍵。

5 存在的問題

縱觀上述碼頭結構的檢測評估現狀，其方法體系已較為完整，事實證明，該方法體系是可行的，亦切實滿足了部分當前碼頭設施運營維護的迫切需要。但是，無異于其它工程結構，若要求檢測、評估結果更加準確可信，許多關鍵問題仍待突破：

1）“重一次性投入，輕運營維護”是我國工程建設多年來的歷史通病。如圖1所示，檢測評估項目由具備資質的檢測單位承擔實施，管理和運營部門作為委托方需提供一定數額的資金購買此項技術服務，所以通常是碼頭結構出現“顯著問題”或靠泊需要時才進行檢測評估，從而導致檢測評估的滯后性。

2）目前碼頭結構檢測方案中檢測項目、檢測內容和檢測方法較為系統和完整，但關鍵檢測部位、檢測斷面、檢測頻率和數量的確定仍依賴有經驗的檢測人員，尚沒有統一的規定，從而導致對發生撞損等偶然事故的碼頭結構檢測評估時“因人而異”或偏于保守。

3）不論是復核驗算法或者上述除荷載試驗法以外的間接評估方法，如何正確、充分考慮水工結構的外觀破損狀況、結構變形與變位情況、結構材料性能的劣化狀況及環境狀況，仍需要更加深入的基礎理論和試驗研究，其過程需要整個土木工程學科的進步。

4）環境檢測是港口碼頭水工結構使用狀況檢測的一項重要內容，其反映的是結構所處的實際使用環境，使用環境不同，結構的材料劣化和功能降低規律亦會有所差別。然而，目前國內大多數從事檢測評估的單位尚不具備環境檢測能力，導致評估時相關數據的獲取多以查閱資料為主。

5）裂縫是混凝土結構破損的顯著特征，裂縫形態、長度、表觀寬度尚且容易測得，但裂縫深度檢測目前仍是技術難題，導致混凝土結構承載力、變形、耐久性等評估時如何充分考慮裂縫因素仍有待深入研究。

6）檢測時需要對檢測對象間接或直接“看得見或者摸得著”。對于高樁碼頭而言，其所有主要結構構件是“暴露”的，對于重力式或者板樁碼頭，其主要結構構件是“半暴露”或者隱蔽的，若要進行檢測，針對性的開挖不可避免，其不僅消耗較大的人力、物力，影響生產，同時“擾動”了碼頭結構的整體性。所以，隱蔽工程檢測技術亟待開發、提高。

7）由于基樁完整性檢測仍以一維縱波傳播理論為基礎，而高樁碼頭上部結構梁或板的存在導致檢測信號的激振、收集和分辨的復雜化，使得在役碼頭基樁完整性檢測成為行業技術難題。

8）位于水面以下泥面以上的結構，外觀破損檢測只能人工進行，而變形與變位情況、材料性能劣化狀況檢測目前較難實施。與隱蔽工程檢測一樣，此部位結構檢測是在役港口碼頭水工檢測的“短板”，間接的檢測技術亟待開發。

9）與以往不同，混凝土結構的耐久性問題已經得到很大重視，從原材料到凝結硬化后的混凝土實體，與耐久性相關的檢驗檢測伴隨施工全過程。同時，為滿足施工需要，高性能混凝土等特殊混凝土技術不斷發展，導致在原來普通混凝土基礎上建立起來的鋼筋混凝土材料物理本構模型、劣化機理、評定指標等都不一定適用。所以，針對新材料、新技術條件下的鋼筋混凝土材料耐久性劣化研究是一項重要的基礎課題。

6 研究展望

2011年以來，我國沿海港口建設高潮趨緩，進入平穩發展建設期[20]。同時，我國已有大量的碼頭運營多年，作為重要的固定資產，對碼頭結構進行定期的檢測評估將是管理和運營部門未來的重要工作。上述碼頭結構檢測評估存在的問題可概括為：合理、有效的檢測技術仍需不斷探索，檢測信息往往有限、隨機、間斷且無動態反饋，評估方法經驗色彩濃重。在此，結合現階段土木工程研究熱點，提出3點發展方向：

1）荷載試驗法是最直接、最直觀的檢測評估方法，由于其試驗過程中通常會影響碼頭作業，現在較少采用，但其評估結果是最為可靠的。

2）鋼筋混凝土結構學科發展至今，其基本理論體系已經完整，如今的發展方向已轉變為考慮具體使用條件和使用環境的鋼筋混凝土結構基本理論運用的完善。正是由于目前碼頭結構檢測數據較少，收集和累積還有待更加系統化，導致現有評估方法經驗色彩濃重。所以，科學的、海量的檢測數據收集和積累仍是前提，且應將檢測數據逐漸系統化，分門別類。一切理論或者技術進步均離不開相關數據的支撐和驗證。此項工作是基礎的、繁重的，但也是最關鍵的。同時，應重視應用雷達、紅外成像、沖擊反射、電磁與電測等新的測試手段[21]。

3）隨著計算機與互聯網技術的飛躍進步，基于BIM+大數據分析的碼頭結構檢測評估時代已經來臨，即通過三維建模、現場和試驗室實測檢測數據實時傳輸、基于算法的大數據統計分析，實現檢測評估結果的實時終端顯示。2018年，國內首套碼頭全壽命健康監測系統已經建立[22]。天津港南疆27號通用碼頭工程結構健康監測系統運用全壽命周期質量安全理念，將互聯網+光纖傳感技術+BIM信息化技術與傳統結構健康監測技術有機融合，實現對船舶撞擊力、水工結構的應變、變形變位、振動特性、耐久性能、環境溫度等性能指標的實時監測，為優化設計、準確判斷結構破壞原因、加強運營期碼頭設施維護等方面提供有力支撐。