高樁碼頭結構健康監測系統研究

時閩生，劉思國，張雨雷，吳優

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

結構健康監測和運維監測已被成功地運用在超高層建筑、高墩大跨橋梁、大直徑輸水管道等領域[1]，如廣州塔、深圳證券交易中心總部大樓、香港青馬大橋等的長期健康監測，這些健康監測系統可為相應結構的安全運行保駕護航。但港工結構健康（運維）監測技術發展較晚，目前國內碼頭水工領域成功應用的實例較少。

本文在天津港某通用泊位開展了高樁碼頭結構健康監測實踐，在港口基礎設施檢測與維護工作的基礎上，進行碼頭結構安全健康診斷與分析，建立了碼頭結構安全健康實時在線監測平臺，實現了對碼頭進行自動化監測和數據采集；通過對不同病害監測方法的研究與匯總，有針對性地構建了健康監測系統；通過對健康狀況判定因素的研究，明確了健康狀況判定原則；在判定因素區分不夠明顯、碼頭變更使用功能等情況下，通過對監測數據分析并結合數值模擬分析對碼頭的結構安全和穩定性進行分析，為碼頭安全運行、科學養護、智能決策提供重要保障。

1 總體構架

碼頭結構健康監測利用現場的、無損的、實時的方式監控結構的行為和環境信息，對結構可能的損傷、退化進行診斷，對結構的服役情況進行智能評估，當結構出現嚴重異常時觸發預警，為結構的維修、養護與管理決策提供依據和指導[2-4]。TPEI碼頭結構健康監測系統整體構成如圖1，具有環境識別、健康監測、運行監測、統計分析、可視化、報警管理、專家系統、評估等多個模塊，集成了30多項的子項目。

圖1 碼頭健康監測系統整體構成Fig.1 The composition of wharf health monitoring system

采用自動化監測為主，適當結合人工定期巡檢的方法，全面開展碼頭健康監測工作，并有效降低成本。監測信息全面，為后續的預警與評估提供了更有價值的信息，最大限度地發揮監測系統的作用。評估系統以結構預警與專家系統為核心形成2條數據流：1）由傳感器系統、數據采集[5]與傳輸系統、數據處理與控制系統組成的在線自動監測數據流；2）由定期巡檢組成的數據流。將自動監測信息和人工結果集成到結構預警與評估系統中，供進一步分析與評估，保證碼頭的運營安全。

該自動化監測系統具有自動監測、采集、傳輸、數據處理、預警的功能，可實現對碼頭運營狀況實時監控，為碼頭的維護、維修等決策提供建議，同時系統留有接口，可接入其他的管理平臺，便于數據共享和資源整合。

2 監測內容的劃分

以天津港某軟土地基高樁碼頭為實例，開展了碼頭監測的實踐研究，監測內容主要包含了4個重點模塊，涵蓋了自動監測和巡查監測等內容。以下為具體構成。

監測模塊1：碼頭作業環境因素的監測。遠程識別風速過快、極端高潮、浮冰等情況，避免在危險條件下進行風險作業。

監測模塊2：碼頭作業運營安全監測。監測作業期間碼頭承受水平和豎向荷載的靜態和動態響應，注重控制靠船力，避免超速靠船造成碼頭局部開裂和疲勞損傷，監測局部堆放過載情況。

監測模塊3：碼頭結構健康監測。監測在荷載和環境作用下結構或構件的變形和變位以及結構構件的腐蝕和銹蝕情況，注重結構整體安全。

輔助模塊4：定期巡查港口設施的使用情況、上部結構外觀變化和附屬設施狀況等，以目測為主，及時發現隱患，及早采取維修、加固或預防措施。

3 健康狀態判別

健康監測系統分3個類別[6]對高樁碼頭健康狀況進行判別：自動監測項目，定期外觀巡檢項目，專項檢查項目。

按下列內容對單一或者多個監測參數進行綜合分析。

3.1 健康分析內容

健康監測系統得到實時的監測數據，進行如下健康分析，為碼頭運維決策提供建議。

1）碼頭使用功能降低程度評定。包括：

①碼頭結構材料（混凝土、鋼筋等）損壞和劣化狀況[7-9]，如混凝土開裂狀況和鋼筋銹蝕程度及其原因[10]。

②結構整體沉降、位移[11]和工程狀態。

③碼頭結構構件承載能力，如樁、梁、板強度及變形。

2）進行數值分析，預測碼頭結構受力分布和變形變位等情況。

3）安全性、適用性和耐久性復核驗算及評估，提出碼頭結構繼續使用年限和使用條件建議。

3.2 評定標準、結論及意見處理

綜合材料劣化、結構構件承載能力、結構繼續使用年限和使用條件三方面分析結果，按現行規范進行分類或分級。

1）技術狀態分類

依據現行JTS 310—2013《港口設施維護技術規范》對港口主要設施技術狀態進行分類，一類、二類設施應以保養和小修為主；三類設施應中修；四類設施應中修或大修；五類設施應大修，或經檢測評估后報廢、拆除。

2）安全性、使用性和耐久性分級

根據現行JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》對碼頭結構的安全性、使用性和耐久性分別做出分級標準和處理要求。

3.3 數值模擬

在判定因素區分不夠明顯、碼頭變更使用功能等情況下，可采用ANSYS、Midas、ABAQUS等軟件建立碼頭結構三維模型，施加運營期實際的恒載和活載，進行數值模擬，或施加不利工況荷載分析結構的受力和變形情況。

4 項目工程實踐

某通用泊位工程為50 000噸級泊位，岸線長度744 m。承臺總寬75.75 m，其中前方樁臺寬度為17.0 m，后方樁臺寬度為58.75 m，碼頭頂標高+6.0 m，碼頭前沿水深-13.8 m，港池底標高-12.3 m，碼頭結構按照70 000噸級通用泊位碼頭設計，可同時停靠3艘50 000噸級散貨船，設計使用年限為50 a。

典型斷面的傳感器安裝方案如圖2所示。

圖2 碼頭斷面傳感器安裝布置圖Fig.2 Sensor installation arrangement for wharf section

通過該項目實踐，當前可實現對碼頭結構健康實時監控，并具有報警功能，在偶發較大噸位船舶的撞擊時可以立即報警。部分監測項目的典型數據曲線如圖3～圖5所示。

圖3 典型前軌道梁作業應力監測的時程曲線Fig.3 Time history curve of stress monitoring for typical front track beam

圖4 典型梁體結構振動監測的時程曲線Fig.4 Time history curve of vibration monitoring for typical beam structure

圖5 前后樁臺相對位移監測的時程曲線Fig.5 Time history curve of relative displacement monitoring of front and back platform

結合實測數據，再通過ANSYS建立模型對通用泊位高樁碼頭結構在設計極限狀態下的健康狀況進行有限元分析，分析結果為結構設計安全可靠，為進一步的評估建議提供參考。

5 存在的問題及改善方案

在碼頭結構健康監測中，常規方案通常采取均布傳感器監控樁、梁、板的應力和變形的方式對碼頭結構健康進行監測，其實際應用效果有限，且監測成本較高，影響了碼頭結構健康監測業務的發展。通過碼頭健康狀態的監測實踐總結，目前碼頭結構健康監測主要存在以下限制和困難：

1）傳感器壽命與碼頭結構壽命不匹配，氯鹽腐蝕環境影響傳感器壽命。

2）高樁碼頭主要受力構件眾多且分布均勻，很難通過識別關鍵構件受力情況來判別整體碼頭結構安全情況，均布傳感器造價高昂且實際效果有限。

3）高樁碼頭結構約束多、剛度高，振動幅度小，不易通過振動變化來準確分析碼頭整體剛度的變化。測量的構件應力應變實際數值較小，不利于設置閾值實現精確自動報警。

針對以上問題，通過比較研究，提出以下方式加以改善：

1）采用埋入式光纖傳感器和可更換傳感器構建傳感體系，使用碳纖、玻纖、陶瓷安裝件來提高安裝輔件壽命，以提高監控系統的整體壽命。

2）采用監控碼頭整體變形變位的方式來識別碼頭超載，通過局部變形來識別荷載突變，通過部分連接鋼筋應力變化來識別節點變形變位，提升監測工作的經濟性和實際效果。

3）取消護舷等直接測力，以防止船舶碰撞和異常靠泊為主要方向開展碼頭振動監測和預警，兼顧碼頭整體的模態分析。

6 基于病害識別的方案研究

通過碼頭結構檢測和健康評定工作積累發現，高樁碼頭的整體破壞事故較少發生，且個別結構構件超載或破壞一般不易導致碼頭結構的整體破壞。碼頭結構喪失使用功能常常是由于典型病害造成的，例如后方土體滑移、結構意外被撞擊、長期超載使用、伸縮縫擠壓、鋼筋銹蝕保護層剝落、鋼結構防銹蝕措施失效等情況，根據常見病害類型的特征進行分類，針對常見病害類型開展專門的智能監測項目，有利于提升監測效果和降低監測費用投入。

匯總高樁碼頭常見病害類型及其監測檢測項目解決方案，見表1。

表1 基于病害分類的碼頭結構監測內容改進Table 1 Improvement of wharf structure monitoring content based on disease classification

6.1 弱光纖光柵陣列測量技術

對于梁、板、樁類構件，選取少數典型的構件，采用埋入或表貼的方式安裝拉絲同步在線刻寫工藝制造的弱光柵光纖矩陣傳感，對構件進行長距離、高密度的應變和溫度測量。可以觀測混凝土構件裂縫病害及剛度退化情況，進而估計構件承載力下降情況，評估構件安全性。

在弱光纖光柵矩陣測試技術中，弱光纖光柵結合了光纖光柵（FPG）的傳感優勢和光時域技術（OTDR）的定位優勢，是波分和時分混合復用的解調技術，具有傳感光纖一次制備無薄弱點和光衰小，測試應變范圍不小于15 000με，單通道測試點不小于1 000點的超高測試性能，在鎧裝和埋入情況下可以提供與結構等壽命的長期監測性能。

6.2 植入式光柵傳感器技術

軟土地基情況下高樁碼頭樁周土體發生水平滑移，會導致樁帽和梁的節點混凝土發生破損開裂變形，影響結構安全，這一現象在新建碼頭外觀檢測中偶有發生。

常規監測方案采用測斜和傾角儀的方式存在易損壞、耐久性差、中斷數據不銜接的問題。而采取在樁帽外伸筋中植入光纖光柵（FBG）的方式可以直接監測節點的應力變化推斷樁體受到土體水平力，因為是在主筋中植入光纖可以確保傳感器壽命接近于結構壽命，便于長期觀測。

植入式光纖光柵傳感器在海工領域使用場景廣泛，有利于提高傳感精度和大幅提升傳感器使用壽命[12]。

7 結語

本文對結構智能化健康監測系統進行了實踐研究和改進分析，主要有：

1）提出了碼頭結構健康監測系統的組成構架、模塊化監測內容劃分、健康狀態判別方法。

2）分析了當前高樁碼頭健康監測存在的主要技術障礙及應對方案。

3）以高樁碼頭常見病害為切入點，以監測經濟性和實效性為核心，探討了以病害識別為目標的高樁碼頭健康監測技術路線。

4）論證了埋入式弱光纖光柵陣列、鋼筋植入應變光柵等新監測方案的可行性，豐富了碼頭結構健康監控技術方法。