高樁碼頭評估的干擾能量法及與常規方法的對比*

楊淦全，蘇靜波，季曉堂

(河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

近年來，隨著海港工程建設趨于飽和，國家對于碼頭岸線的審批愈發嚴格，新建碼頭項目逐漸減少，而已建成的碼頭多接近使用年限，存在許多安全隱患。其中高樁碼頭因其承載能力強、材料用量省、適應多種地質條件等優點，是現役碼頭中一種重要的結構形式，但其構件較多、結構復雜、在荷載作用下自我調節能力差，使很大一部分在役高樁碼頭多存在或大或小的損傷，給碼頭帶來安全隱患。因而，給出合理的碼頭整體安全性指標便顯得尤其重要。

對結構整體安全性的評估是碼頭檢測的核心問題和最終目的，雖然國內外進行了大量的相關研究，但仍有一些問題未能解決：如何建立合理有效的評估方法、如何選取科學的評價指標等。目前，高樁碼頭安全評估主要以構件可靠度計算為基礎，但某一構件的可靠度并不能反映碼頭的整體安全度水平，高樁碼頭結構的整體安全度是結構系統可靠度問題，但其工作研究所涉及的學科甚廣、難度很大，屬國內外研究難題之一。目前行業內使用的JTS 304—2019《水運工程水工建筑物檢測與評估技術規范》，主要是針對已建港口水工建筑物的安全性、使用性和耐久性的檢測、評估方法做出規定，其主要局限性在于：僅進行了碼頭現場檢測及結構驗算，通過復核驗算，提出了一個安全性等級，缺乏結構承載力方面的評定能力，還須進一步研究完善。針對規范中存在的缺陷，現有的主要研究方向在于可靠度方法和綜合評估方法：王元戰等[1]以常用的高樁碼頭標準結構段作為其研究對象，選取結構材料性能參數及幾何尺寸參數等作為隨機變量，基于非線性有限元數值模型，采用蒙特卡羅法建立結構整體極限承載力概率分布模型及統計參數，并在此基礎上，采用一次二階矩法計算結構體系的可靠指標；Ruben等[2]結合碼頭結構動力響應數據對碼頭進行檢測評估；吳鋒等[3]以模糊理論為基礎，采用變權理論和層次分析法，結合高樁碼頭的結構特點，給出了分層評估指標變權重和隸屬函數的計算方法，建立一套高樁碼頭耐久性模糊綜合評估方法。干擾能量法及最小勢能原理是基于能量理論發展出的一種安全判別方法。由于干擾能量是標量，所以可以便捷地進行局部構件及整體結構的穩定性分析。而最小勢能原理也可以明確地給出結構的安全指標。目前關于干擾能量法及最小勢能原理的研究成果大多存在于單獨構件方面[4-5]，也在邊坡及基坑安全穩定判別方面有一些成果[6-7]。

本文將此方法應用于高樁碼頭構件及整體的安全性判別中，給出明確的判別指標。同時以某工程為例，與現行規范進行比較，證明其科學性，并得到結構整體安全系數以及各構件對于結構整體安全性的貢獻，為高樁碼頭結構的設計、損傷碼頭的加固提供依據。

1 碼頭整體評估的能量方法原理

1.1 干擾能量法基本原理

根據Dirichlet定理，平衡位置上的勢能Πp應具有極小值或極大值，若Πp為極小值，即δΠp=0、δ2Πp> 0，該平衡位置是穩定的；若Πp為極大值，即δΠp=0、δ2Πp< 0，則該平衡是不穩定的；當δ2Πp=0，表明物體在微小擾動前后勢能不變，穩定是隨遇的。

在數值計算中，設Πp(u0)為物體在平衡位置上的總勢能，其受到微小擾動δu后勢能為Πp(u0+δu)。而由微小擾動δu引起的干擾能量記為ΔΠp，根據泰勒級數展開，得到：

(1)

1.2 干擾能量法的評價方法以及干擾能量指標

干擾能量ΔΠp可由下式求得：

(2)

其中

(3)

(4)

式中：A(·)物體的變形能密度；eij,0物體的初始應變；Δeij為應變增量；fi,0和pi,0為初始的體力和面力；Δui為干擾位移；Ω為物體計算范圍；Sσ為面力計算邊界；ΔU為干擾后儲存在物體內的變形能增量，它是使系統恢復原位的因素，稱為干擾內能；ΔW為外力在干擾位移中所做的功，它將消耗系統的能量。當ΔW> ΔU，系統將出現動能而導致失穩；當ΔW=ΔU，系統處于臨界狀態；當ΔW< ΔU，系統去掉干擾后能恢復原位，此時系統穩定。

考慮離散元的結果，得到

(5)

式中：σ0、Re,0為單元原有狀態的應力矩陣、荷載矩陣；Δe、Δσ為干擾應變、干擾應力；Ωe為每個單元的積分區域；Ne為單元的個數；Δue為每個單元的擾動位移矩陣。

基于干擾能量法的最小安全系數，可以利用能量的觀點得到穩定安全系數：

(6)

若考慮一個單元的穩定性，只須計入相鄰單元的作用力，便可計算ΔUe和ΔWe，則該單元的穩定安全系數為

(7)

若考慮某一部分的穩定性，只須在上述基礎進行代數相加，從而求出部分構件的穩定安全系數為

(8)

2 能量法檢測評估流程及與對有常規方法的改進

2.1 檢測前工作

現場檢測前需要對待評測的碼頭進行現場踏勘和資料收集，為后續工作提供依據。資料收集內容包括碼頭設計計算書、設計變更記錄、施工竣工記錄等資料，目的是結合資料建立待測碼頭原狀碼頭模型；現場踏勘目的是了解碼頭現場環境氣象條件、歷年檢修情況歷年修復情況及修復效果及近期作業荷載等，為后續計算以及模型修正提供依據。

2.2 現場檢測

現場檢測包括但不限于外觀檢查、變形變位檢測、水下環境調查、構件強度調查、耐久性檢測、樁身完整性檢測。具體檢測項目可以根據建設單位要求或依據常規檢測內容進行制定。

2.3 檢測資料匯集以及模型修正

結合現場檢測數據，對數據進行總結，形成檢測報告。依據檢測報告的內容對于已建成的碼頭結構評估模型進行必要的模型修正，使修正后的模型符合待評估碼頭的現有狀況，保證評估結果真實、有效。

2.4 計算及評估報告形成

根據前期調查的荷載條件，結合修正過的碼頭模型，應用前述能量評估方法對于碼頭進行評估，得到相關安全系數。最終形成碼頭檢測評估報告，包括工程概況、檢測評估內容、評估方法、檢測評估結果以及修復意見等。

2.5 現行規范

根據JTJ 304—2019《水運工程水工建筑物檢測與評估技術規范》，安全性評估應按承載力極限狀態驗算的結果進行，分級標準見表1。

表1 高樁碼頭評估分級標準

注：Rd、Sd分別為結構構件的抗力和作用效應組合設計值；γ0為結構重要性系數；其中各驗算項目的等級，取最低一級作為該評估單元的安全評估等級。

2.6 高樁碼頭整體評估的干擾能量法與現行規范方法的對比

規范中的評估方法僅進行了碼頭現場檢測及結構驗算，通過復核驗算，提出了一個安全性等級；干擾能量法的安全系數，是在結合設計資料建立模型的同時，參照現場檢測數據修正結構模型后，使用前文提到的能量法進行計算得出的，充分客觀反映了被評估碼頭的現有狀態。

規范中對于碼頭整體安全性的評估結果，是建立在各構件安全等級上的摻雜了評價主體主觀因素的結果；能量法計算出的整體安全系數，是計算結構各個單元、構件干擾能量值，以及所受外力做功值后得出的，排除了評價主體的主觀因素，結果更加客觀。

關于構件在整體中的重要性，規范規定得較為模糊，更多是憑借既有經驗來判斷；在干擾能量法中可以通過計算構件干擾能量、所受外力做功在總體中所占比例ΔU1/ΔU、ΔW1/ΔW，來展現構件對于整體結構的重要性。

綜合來看，干擾能量法能夠對碼頭結構整體狀態做出更加客觀的評價以及對各個構件在結構整體安全中的的重要性做出定量判斷。

3 工程實例

某碼頭工程建設1個3 000噸級舾裝泊位，舾裝碼頭采用順岸滿堂式布置。碼頭平臺平面尺度為150 m×12.4 m(長×寬)。水工建筑物采用高樁梁板結構形式。

碼頭結構采用現澆梁板結構，順流方向布置2條軌道梁，軌道梁間距10.5 m，軌道梁截面為矩形，每段軌道梁長11.6 m，基礎采用3根φ800 mm鉆孔灌注樁，樁距為4.5 m。軌道梁間布置聯系梁，聯系梁間距4.5 m。結構如圖1所示。

經檢測碼頭存在一些缺陷：抽測構件的碳化深度值在1.0～4.0 mm，表明混凝土耐久性受到一定影響。抽檢的碼頭平臺前排基樁的混凝土抗壓強度推定值均小于設計強度，不滿足設計要求；其余構件的混凝土抗壓強度推定值均大于設計強度，滿足設計要求。所抽檢的樁基最小鋼筋保護層厚度為30 mm，根據規范規定，淡水環境梁類構件混凝土保護層最小厚度為30 mm，板類構件混凝土保護層最小厚度為25 mm，僅滿足施工規范最低要求。

圖1 碼頭結構(單位：mm)

3.1 碼頭構件及整體性安全評估

經過對承載力進行復核計算，根據計算結果及《水運工程水工建筑物檢測與評估技術規范》的有關規定，進行碼頭結構構件的安全性評估，評估結果見表2。

由表2可知，在驗算荷載作用下，參照規范聯系梁等級為D級，其余構件的安全性等級為A級，需要對聯系梁進行加固。

表2 采用規范各類構件安全性等級評估結果

3.2 干擾能量法評估

根據碼頭設計資料以及現場勘測返回的碼頭相關損傷情況建立相應的有限元模型，樁底根據嵌固點理論進行約束，經計算嵌固深度為5.13 m，采用Midas Civil進行建模計算，計算模型見圖2。

圖2 碼頭有限元模型

針對建立的有限元模型采用干擾能量法計算碼頭相應構件的安全系數，評估結果見表3。

表3 采用能量法各類構件安全性等級評估結果

由表3可知，聯系梁安全系數小于1，需要加固；其他構件安全系數大于1，狀態尚可；碼頭整體安全系數為1.37，還在安全范圍，但富余度不足。從結構儲備安全性角度來看，聯系梁這一構件在抵抗外力過程中，干擾能量值占總體的比例過小(21.1%)，遠小于其需要抵抗的外力作用(32.5%)。所以其為整體中的薄弱構件，容易在使用中產生損傷，應注意防范；同時，在設計時也應更加關注薄弱結構，提高該結構的設計標準，提升薄弱結構的下限，使碼頭結果設計更加合理。

3.3 改進建議

目前碼頭整體結構基本能滿足設計使用要求，但考慮到結構本身受力體系的不合理性，且安全儲備不足，在持久荷載作用下，結構受較大影響，為確保碼頭平臺的長期安全使用，建議對該結構進行必要的加固措施，對目前結構受力體系進行優化處理。建議在碼頭前沿打入1排預制樁，延伸碼頭平臺，改進碼頭承載力富余度，同時安裝靠船構件優化其受力。關于聯系梁不安全的問題，建議對聯系梁梁側粘貼鋼板進行加固處理。

4 結論

1)本文采用干擾能量法對于高樁碼頭進行評估，干擾能量法理論完備，方法流程清晰，可操作性強，可信度較高。由于干擾能量是標量，經過計算得到的碼頭結構整體安全系數在較大程度上減少了主觀因素對評價結果的影響。

2)本文將干擾能量法應用于某碼頭的結構安全性評估，并與采取現行規范的評估結果進行對比。發現單獨構件的評估結果十分吻合,對于需要加固的薄弱構件的識別一致。

3)高樁碼頭評估的干擾能量方法經計算得到該碼頭的整體安全系數，可以較為客觀地反映當下碼頭的整體安全狀況，而不是規范中以最薄弱構件的評級劃定碼頭整體安全評級，更加科學客觀。同時，干擾能量方法還可以計算出各個構件的能量占比，以此為據判斷薄弱構件，指導結構設計、使用過程中薄弱結構損壞預防工作和損傷結構的加固工作。