（水工结构工程专业论文）高桩码头的检测与评估.pdf

摘要 由于我国现役高桩码头普遍破坏严重，并且破坏有进一步发展趋势，故对现 有高桩码头结构进行检测评估意义重大，迫在眉睫。 本文结合西部交通建设科技项目，以舟山中远一号码头结构工程为依托，介 绍合了码头检测的方法和手段，并分析其优缺点，得出高桩码头的主要破坏类型 和破坏原因，并提出高桩码头检测的建议周期，并对码头评估的发展和其存在的 问题进行总结。通过对舟山中远一号码头结构工程的位移、沉降、桩基小应变等 现场检测后，并在对检测资料进行分析的基础上，采用大型有限元软件m i d a s 相 结合的方法对高桩码头结构质量和承载能力进行分析研究。该码头承载性能评估 分析是一个行之有效的方法，适于同类码头评估作为参考。此研究成果也可为该 类码头结构的检测评估及加固提供参考。 关键词：高桩码头；检测；评估；桩基小应变；刚度系数 a b s t r a c t a c t i v ed u t yb e c a u s eo fw i d e s p r e a dh i g h - p i l ep i e rd a m a g e ， a n dd a m a g et ot h e t r e n do ff u r t h e rd e v e l o p m e n t ，t h ee x i s t i n gp i e rs t r u c t u r e ，h i g h - p i l et e s t t oa s s e s s s i g n i f i c a n t ， i m m i n e n t i nt h i sp a p e r ，t h ec o n s t r u c t i o np r o j e c t sw e s tt r a f f i ct ot e r m i n a l so nt h e1s tc o s c o z h o u s h a n b a s e ds t r u c t u r a le n g i n e e r i n go nt h ep i e rt o g e t h e rt h ew a y s a n dm e a n st o d e t e c ta n da n a l y z et h es t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e s ，t od r a wt h eh i g h p i l ep i e ra n d d e s t r u c t i o no ft h em a i nc a u s e so fd a m a g et y p e ，a n dd e t e c t i o no fh i g h - p i l ep i e rp r o p o s a l c y c l ea s s e s s m e n ta n dt h ed e v e l o p m e n to ft e r m i n a l sa n di t ss u m m a r yo fp r o b l e m s c o s c oz h o u s h a nb yt e r m i n a ls t r u c t u r a le n g i n e e r i n go nt h e1s to fd i s p l a c e m e n t s e t t l e m e n t ，p i l ef o u n d a t i o n , s u c ha ss m a l ls t r a i na tt h es c e n ea f t e rt h ed e t e c t i o na n d a n a l y s i so ft e s t i n gd a t a , b a s e do nt h eu s eo fl a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em i d a s c o m b i n a t i o no fh i g hq u a l i t yp i l ep i e rs t r u c t u r ea n da na n a l y s i so ft h ec a r r y i n gc a p a c i t y s t u d y p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h et e r m i n a ll o a da n a l y s i si s a l le f f e c t i v em e t h o do f a s s e s s m e n tf o rt h es a m et e r m i n a la sar e f e r e n c e t h er e s u l t so ft h i ss t u d yc a na l s od e t e c t t h es t r u c t u r eo ft h e s et e r m i n a l sa n d 也er e i n f o r c e m e n ta s s e s s m e n tt op r o v i d er e f e r e n c e k e yw o r d s ：h i 曲一p i l ep i e r ；d e t e c t i o n ；e v a l u a t i o n ；p i l eas m a l ls t r a i n ；s t i f f n e s s c o e f f i c i e n t 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：撇 日期 叩 年 口7 月眵日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复 制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：诗毫磊隶 日期：叼年移7 月口日 指导教师签名： 参与予巴传寸) 日期：矽年。7 月- 移日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c m q 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名 日期：妒) 年护7 d 房 饿旧 - t 与口 参 ：力 名年 签q 燃叮 教： 导期挣臣 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出和研究意义 建国五十多年以来，我国的港口建设取得了长足发展，为我国国民经济的发 展做出了重要贡献。然而，目前在我国已建港口码头建筑物中，有很大一部分码 头已经投入运行超过数十年的时间，在为国民经济做出巨大贡献的同时，这些码 头结构也由于腐蚀、老化、过载、疲劳等原因发生了损伤，部分结构损伤还相当 严重。根据上世纪八十年代初期及近几年对我国港口水工构造物的调查及检测结 果来看，港口水工建筑物破坏情况普遍较为严重，其健康状况令人担忧。由于老 旧码头的不断增加以及船舶超出原设计靠泊能力作业的现象时有发生，对港口生 产造成了一定的安全隐患。另一方面，改革开放以来，港口建设取得迅速发展， 但与经济社会发展需要和船舶大型专业化发展趋势相比，港口总体吞吐能力仍然 不足，现有部分沿海港口泊位已不能满足运输生产需要，特别是大型专业化泊位 不足的矛盾非常突出。在抓紧新建码头的同时，根据港口实际情况加大对老旧码 头的技术改造，提高老旧码头对新货种和新船型的适应能力，进一步完善港口功 能，使港口更好地为社会发展服务，适应港口现代化和船舶大型化发展已成为迫 切的要求。 总体来说，对于高桩梁板式码头，在使用年限大于十五年以上时，构造物的 破坏情况一般较严重，而对于其它结构形式的构筑物，虽然其健康状况一般较好， 但同样也存在安全隐患，其健康状况不容忽视。这就迫切需要对这些老码头结构 进行常规检测和承载性能进行分析评估，以此确定码头的维修加固的方法，保证 港口安全生产，促进港口健康发剧1 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 概述 高桩码头结构的检测评估，涉及到结构有限元计算、结构振动测试、概率论 与数理统计、模糊数学、神经网络等基础科学知识，以及基于知识的专家系统法、 相关的规范和多种检测及评估技术方法等，属于交叉学科领域。近年来己引起了 世界各发达国家的重视，并被列入优先发展的研究领域。如何通过一定的检测手 段来判断结构的健康状况已成为当前国际上的一个研究热点，河海大学王山山1 2 】 教授对高桩码头检测有一定的理论研究，也发表了些相关的论著。 以往的结构损伤检测主要采用经验法，结合一些试验，如回弹仪检测混凝土 强度、超声波法测量混凝土缺陷等。目前结构检测正向智能化方向发展，出现了 结构健康智能监测诊断系统。结构健康智能监测诊断系统需要解决的关键问题是 2 第一章绪论 健康监测系统的实现和损伤程度、位置及可靠性的确定，该系统应具有实时监测、 智能诊断、报警及预报等功能。码头检测评估的发展方向是引进智能工程向智能 化方向发展，基于振动的模态分析法、人工神经网络法、基于知识的专家系统法 等在码头检测评估中的应用，并且随着各种检测评估方法的不断完善与成熟，综 合评估法将会起得越来越重要的作用。 1 2 2 码头检测评估的历史 码头结构检测及评估，即结构故障诊断，其目的是确定结构是否存在故障， 进而判别故障的程度和方位、结构目前的状况、使用功能以及结构故障的变化趋 势等【3 1 。通过对土木工程结构检测评估的历史的研究，以此来研究码头检测评估的 历史。土木工程结构检测评估主要是对结构可靠性进行评估，国外大致经历了三 个阶段。第一阶段：二十世纪四五十年代的探索阶段，探索缺陷产生的原因及修 补方法，主要通过目测的方法凭经验判断。第二阶段：二十世纪六七十年代的发 展阶段，注重建筑物检测评估方法的研究，提出破损检测、无破损检测、物理检 测等几十种检测方法，以及分项评价、综合评价、模糊评价等多种评价方法。第 三阶段：自二十世纪八十年代以来的完善阶段，在这一阶段制定了一系列的规范 和标准，强调综合评价，并引入智能工程，结构可靠性评价向着智能化方向迈进【4 j 。 我国在经历了一些诸如地震、洪水等自然灾害的惨痛教训及人为事故之后，自二 十世纪七十年代中期开始，逐渐重视对土木工程结构的检测评估。九十年代以来， 制定了一系列的规范和标准，如建设部分别制定了工业厂房可靠性鉴定标准 g b j l 4 4 9 0 、民用建筑可靠性鉴定标准g b 5 0 2 9 2 1 9 9 9 9 、建筑抗震鉴定标准 g b 5 0 0 2 3 9 5 等标准，强调综合评价，并引入智能工程，结构可靠性评价向着智 能化方向迈进【4 j 。 码头检测、评估是水运工程学科的边缘学科1 5 1 ，这一学科综合性很强，不仅涉 及结构力学、断裂力学、建筑材料学及工程地质学等基础理论，而且与施工技术、 检测手段、生产工艺也有密切关系。 1 2 3 码头检测评估的方法 根据对构件的损伤和影响大小，码头检测方法可分为非破损检测法吲( 如回弹 法、超声脉冲法、电磁波法、红外成像法等) 、半破损检测法( 如取芯法等) 、荷载 试验法等；根据所采用的手段，检测方法可分为力学法、声学法、电磁法、放射 法、红外法、化学法、光纤法、成像法等。可通过使用经验法对码头结构进行评 估，检测评估人员根据以往的经验对码头调查中存在的安全隐患做出初步结论， 进而对码头的使用情况进行评估。虽然该方法缺乏完整的科学程序和检测手段， 但可以及早发现问题，避免事故的发生；对于模糊评判法则是利用模糊数学原理， 第一章绪论 3 用隶属函数做桥梁将码头结构的某些不确定性参数，在形式上转为确定性参数， 即将模糊性加以数量化，从而利用传统的数学方法进行分析处理；概率计算法是 通过控制断面进行计算的方法，即通过计算构件在控制断面处的内力( 剪力、弯矩 等) 对码头构件承载性能进行评估【7 j ；振动诊断也称模态分析法，通过故障的存在， 使得工程结构的各种结构参数( 固有频率和模态等) 在不同程度上受到影响，进而 使结构显示出与正常结构相区别的动态特性。因此，可以利用振动的方法，通过 模态分析确定故障的存在。现在已出现了一些基于振动的故障诊断方法，如基于 振动的计算机仿真法( 有限元仿真、模态仿真) 、时间序列法、灰色系统法等：基于 知识的专家系统法中专家系统是迅速发展起来的一个人工智能应用领域，所谓专 家系统实际是一个( 或一组) 能在某特定领域内，以人类专家水平去解决该领域中困 难问题的计算程序；在人工神经网络法中，人工神经网络是对人脑思维方式的某 种简化、抽象和模拟，是一个非线性动力学系统，其特色在于信息的分布式存储 和并行协同处理，通过简化、抽象、模拟的神经元为基础，单个神经元的结构极 其简单功能有限，但大量神经元构成的网络系统所能实现的行为却是极其丰富多 彩的；综合评估法是利用传力树原理，结合构件单元来评估结果，以承载力验算 为基本的评估方法，吸取各种评估方法的长处，对码头可靠性进行评估。所谓传 力树是由一系列基本构件和非基本构件组成的传力系统，树表示构件与系统失效 之间的逻辑关系，基本构件是指当其本身失效时会导致传力树中其它构件失效的 构件，非基本构件是指其本身失效是孤立事件，它的失效不会导致其它主要构件 失效的构件。 1 2 4 高桩码头检测评估的发展 以往的结构损伤检测主要采用经验法，结合一些试验检测：如回弹仪检测混 凝土强度、超声波法测量混凝土缺陷等。目前结构检测正向智能化方向发展，出 现了结构健康智能监测诊断系统。虽然该系统尚未完全成型，但现在健康诊断在 水利工程的安全评价已有很大发展，也有很好的应用。许多问题有待研究，向智 能化方向发展的趋势是可取的。结构健康智能监测诊断系统需要解决的关键问题 是健康监测系统的实现和损伤程度、位置及可靠性的确定。该系统应具有实时监 测、智能诊断、报警及预报等功能。码头检测评估的发展方向是引进知识工程、 向智能化方向发展。基于振动的模态分析法、人工神经网络法、基于知识的专家 系统法将在码头检测、评估中发挥更大的作用，随着各种检测评估方法的不断成 熟，综合评估法将会变得越来越完善r 引。 由于港口码头混凝土耐久性受环境的多因素影响，耐久性失效过程极为复杂。 因此，耐久性失效过程理论分析中的一些关键技术参数还暂时停留在经验或半定 量的技术水平上，导致对混凝土耐久性的检测评估技术成为当前国内外研究的热 4 第一章绪论 点【9 1 。为了满足当前港口码头检测评估的技术需求，必须对码头混凝土结构耐久性 评估技术进行系统研究，只有对耐久性失效过程理论关键参数上取得技术突破， 才能提高耐久性检测评估的准确性和可靠性。 1 3 本文的主要研究思路及内容 本文结合本研究所属课题，采用现场检测和有限元分析方法对高桩码头结构 检测评估进行研究，重点完成以下几方面的工作： ( 1 ) 对沿海、华南地区部分高桩码头检测评估资料进行统计，分析高桩码头 主要破坏形式以及产生该破坏的主要原因：通过统计主要的检测评估方法，提出 有限元评估码头结构承载性能的评估方法。 ( 2 ) 以舟山中远一号码头检测项目为依托，采用高桩码头的常规检测方法和 手段，对现场测得数据进行分析，明确码头结构存在的主要问题。 ( 3 ) 采用有限元分析对舟山中远一号码头结构的承载能力进行评估，分析码 头随使用年限的延长码头各部件承载性能的变化，找出使用控制的重要部分，为 码头的检测、维护提供建议。 第二章华南地区高桩码头构件损坏情况及原因分析 5 第二章华南地区高桩码头构件损坏情况及原因分析 2 1 高桩码头结构损伤机理浅析 高桩码头是淤泥质海岸及河口地区普遍采用的一种码头结构形式，但此类码 头往往建成后l o 年之内即会出现破损现象，甚至无法正常使用。造成高桩码头结 构破损的因素是多方面的，一方面是由于码头建设时设计规范的局限性以及施工 质量的局限性造成的，另一方面码头结构在实际使用过程中，因超负荷运行、船 只撞击、材料老化、腐蚀以及地基条件改变等因素，码头结构也难免出现不同程 度的损伤，甚至危及码头的安全运营。据我国对使用7 2 5 年的高桩码头进行的 抽查结果发现，有损坏或严重损坏的比例高达8 9 【1 0 l 。针对此类运营多年的服役 结构，其健康状况的准确诊断及安全性的客观评价对于保障码头正常使用以及制 定经济合理的维修加固方案具有重要意义。 高桩码头结构损伤破坏的表现形式主要包括：混凝土局部开裂、剥落；钢筋 外露、锈蚀甚至断裂；码头存在整体不均匀沉降、水平位移、平面扭转等】。 2 1 1 局部混凝土破损机理 根据以往工程经验，高桩码头结构较其他形式的码头结构更易破损，通常在 水位变动区和溅浪区的破损较其它部位要严重。对于混凝土结构，裂缝的存在是 不可避免的，亦是规范所允许的，尤其是大体积混凝土结构，由于外壳混凝土硬 化、内部膨胀而产生的垂直于外表面的温度裂缝以及由于内部混凝土收缩而产生 的平行于外表面的温度裂缝往往相互交错，呈空间分布。在潮水涨跌及浪溅区段， 由于渗透作用和混凝土裂缝的虹吸作用，使含有盐分的水分人渗到混凝土内部， 一方面由于水压力作用而导致裂缝扩张，另一方面潮位下降后，因水分蒸发而使 盐分留在混凝土的毛细裂缝中，由于盐分的结晶效应而导致裂缝的进一步发展。 随着潮位的变化，水分的侵入、蒸发和盐分结晶过程的循环发生，容易导致局部 混凝土结构的损伤，表现为局部混凝土结构强度大幅降低和表层混凝土碳化。 2 1 2 钢筋锈蚀原因 钢筋锈蚀是导致混凝土结构耐久性破坏的主要形式，而且结构一旦破损发生 就会迅速恶化。m e h t a 教授指出：“当今世界混凝土破坏原因，按递减顺序是：钢 筋腐蚀、冻害、物理化学作用”，并明确将“钢筋腐蚀”排在影响混凝土耐久性因 素的首位【1 2 】。可见钢筋锈蚀是导致高桩码头结构损伤的主要机制。 2 1 3 不均匀沉降原因 在高桩码头运营期间，引起桩坡体系不均匀沉降的机理应包含两方面的内容。 一方面是由于各种工况荷载作用下的结构响应引起桩坡体系不均匀沉降；另一方 6 第二章华南地区高桩码头构件损坏情况及原因分析 面，由于运营期码头的前沿水深不能满足泊位需要时，通常通过清淤捞浅来加大 水深，这种人工开挖施工以及水下岸坡冲淤演变势必造成码头结构体系受力条件 的改变，并产生相应的桩一土位移。 对于高桩码头结构，码头前沿水下岸坡开挖势必引起坡体应力释放，并会加 剧坡项土体的下滑趋势，这一机制将会使码头后承台的沉降加剧，同时开挖区域 坡体的变形又会部分加大和部分减弱码头前承台高桩的轴向受力，从而使得码头 前后承台不均匀沉降问题更加突出。 水下岸坡的冲淤演变导致不均匀沉降问题的机理可从以下两个方面来研究。 对于淤积区域高桩产生工后沉降的机理是：在淤积土层重力作用下，地基土产生 较大的沉降。而且，淤积土层对高桩还作用有负摩擦力同时也促进了工后沉降。 对于均匀淤积，它不会产生整体稳定问题，而且工后沉降也会趋于稳定。若高桩 码头岸边河床冲淤的特点是前沿冲后淤，冲刷加大了水下地形的坡度，并使有利 于斜坡型地基稳定性的前沿压重减小，而后侧淤积则使水下斜坡坡顶压重加大。， 显然，此类高桩码头可能存在整体稳定问题。冲刷区域高桩产生工后沉降的机理 是：冲刷使高桩地基的持力层厚度减小，高桩承载力降低，从而产生较大的工后 沉降。由于高桩地基的持力层厚度减小，必然导致附加应力泡下移，桩底土层的 应力水平加大。对于前冲后淤的高桩码头，斜坡前沿的高桩附加应力泡下移，对 高桩码头地基的整体稳定性也十分不利。 2 1 4 水平位移和平面扭转机理 由于高桩码头设计与施工规范中伸缩缝设计不考虑施工季节的影响，而统一 规定码头结构段与结构段之间的伸缩缝宽度为2c m ，造成己建高桩码头的多数伸 缩缝被挤死，使得码头结构适应水平变形的能力下降，码头结构的水平位移和平 面扭转问题进而愈加突出。一般情况下，不均匀沉降也会导致一定的水平位移。 但往往高桩码头发生的水平位移会超过由高桩不均匀沉降派生的水平位移。工程 实践表明，较大的水平位移和平面扭转往往是高桩码头产生整体滑移的征兆。 2 2 码头结构损伤检测内容 2 2 1 外观调查 外观调查主要是通过现场的一些调查了解码头结构目前的状况，包括收集设 计资料、了解施工情况和使用情况，检查结构的外观、变形和位移，掌握结构外 观特征，观测缺陷及缺陷所在的位置，为进一步的检测提供基础技术资料。 2 2 2 材料与部件检测 1 材料与部件的强度检测 材料与部件的强度是决定结构或构件受力性能的关键因素之一，也是评定这 第二章华南地区高桩码头构件损坏情况及原因分析 7 类结构和构件性能的主要参数。材料与部件的强度是各种物理性能的综合反映。 对材料与部件的强度主要采用有回弹法和超声法、钻芯法及超声回弹综合法。目 前对材料与部件的强度的检测已比较成熟，检测方法可依据“水运工程砼试验规 程( j t j 0 2 7 9 8 ) 。 2 材料与部件的缺陷检测 材料与部件的缺陷是指材料与部件内部或由表面深入到内部且范围较大的缺 陷。这些缺陷单凭表面特征很难判断，需要用仪器来检测，才能确定性质和范围。 材料与部件的缺陷主要有裂缝、孔洞和不密实区。检测方法一般采用超声波法。 检测方法依据“水运工程砼试验规程( j t j 0 2 7 9 8 ) 。 2 2 3 基桩的检测 目前基桩检测方法按施加荷载性质共分两类：一类是静荷载试验技术，另一 类是动力检测技术。静荷载试验方法是公认的确定桩的承载力最可靠的手段，测 试精度高，但测试费用高，测试时间长。另一方面，已竣工水运工程，由于桩基 与桩帽及上部结构共同组成了整体结构，相互影响，比单桩检测要复杂得多。故 静荷载试验对在役水运工程的检测有一定的局限性。 2 2 4 结构整体的检测 码头结构整体检测是对在线的工程结构的整体协调作用的一个测试方法。整 体测试分为静力法和动力法两种。整体静力法是指测试结构在工作的静荷载如堆 载、重件等作用下结构整体的应力和位移的大小。进而判断结构整体的强度、刚 度和稳定性是否满足安全工作条件。整体动力法是指测试结构在工作的动荷载如 船舶靠泊力、风浪力、装卸动载等作用下结构整体的动响应的情况。进而判断结 构在相应的动荷作用下的安全性。目前对水运工程结构整体的检测还没有相应的 检测规程。 2 3 结构损伤诊断的方法 2 3 1 传统检测方法 传统检测方法有外观检查、无损检测( 如超声波、声发射、x 射线等) 及抽 样调查等多用于材料特性以及局部缺陷的测试，需要事先知道损伤的大致部分且 损伤部位可以接近，检查结果多依赖于检查者的经验及主观判断，不能从整体上 定量的把握结构性能。 2 3 2 静力试验方法 静力试验方法是通过给结构施加静力荷载，建立静力平衡方程，根据实测结 果( 静力响应等) 得到静力参数( 结构刚度、位移、应变、材料参数如弹性模量、惯 8 第二章华南地区高桩码头构件损坏情况及原因分析 性矩等) 。在单元层次上，利用上述参数的残差分析来识别损伤【1 3 】。静力试验方法 是获取结构信息的一种比较稳健的测试手段，也是目前普遍采用的方法。但是， 由于静力实验的设备笨重、实验时间长、工作量大，影响结构的正常使用，还有 可能对结构造成新的损伤。而且静力实验多为破坏性实验，只能抽样检测，不可 能对所有的结构构件进行检测，所以不能完全反映结构整体的损伤情况。由于结 构损伤分布的随机性，用静力检测难免发生漏检，对结构的安全造成隐患。 2 3 3 动力学损伤诊断方法 动力学损伤诊断的基本原理是结构的动力特性参数( 固有频率、振型、阻尼比) 与结构的物理参数( 刚度、质量以及材料的本构特征) 存在对应关系。结构损伤时物 理参数的变化，必将引起动力参数的变化。因此可通过动力测试来捕捉结构静动 力参数的变化，从而进行结构损伤诊断。根据是否应用结构模型、是否进行反演 计算等特点分类论述结构动力学损伤诊断方法。 l 无模型的识别方法 用于损伤识别的特征量与结构模型无关，直接由振动响应的时程和响应谱分 析得到，多用于机械领域。1 9 9 4 年s a m m a n 提出了基于频响函数( f r f ) 的波形识别 指标w c c ( w a v e f o r l t lc h a i nc o d e ) 、a t m ( a d a p - t i r et e m p l a t em e t h o d s ) 、 s a c ( s i g n a m ra s s u r a n c ec r i t e d a ) 。1 9 9 8 年秦权等把该方法应用于香港青马大桥的损 伤识别，指出w c c 和a t m 识别损伤的能力优于s a c ，但是它们都不能识别损伤 的位置。 2 基于模型的无反演损伤指标定位方法 这种方法是基于动力参数的结构损伤诊断方法，直接由试验模型分析得到的 模型参数或组合变换形成个损伤识别指标，通过损伤前( 基准参数) 、后指标的变化 来判断损伤的存在、位置和程度。作为一个损伤指标，它必须满足的条件有：应 为局域量，对损伤位置敏感，是结构损伤位置的单调函数；有明显的位置坐标； 在损伤位置有明显的峰值效应。通常用到的模型参数有：固有频率、位移振型、 振型曲率、柔度矩阵、模态应变能、残余力向量、应变模态等。 3 基于模型的反演损伤识别方法 通过损伤前后结构物理参数向量的改变来确定损伤的位置和程度，属于振动 反问题，而结构损伤的模型修正、系统识别和状态估计方法在这里得到广泛的应 用。 ( 1 ) 灵敏度法 灵敏度法是分别将结构试验数据中得出的模态参数和结构有限元模型分析的 模态参数看作物理参数的函数，用灵敏度矩阵进行一阶二阶泰勒展开，对结果进 行比较。此种方法的精确度取决于灵敏度计算的有限元模型质量。但是获得精确 第二章华南地区高桩码头构件损坏情况及原因分析 9 的分析模型本身就是一个艰巨的工作，分析模型的不确定性或许会影响损伤诊断 的结果。 ( 2 ) 系统辨别与模型修正法 系统辨别是在输入输出的基础上，按照一定的准则建立和修正反映系统本质 属性的数学模型。参数估计是其定量研究的核心问题，而辨别准则将此问题转化 为求一个反函极值问题。在结构系统辨别中，不同的数学模型对辨别的结果可以 引人不同的解释。其模型误差可分为：非线性模型的不确定性、模型描述的完整 性。因而选择确切的模型成为辨别中重要问题之然而，结构损伤后是否线性仍是 个问题，如果结构系统损伤后是非线性的，它的动力特性就不能用线性系统识别 的方法来估计。系统辨别对结构损伤诊断的一个主要方法是使用模型修正法。一 旦一个物质系统的有限元模型确定，它的精确性常常通过对物质系统得出的振动 模态和频响的比较来测定。如果二者的相关性很差，那么假定试验测量是正确的， 用于分析的模型必须修正，使得分析模型和试验结果的相关性得到改进。然后修 正的模型被认为是比最初的分析模型更好的反映了实际的结构，模型中观察到的 任何局部刚度的减少均假定用于在定精确度上评估稳定性和控制特性，并且预 测结构的动力响应，上述系统矩阵的修正过程就是所谓的模型修正。用于无损评 估的有限元模型修正方法可以分为：模态柔度法、最优矩阵修正法、测量刚度改 变法和综合模态参数法等。 ( 3 ) 人工神经网络法 人工神经网络具有自学习、联想、记忆及模式匹配的能力；具有滤出噪音及 在有噪音情况下得出正确结论的能力；具有分辨原因及损伤类型的能力。基本原 理是先通过分析各种不同的损伤序列或破坏模态来建立模式库，然后观察实测振 动信号的变化，并将它与可能发生损伤的模式数据库进行比较，选择最相似的模 式。特别适合于处理需要同时考虑许多因素和条件的、不精确和模糊信息的问题。 神经网络方法不需要被研究系统的本质现象，有容错能力，也不需要任何待识别 系统的预备信息，可以用相同的公式处理线性和非线性的系统。网络特性的选择 和网络输入参数的选择是应用人工神经网络进行结构损伤识别的关键。现有的网 络模型有：b p 网络模型、对偶传播神经网络、径向基函数( r b f ) 神经网络、概率 神经网络、自回归神经网络、模糊神经网络等。神经网络损伤诊断方法已在梁、 框架结构、桥梁结构上得到应用。 ( 4 ) 概率统计法 工程结构的随机性决定了损伤诊断的结果只能服从统计规律。根据对结构参 数随机性的认识，参数估计算法包括：a 定性，不承认测试数据或者分析模型是 随机变量的可能性；b 认为结构模型是确定的，但测试数据是随机的；c 结构模 1 0 第二章华南地区高桩码头构件损坏情况及原因分析 型和测试数据都是随机的；d 结构模型和测试数据是随机的，且考虑被估计参数 的先验值。 ( 5 ) 小波分析和h i l b e t 变换 基于小波变换的小波分析是利用一个可以伸缩和平移的，且能够聚焦到信号 的任意细节的可变视窗进行时频域处理，既可以看到信号的全貌又可分析细节， 并且可以保留数据的瞬时特性。利用小波变换分析结构损伤前后的时域和频域响 应，可以确定诸如高次谐波、亚谐波以及混沌现象等非线性系统响应的动力特性， 进而检测结构的非线性。基于模态分解( e m d ) 的h i l b e r t h u a n g 变换得到的h i l b e r t 能谱是最近提出的数据处理技术，能检测到加速度数据中的任何不连续点，能够 精确反映物理过程中能量在各种频率尺度及时间上的分布，在非线性、非平稳时 序分析中显示出巨大的优越性。 2 3 4 结构损伤诊断中存在的问题 结构损伤诊断是- f - j 有着广泛前景的学科，虽然前人已经做了大量的研究工 作，但基于结构损伤诊断是多个损伤分布在结构空间体系中，损伤症状与其成因 和程度之间存在着复杂因果关系，其因素具有不确定性( 随机性、模糊性、未确 知性) ，而且诊断过程有人的经验参与和环境的影响。所以作为一种方法应用到 土木工程中还有很多需要研究的问题，主要表现以下几个方面： 1 进一步减小结构动力测试数据的误差，这就要求新型传感器和激振器的发 展：光纤传感器、压电传感器、形状记忆合金传感器、微电子力学系统( m e m s ) 传感器和微型激振器等。 2 寻找对结构损伤更为敏感和抗环境干扰能力更强的动力参数，这将为大量存 在的小损伤结构的诊断和有复杂环境干扰的损伤提供保证。 3 从单一的质量指标检测向综合质量鉴定发展，对大型结构进行系统的实时检 测和维护机制的研究。 4 对于结构损伤机理的研究，损伤的存在、位置、程度仍然是最主要的问题。 而对于受损的结构的剩余承载力和结构寿命的研究是其最关键的也是到目前为止 没有解决的问题。 2 4 码头结构破坏特点分析 码头作为一种混凝土结构，可以借鉴一下有关混凝土结构破坏机理和失效模 式的研究。在混凝土结构破坏机理研究方面一些学者加强了断裂力学与损伤力学 在混凝土材料破坏研究的应用，他们对混凝土结构破坏过程分别从宏观和细观层 次上进行研究。人们根据试验机以及从混凝土内部结构的亚微观分析发现，混凝 土在承受载荷以前已含有微裂纹，存在宏观的缺陷，如裂纹、夹渣、气泡、孔穴、 第二章华南地区高桩码头构件损坏情况及原因分析1 1 偏析等。混凝土的破坏正是由潜在的各种缺陷引起的，其破坏过程实际上就是微 裂纹萌生、扩展、贯通，直到产生宏观裂纹，导致混凝土失稳破裂的过程1 1 4 】。 在混凝土破坏过程宏观层次上的研究，瑞典隆德工学院的h i l l e r b o r g 教授以混 凝土杆件在单轴受拉时的断裂实验为基础提出了虚拟裂缝模型l l5 1 。该模型认为， 当杆件受拉、内部应力达到其抗拉强度时，在杆件的某个部位将出现含很多微裂 纹的断裂区。断裂区可发生在杆件的任何部位。随着杆件变型的增长，断裂区内 微裂纹不断发展，裂纹尖端应力集中开始释放，裂纹区以外的部分则同时开始卸 载。但是，即使是在直接拉伸条件下，裂纹也不仅仅受到垂直于裂纹表面的拉应 力作用，同时还受到平行于裂纹表面的剪切应力作用，这是一个复杂的应力状态， 不能简单的认为裂纹萌生、扩展只与拉应力有关。显然虚拟裂缝模型很难处理多 裂纹的扩展问题。美国西北大学b a z a n t 教授认为i 】5 1 ，根据有限单元法提出钝裂纹 带模( b l u n tc r a c k b a n dm o d e l ) 。该模型初看起来似乎与普通的分散裂缝模型没有什么 区别，但是分散裂缝模型是与单元大小相关的。而钝裂缝带模型仍然应用了虚拟 裂缝模型中提出的应变软化曲线和断裂能的概念，使得分析结果与有限元网格大 小无关，保证计算结果没有网格的依赖性。同时该模型还提出了垂直于裂纹方向 承受剪应力时类似的剪切应变软化曲线和i i 型断裂能，并提出将软化带的宽度h 作为材料参数。该模型可以方便的确定裂纹带以及结构的应力和变形，具有分散 裂纹模型所具有的优缺点。但是，即时采用一些先进的微观观察技术，软化带的 宽度h 等参数的测量实际上很难实现。 在混凝土破坏过程细观层次上的研究立足于混凝土细观结构的认识，人们提 出了许多研究混凝土断裂的细观力学模型和方法。以理论物理学为基础发展起来 的网格模型假定混凝土为砂浆基质、骨料以及两者之间的过渡层组成的三相复合 材料。该模型在模拟混凝土的断裂时，假定外部荷载是分步施加的，在某个荷载 步时，借助于有限元技术可以计算出单元中的应力分布，当某个单元的应力状态 不满足给定的强度准则( 例如最大拉应力准则) 时，认为该单元破坏，将其从网格中 剔除( 剔除掉单元的位置在计算结果图中显示为裂纹) ，然后调整整个网格结构，进 行进一步的分析。这样就可以模拟混凝土受力后的整个断裂过程。该模型在模拟 由于拉破坏所引起的断裂过程是非常有效的。但对于压缩荷载作用下的宏观响应， 结果不理想l l6 。 混凝土耐久性破坏是混凝土结构工程构筑物的主要破坏形式之一。它极大地 影响建筑物的使用功能和使用寿命。认识、了解、检测、控制、并最终消除混凝 土耐久性破坏，一直是混凝土科学工作者的一项重任【1 7 】。美国的pkm e h t a 教授 认为引起混凝土劣化的主要原因依次为：钢筋锈蚀、冻融循环、碱集料反应、硫 酸盐侵蚀【】8 j0 9 。 1 2第二章华南地区高桩码头构件损坏情况及原因分析 文【2 0 】通过大量的调查、研究分析可知，混凝土的耐久性破坏因素表现形式主 要有混凝土的冻融、混凝土遭受侵蚀性化学物质的腐蚀、混凝土的碳化、混凝士 中的碱骨料反应及钢筋的锈蚀等。不同的因素基于不同的机理，由此可采用相应 的不同措施。( 1 ) 冻融作用。混凝土不密实，内部存在许多连通孔隙和渗水通道， 严重影响抗渗性。在负温度存在情况由于其内部孔隙和毛细孔道的水结冰，产 生体积膨胀和冷水迁移，导致混凝土表层发生开裂、剥落、结卡句疏松、强度降 低，而使混凝土遭受冻融的作用而破坏。( 2 ) 混凝土的碳化作用。混凝土的碳化 指混凝土内部水泥石中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳在温度相宜时发生化学反 应，生成碳酸钙和水，是一个很复杂的多相物理化学过程。一混凝土的碳化会加剧 混凝土的收缩，使混凝土表面产生拉应力而出现裂纹，降低混凝土抗拉抗折强度 及抗渗能力。混凝土由于碳化作用，使氢氧化钙减少而碱度降低，使钢筋处于中 性环境，钢筋表面钝化膜遭到破坏而生锈，而钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开 裂，钢筋与混凝土时之间粘结力破坏，结构耐久性降低等不良后果。( 3 ) 钢筋锈 蚀。混凝土原来对钢筋有良好的防锈性能，但由于各种不利因素( 如混凝土表面微 裂，碳化等) 的作用，发生电化学反应，同应与复杂的物理过程相关，它主要经过 三个连续过程：氧气由外部大气通过混凝土保护面向钢筋表面传运；在钢筋 表面的相界反应区，发生阴极和阳极反应，生成反应物；反应产物离开相界反 应区，最终形成了钢筋的整个锈蚀反应过程。随后钢筋膨胀( 约2 5 倍) ，混凝土保 护层断裂，影响结构耐久性等一系列严重的后果。( 4 ) 碱骨料反应。碱骨料反应 是指混凝土原材料中的水泥在水化过程中释放出的碱金属与含碱骨料中的碱活性 成分发生化学反应，而形成碱活性物质。碱骨料反应使混凝土内部产生膨胀应力， 将其自身胀裂，发展严重的只能拆除，无法补救，称为混凝土的癌症。( 5 ) 混凝 土的磨蚀。混凝土的耐磨性是指混凝土表面的抗磨损力，它是影响底版、道路受 含砂水流冲刷及气蚀作用的水工结构寿命的重要因素。 文【2 l 】对沿海混凝土建筑物破坏机理进行分析，认为主要破坏形式有氯化物侵 蚀、碳化侵蚀、碱集料反应、冻融循环、盐类侵蚀。各种形式损害形式的破坏机 理为：氯化物侵蚀的破坏机理氯化物的侵入是沿海混凝土建筑钢筋锈蚀的主要 因素，沿海混凝土结构处于含有氯盐的海水、盐土或空气环境中，氯离子从混凝 土表面逐渐扩散到钢筋表面并使钢筋去钝，氯离子在腐蚀中不形成产物，只是作 为促进腐蚀的中间产物，因此含量并不降低反应式如下： f e 2 + + 2 c 1 + 4 i - 1 2 0 专f e c l 2 4 h 2 0 f e c l 2 4 h 2 0 - - f e ( o n ) 2 , 1 , + 2 c 1 + 2 i - i - + 2 h 2 0 反应产物f e ( o h ) 2 ，进一步与氧和水化合生成f e ( o h ) 3 ，再进一步与水化合后 形成f e ( o h ) 3 h 2 0 ，后者的最终体积可增大2 1 0 倍，在混凝土中形成很大的膨胀 第二章华南地区高桩码头构件损坏情况及原因分析 1 3 力如果在大面积的钢表面上有高浓度氯化物，则氯化物引起的腐蚀可能是均匀 腐蚀但是在不均匀的混凝土中，常见的是局部腐蚀，俗称点蚀或坑蚀点蚀对 于断面小、应力高又比较脆的预应力钢筋危害特别大碳化侵蚀破坏机理与前 文类似碱集料反应破坏机理与前文类似冻融循环的破坏机理与前文类似 盐类侵蚀破坏机理。海水中含有大量的硫酸盐、镁盐和氯盐混凝土在海水中的 腐蚀主要是m g s 0 4 、m g c l 2 与水泥水化后析出的c a ( o h ) 2 起作用的结果，反应 式如下： l m g s 0 4 c a ( o h ) 2 专c a s 0 4 + m g ( o h ) 2 生成物c a c l 2 和c a s 0 4 都是易溶物质，且n a c l 还会提高c a ( o h ) 2 和m g ( o h ) 2 的溶解度，将它们浸出，使混凝土的孔隙率提高，结构被削弱在氢氧化钙存在 条件下，硫酸镁也能与硫铝酸钙发生作用生成钙矾石但有些学者认为：海水中 含有大量的n a c i ，会缓解其作用硫酸盐腐蚀最严重的是浪溅区及潮汐涨落区， 这部分混凝土直接遭受海浪的冲刷、干湿循环作用，最易破坏。 文【2 2 】中认为混凝土耐久性破坏从引发材料结构破坏机理角度可分为三种积累 模式：质量积累模式，能量积累模式和损伤积累模式这三种。 2 5 华南地区高桩码头检测资料分析 2 5 1 华南地区高桩码头检测资料 对广州四航工程研究院有限公司于2 0 0 6 2 0 0 8 年进行的高桩码头检测资料进 行统计分析。本次统计资料采用该单位代表性检测码头2 0 个，其中事故码头检测 4 个，常规检测1 6 个。 1 4 第二章华南地区高桩码头构件损坏情况及原因分析 表2 1 高桩码头检测项目表 t a b l e2 1h i g h p i l e dw h a r f d e t e c t i o nl i s t 年份码头名称 深圳招商港务3 # 4 # 8 # 泊位码头 东莞飞虎石油化工储运有限公司油码头 东莞海腾港务有限公司码头 广东物资燃料有限公司新造油库码头 2 0 0 6 年( 9 个) 广州市南方面粉股份有限公司码头 广州港集团有限公司新港港区油码头 东莞市电力燃料有限公司码头 惠州港泽华油库码头 东莞市富之源蛋白饲料开发有限公司1 # 码头 深圳妈湾港区3 1 存4 撑泊位码头 广州小虎石化码头有限公司码头 2 0 0 7 年( 5 个)广州市糖烟酒有限公司码头 广东省金属加工厂码头 佛山中外运仓码有限公司一期( 3 3 0 m ) 码头 深圳蛇口s c t - 7 撑泊位码头事故 广东省储备粮中山直属粮库码头事故 广东中外运东江仓码有限公司码头 2 0 0 8 年( 6 个) 深圳市蛇口太子湾片区改造工程一突堤西侧码头 广州小虎石化码头l 撑和3 捍泊位使用性能 舟山中远船务工程有限公司一至六号码头 对以上高桩码头检测结果统计分析，通过对码头水上部分外观检查表2 2 、码 头各构件强度检测表2 3 、前沿线的相对位移表、码头相对沉降表2 4 、桩基检测 表2 5 等6 部分检测结果，得出如下： 1 9 9 1 年至今，对十余座军港高桩码头锈蚀检测情况调查进行了详细的技术检 测，开展了两次军港高桩码头技术状态的调查，积累了大量的数据和资料。现将 部分检测资料整理如下见表2 6 。 第二章华南地区高桩码头构件损坏情况及原因分析 1 5 表2 2 高桩码头水上部分外观检查 t a b l e2 2h i g h p i l e dw h a r f p a r to f t h ee x t e r i o ri n s p e c t i o no f w a t e r 码头名称 码头水上部分外观检查 未见明显缺陷，上部结构各构件整体较好，局部小面积混 深圳招商港务码头 凝土脱落，钢筋外漏等现象 基本都是完好的，没有明显的缺损，局部小面积混凝土脱 东莞飞虎石油化工储运油码头 落，钢筋外漏等现象 未发现明显缺陷，上部结构的各构件整体质量较好，局部 东莞海腾港务码头 小面积混凝土脱落，钢筋外漏等现象 未发现明显缺陷，码头上部结构的各构件整体质量较好， 广东物资燃料新造油库码头 面板出现混凝土破损，钢筋锈蚀、面层裂缝等 广州市南方面粉厂码头未发现明显缺陷，上部结构的各构件整体质量较好 广州港集团新港港区油码头未发现明显缺陷，上部结构的各构件整体质量较好 东莞市电力燃料码头 未发现明显缺陷，上部结构的各构件整体质量较好 惠州港泽华油库码头 未发现