碼頭檢測與評估技術(shù)研究應(yīng)用2

碼頭檢測評估技術(shù)研究與應(yīng)用中交一航局第二工程有限公司檢測中心劉浩讓世界更暢通Contents目錄一碼頭結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理分析二碼頭結(jié)構(gòu)損傷檢測內(nèi)容三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析四青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)評估分析五創(chuàng)新點及應(yīng)用引言引言

我國港口貨物和集裝箱吞吐量連續(xù)多年保持世界第一，沿海和內(nèi)河碼頭數(shù)量巨大，但多年來重建設(shè)，輕維護(hù)，很多碼頭使用單位沒有定期檢測計劃，多數(shù)碼頭存在較大的安全隱患，這里列出了近年3個典型碼頭事故照片。引言

我國《港口設(shè)施維護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTS310-2013）和《港口設(shè)施維護(hù)管理規(guī)定（試行)》，規(guī)定碼頭改變原設(shè)計使用功能、擬提升荷載等級，更有眾多老舊碼頭，均需要開展檢測評估，以確定碼頭使用狀況和承載性能。所以掌握碼頭檢測評估技術(shù)具有實際科研意義和經(jīng)濟(jì)價值。

本課題通過青島實華油碼頭綜合檢測評估項目，對碼頭的檢測與評估內(nèi)容進(jìn)行了全面詳細(xì)研究。將多種檢測參數(shù)和多種新技術(shù)充分融合使用，包括無人機(jī)航拍技術(shù)，碼頭后方探地雷達(dá)掃描技術(shù)，混凝土和鋼結(jié)構(gòu)檢測，標(biāo)高和位移測量，以及水下機(jī)器人攝像和人工探摸，并根據(jù)檢測結(jié)果基于有限元對碼頭結(jié)構(gòu)和鋼棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。首次嘗試對碼頭結(jié)構(gòu)剩余使用壽命進(jìn)行預(yù)測。Contents目錄一碼頭結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理分析四振動夯平工藝與裝備應(yīng)用六結(jié)語引言二碼頭結(jié)構(gòu)檢測評估內(nèi)容三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析四青島實華碼頭結(jié)構(gòu)評估分析五結(jié)語一碼頭結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理分析1.1前言1.2鋼筋銹蝕鋼筋銹蝕有效截面積減小有效截面積減小抗拉強(qiáng)度明顯降低砼內(nèi)部應(yīng)力增大有效截面積減小砼進(jìn)一步開裂耐久性碼頭破損使用過程建設(shè)時期條件限制設(shè)計經(jīng)驗、施工工藝的局限性超載、撞擊、地基條件的變化一碼頭結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理分析

碼頭結(jié)構(gòu)較其他形式的混凝土結(jié)構(gòu)更易破損，特別是水位變動區(qū)。由于滲透作用和混凝土裂縫的虹吸作用，使海水入滲到混凝土內(nèi)部，表現(xiàn)為局部混凝土強(qiáng)度大幅降低、開裂。1.3混凝土破損圖1.3-1結(jié)構(gòu)破損照片Contents目錄二碼頭結(jié)構(gòu)檢測評估內(nèi)容三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析四青島實華碼頭結(jié)構(gòu)評估分析五創(chuàng)新點及應(yīng)用一碼頭結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理分析引言二碼頭結(jié)構(gòu)檢測評估內(nèi)容材料劣化情況鋼結(jié)構(gòu)耐久性評估防腐蝕措施評估結(jié)構(gòu)承載能力安全性評估變位變形使用性評估混凝土耐久性評估通過對碼頭結(jié)構(gòu)廣泛的檢查，從碼頭材料的劣化情況、結(jié)構(gòu)的承載能力和位移這三個方面，對碼頭的技術(shù)狀況進(jìn)行評定。二碼頭結(jié)構(gòu)檢測評估內(nèi)容評估項目主要工作內(nèi)容混凝土耐久性評估外觀檢查

、混凝土強(qiáng)度檢測、鋼筋保護(hù)層檢測、碳化深度檢測、氯離子滲透情況檢測、鋼筋腐蝕檢測、剩余凍融循環(huán)次數(shù)檢測鋼結(jié)構(gòu)耐久性評估外觀檢查、鋼結(jié)構(gòu)剩余厚度檢測、橋梁承載能力驗算防腐蝕措施評估外加電流保護(hù)效果檢測評估、犧牲陽極陰極保護(hù)效果檢測評估、鋼結(jié)構(gòu)涂層劣化檢測評估、混凝土結(jié)構(gòu)涂層劣化檢測評估安全性評估重力式碼頭、高樁碼頭分別驗算使用性評估變形、位移的測量和計算Contents目錄一碼頭結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理分析二碼頭結(jié)構(gòu)檢測評估內(nèi)容三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析四青島實華碼頭結(jié)構(gòu)評估分析五創(chuàng)新點及應(yīng)用引言三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.1工程概況

青島實華公司一期油碼頭位于山東省青島市黃島區(qū)劉公島路東（東經(jīng)120°13‘，北緯36°3），碼頭始建于1970年，1976年竣工，由航務(wù)二公司承建，設(shè)計使用壽命50年，已運(yùn)行42年。應(yīng)實華業(yè)主委托，由檢測中心開展結(jié)構(gòu)檢測與評估，并提供維護(hù)加固方案。圖3.1-1項目位置示意圖三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.1工程概況

本項目結(jié)構(gòu)型式多樣，包括接岸結(jié)構(gòu)、護(hù)岸、重力式碼頭、高樁碼頭、鋼結(jié)構(gòu)橋梁等。原油碼頭引橋工作船碼頭接岸結(jié)構(gòu)消防船碼頭圖3.1-2結(jié)構(gòu)分布示意圖三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.2原油碼頭概況

原油碼頭長314m,為水上主體工程，由7個墩臺組成，之間為鋼結(jié)構(gòu)橋梁連接，左側(cè)3跨為人行橋，右側(cè)3跨為接岸鋼棧橋，4#墩為工作平臺，1#、2#、7#墩為帶纜墩，各墩基礎(chǔ)為Φ700×16mm的鋼管樁，共278根。東側(cè)港池泥面高程為-13.5m，為5萬噸級油輪泊位；西側(cè)港池泥面高程為-10.5m，為2萬噸級油輪泊位。7#6#5#4#3#2#1#圖3.2-1原油碼頭航拍三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.3水上結(jié)構(gòu)檢查

水上構(gòu)件外觀檢查主要采取目測、影像、敲擊、尺量等方法，全面描述主體和水面以上構(gòu)件的裂縫（位置、長度、寬度和走向）、表觀缺陷（包括蜂窩、麻面、露石）、混凝土起鼓、剝落、露筋（位置、數(shù)量、長度、面積）、各構(gòu)件的連接和腐蝕情況。并利用無人機(jī)對結(jié)構(gòu)整體和視角盲區(qū)進(jìn)行觀察。圖3.3-1航拍照片三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.4水上構(gòu)件檢查圖3.4-3鋼管樁與墩臺連接部位典型圖三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.4水下構(gòu)件檢查

對水下構(gòu)件（包括沉箱及鋼管樁），采用水下機(jī)器人結(jié)合潛水人員攝像的方法，檢查水下主體結(jié)構(gòu)的破損、銹蝕和各構(gòu)件連接情況。圖3.4-1使用水下機(jī)器人攝像圖3.4-2潛水員水下調(diào)查三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.4水下構(gòu)件檢查

通過水下攝像，樁基完整性、海床結(jié)合部位良好。圖3.4-4鋼管樁表面附著海生物圖3.4-5樁基與海床結(jié)合部正常三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.5結(jié)構(gòu)整體變形和變位測量

碼頭結(jié)構(gòu)測量主要包括結(jié)構(gòu)的位移和沉降。保留有原觀測點的，主要進(jìn)行復(fù)測并與原始數(shù)據(jù)對比。沒有觀測點的應(yīng)測量碼頭結(jié)構(gòu)的相對標(biāo)高，并埋設(shè)新觀測點記錄存檔。圖3.5-1組建GPS控制網(wǎng)絡(luò)三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.6混凝土強(qiáng)度、碳化深度檢測

采用回彈法進(jìn)行檢測，每個結(jié)構(gòu)段選取10個測區(qū)，每個測區(qū)測16個點，經(jīng)過回彈角度和碳化修正后計算出每個測區(qū)的強(qiáng)度換算值，然后統(tǒng)計10個測區(qū)結(jié)果計算出混凝土強(qiáng)度推定值。

由于混凝土碳化會引起混凝土內(nèi)部HP值的變化，使用酚酞溶液堿性環(huán)境顯色的原理進(jìn)行檢測。每結(jié)構(gòu)段選取3個測區(qū)，每個測區(qū)測量2-3點。

圖3.6-1回彈測強(qiáng)圖3.6-2碳化深度檢測三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.7鋼筋保護(hù)層厚度檢測

使用電磁法檢測混凝土保護(hù)層厚度，抽取構(gòu)件數(shù)量的1%～2%且不少于3件。對板類構(gòu)件，應(yīng)抽取不少于6根主筋進(jìn)行檢測。每個鋼筋應(yīng)在有代表性的部位測量3個點。3.8混凝土中氯離子滲透擴(kuò)散情況調(diào)查

在具有代表性的位置，水位變動區(qū)和浪濺區(qū)，鉆取芯樣。取樣位置應(yīng)選擇在主筋附近并避開混凝土裂縫和明顯缺陷，混凝土粉樣應(yīng)分層取樣，每一取樣點不少于5層。

圖3.7-1保護(hù)層厚度檢測三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.9銹蝕鋼筋剩余截面檢測在不同區(qū)域應(yīng)各抽取不少于3個腐蝕嚴(yán)重的構(gòu)件，每個構(gòu)件應(yīng)選擇不少于2根銹蝕嚴(yán)重的鋼筋進(jìn)行檢測，使用游標(biāo)卡尺對清理后的鋼筋截面進(jìn)行測定。3.10腐蝕電位檢測使用半電池電位法，將檢測儀和參比電極連接鋼筋網(wǎng)，同時使用參比電極在混凝土表面測定電位。圖3.9-1鋼筋剩余截面檢測圖3.10-1腐蝕電位檢測三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.11鋼結(jié)構(gòu)引橋橋長358.4m，由6個橋墩和7跨鋼結(jié)構(gòu)組成，跨徑均為51.2m。圖3.11-1引橋航拍照片三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.11-1橋梁外觀檢查圖3.11-2細(xì)部檢查圖3.11-3橡膠支座位移較大三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.11-2涂層厚度和鋼結(jié)構(gòu)剩余壁厚檢測圖3.11-4鋼材剩余壁厚檢測圖3.11-5防腐涂層厚度檢測三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.11-3人行橋銹蝕嚴(yán)重圖3.11-3人行橋航拍照片三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析3.12探地雷達(dá)掃描

采用探地雷達(dá)結(jié)合典型圖像對碼頭岸坡地質(zhì)情況進(jìn)行檢測?？梢耘袛鄩鬅o明顯掏空，但局部存在回填土松軟不密實，水穩(wěn)層破壞情況。圖3.11-4雷達(dá)彩色剖面圖水穩(wěn)層下陷不密實Contents目錄一碼頭結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理分析二碼頭結(jié)構(gòu)損傷檢測內(nèi)容三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析四青島實華碼頭結(jié)構(gòu)評估分析五創(chuàng)新點及應(yīng)用引言四青島實華碼頭結(jié)構(gòu)評估分析4.1重力式碼頭驗算1.對墻底面和墻身各水平縫及齒縫計算面前趾的抗傾穩(wěn)定性；2.沿墻底面和墻身各水平縫的抗滑穩(wěn)定性；3.沿基床底面的抗滑穩(wěn)定性；4.基床和地基承載力；5.卸荷板的承載力和裂縫驗算。圖4.1

碼頭結(jié)構(gòu)計算模型四青島實華碼頭結(jié)構(gòu)評估分析4.1-1碼頭結(jié)構(gòu)抗傾穩(wěn)定性和抗滑穩(wěn)定性驗算結(jié)果四青島實華碼頭結(jié)構(gòu)評估分析4.2高樁碼頭計算四青島實華碼頭結(jié)構(gòu)評估分析4.2-1高樁碼頭計算

結(jié)構(gòu)計算根據(jù)檢測結(jié)果和委托單位提供的相關(guān)資料進(jìn)行建模。該項目首次使用軟件計算碼頭結(jié)構(gòu)，為了計算結(jié)果的可靠性和兩種軟件的對比研究，高樁碼頭同時采用上海易工和Midas進(jìn)行建模計算，計算結(jié)果一致。圖4.2上海易工模型圖4.3Midas模型

4#工作平臺尺寸為19m×40m.四青島實華碼頭結(jié)構(gòu)評估分析各墩臺單獨建立模型計算。驗算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)承載力、位移均能滿足要求。4.4位移圖四青島實華碼頭結(jié)構(gòu)評估分析

樁與上部結(jié)構(gòu)之間按固接考慮。模擬樁土相互作用，利用樁彈性支承來自動添加樁基礎(chǔ)的邊界。由于選擇不同土壤類型時彈簧剛度計算方法不同，首先在不同土層交界處分割樁單元，然后根據(jù)不同的土壤類型，分別選擇土層對應(yīng)的單元施加樁彈性支承。圖4.5施加樁土彈性支撐四青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)評估分析4.3鋼結(jié)構(gòu)引橋計算

采用Midas軟件建模計算，模型選取棧橋中銹蝕較嚴(yán)重的第7跨進(jìn)行分析，計算跨徑51.2m。荷載的施加為均布荷載，前期檢測發(fā)現(xiàn)各受力桿件有不同程度的銹蝕，模型中各構(gòu)件計算厚度按原設(shè)計70%厚度考慮結(jié)構(gòu)自重。

橋上荷載主要為輸油管道荷載，主要管道類型有6種（DN350船燃、DN250重柴、DN500柴油、DN450汽油、DN700原油、DN400航煤），計算按滿負(fù)荷作業(yè)狀態(tài)下，管內(nèi)截面100%填充燃油時的重量。圖4.6模型圖四青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)評估分析4.3鋼結(jié)構(gòu)引橋計算圖4.7梁單元彎矩圖圖4.8梁單元軸力圖四青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)評估分析4.3鋼結(jié)構(gòu)引橋計算圖4.9位移圖

橋梁各受力桿件應(yīng)力驗算滿足要求。四青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)承載性能評估分析

鋼筋銹蝕劣化進(jìn)程分為鋼筋開始銹蝕、保護(hù)層銹脹開裂和功能明顯退化等階段?；阡摻钿P蝕劣化理論的結(jié)構(gòu)使用年限預(yù)測可按下式計算：

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用年限預(yù)測：

式中，tre為混凝土結(jié)構(gòu)剩余使用年限(a)；te為混凝土結(jié)構(gòu)使用年限(a)；t0為混凝土結(jié)構(gòu)自建成至檢測時已使用的時間(a)。ti為從混凝土澆注到鋼筋開始銹蝕所經(jīng)歷的時間(a)；tc為自鋼筋開始銹蝕至保護(hù)層開裂所經(jīng)歷的時間(a)；td為自保護(hù)層開裂到鋼筋截面面積減小至原截面90%所經(jīng)歷的時間(a)?；谶@類型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命數(shù)學(xué)模型的預(yù)測關(guān)鍵就是對幾個關(guān)鍵時間如tre、te、ti的求解，從而得出結(jié)構(gòu)的剩余壽命。

鑒于結(jié)構(gòu)剩余使用年限預(yù)測理論并不成熟，以及影響剩余壽命的關(guān)鍵參數(shù)混凝土有效擴(kuò)散系數(shù)D、混凝土表面氯離子含量Cs、鋼筋銹蝕氯離子臨界含量Ct等的測試方法和統(tǒng)計資料較少，目前規(guī)范取值均借鑒歐美相關(guān)研究理論，故該碼頭剩余使用年限預(yù)測值僅供參考使用。4.4結(jié)構(gòu)使用年限預(yù)測Contents目錄一碼頭結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理分析二碼頭結(jié)構(gòu)損傷檢測內(nèi)容三青島實華油碼頭結(jié)構(gòu)檢測分析四青島實華碼頭結(jié)構(gòu)評估分析五創(chuàng)新點及應(yīng)用引言

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檢測中心首次開展并獨立完成碼頭檢測與評估項目，收集查閱大量文獻(xiàn)、規(guī)范資料，充分研究高樁碼頭和重力式碼頭結(jié)構(gòu)的主要破壞類型，明確了碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在的主要問題。

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通過檢測碼頭的結(jié)構(gòu)型式和有效斷面尺度，首次利用3種軟件分別對碼頭、橋梁進(jìn)行建模計算。系統(tǒng)性運(yùn)用多種檢測方法和新技術(shù)，并為業(yè)主提供維護(hù)加固方案。★該碼頭是國內(nèi)建設(shè)最