黃驊港某碼頭破損橫梁加固研究

趙博 駱城

0 引言

黃驊港某碼頭于2005年11月正式營(yíng)運(yùn)。該碼頭前沿設(shè)計(jì)水深-11.5 m,碼頭頂面高程+6.0 m,可停靠2艘萬(wàn)噸級(jí)輪船;碼頭的每個(gè)排架由600×600預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土叉樁和直樁構(gòu)成,樁上現(xiàn)澆樁帽,樁帽上安設(shè)預(yù)制橫梁和縱梁結(jié)構(gòu),梁上安放500 mm厚預(yù)應(yīng)力空心面板;面層為不大于130 mm的磨耗層。靠泊設(shè)施包括碼頭前沿TD-B600H和TD-B300H兩種拱形橡膠護(hù)舷,1 000 kN系船柱等。

該碼頭自投入使用后,由于實(shí)際情況所需,碼頭面層上過大型吊車等荷載,對(duì)碼頭的結(jié)構(gòu)構(gòu)件造成了較大的影響,尤其是該碼頭的橫梁構(gòu)件,出現(xiàn)了大范圍的裂縫破損,為了能分析橫梁出現(xiàn)大面積開裂的原因,并提出經(jīng)濟(jì)合理的加固維修方法,特對(duì)該碼頭破損橫梁構(gòu)件采用ANSYS軟件進(jìn)行分析論證。

1 破損情況介紹

黃驊港某碼頭的1號(hào),2號(hào)泊位經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),樁、縱梁、面板等構(gòu)件完好,但是碼頭橫梁破損嚴(yán)重。橫梁破損形式均為裂縫破損,裂縫一般出現(xiàn)在橫梁的跨中、1/3跨和橫梁靠近搭接部位處,裂縫一般都是三面貫通裂縫,有少數(shù)裂縫只出現(xiàn)在梁底或者梁的兩側(cè),根據(jù)裂縫的位置和破損形式可知裂縫一般為受力裂縫,是由于荷載過大而造成碼頭構(gòu)件的開裂;橫梁裂縫多伴隨有流白漿現(xiàn)象,其寬度較小,一般小于0.1 mm;裂縫深度經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可知多在150 mm～250 mm之間。據(jù)統(tǒng)計(jì),該碼頭共計(jì)有71根橫梁出現(xiàn)了裂縫破損,數(shù)量很多,約占橫梁總數(shù)的17%。所以該碼頭的橫梁破損嚴(yán)重,需要及時(shí)進(jìn)行破損原因分析并采取科學(xué)合理的加固維修措施。

2 橫梁破損機(jī)理和加固維修效果驗(yàn)證

為了探求橫梁的開裂原因,我們采用有限元軟件ANSYS對(duì)黃驊港某碼頭橫梁的受力情況進(jìn)行了有限元分析。

計(jì)算中,單元選用三維Solid45單元,單梁長(zhǎng) 3.65 m,凈跨度3.05 m,梁底寬度1.0 m,T梁頂寬度1.6 m,梁高1.8 m,翼緣高0.3 m,按4跨連續(xù)梁考慮計(jì)算。各混凝土指標(biāo)的數(shù)值見表1。

表1 各混凝土指標(biāo)的數(shù)值

有限元模型中節(jié)點(diǎn)7 673個(gè),單元35 908個(gè),其示意圖見圖1。

計(jì)算中考慮結(jié)構(gòu)自重、上部結(jié)構(gòu)(如板和面層等)傳遞到橫梁的重量以及吊車支腿荷載。考慮160 t吊車工作時(shí)最大單腿支撐壓力2 000 kN,作用于橫梁第三跨中部。

計(jì)算結(jié)果見圖2,其中應(yīng)力單位為Pa,位移單位為m。

從圖2中可以看出,除去集中荷載作用位置造成的應(yīng)力集中外,整個(gè)橫梁應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在橫梁底部。

荷載作用下橫梁底部出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力,最大值為1.83 MPa,已經(jīng)超過C40混凝土的抗拉強(qiáng)度1.8 M Pa,因此,在該荷載工況下,混凝土橫梁的底部就有可能產(chǎn)生裂縫。

由于目前部分橫梁底部產(chǎn)生了裂縫,如果不維修而繼續(xù)使用的話,在一定的荷載作用下,裂縫會(huì)迅速發(fā)展,不僅降低橫梁斷面的承載能力,還會(huì)加速氯離子向混凝土內(nèi)部滲透,導(dǎo)致鋼筋銹蝕,情況嚴(yán)重的話,甚至?xí)绊懘a頭結(jié)構(gòu)的安全使用。

因此建議對(duì)混凝土進(jìn)行外包加固。外包范圍將覆蓋橫梁跨中以及1/3跨的裂縫。但外包加固后其加固效果能否滿足需要,就要進(jìn)行建模驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)際加固尺寸建立模型(見圖3)。外包加固后模型節(jié)點(diǎn)8 162個(gè),單元38 365個(gè)。在荷載作用位置及大小不變的情況下,對(duì)橫梁進(jìn)行外包維修后的模型進(jìn)行計(jì)算,將橫梁底部單元單獨(dú)列出,應(yīng)力分布見圖4。

對(duì)比圖2,圖4可以看出,對(duì)橫梁進(jìn)行加固維修后,橫梁底部出現(xiàn)的拉應(yīng)力明顯降低,降低幅度約20%。橫梁經(jīng)過外包加固后應(yīng)力已低于C40混凝土的抗拉強(qiáng)度,在現(xiàn)有工況條件下不會(huì)再出現(xiàn)裂縫,因此該維修方案是可行且十分有效果的。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)黃驊港某碼頭橫梁開裂的原因進(jìn)行分析,可知該碼頭橫梁開裂是由于受到超出設(shè)計(jì)能力的非常規(guī)荷載造成的,需要碼頭管理部門進(jìn)一步規(guī)范操作方法,嚴(yán)格控制堆載、流動(dòng)荷載等,防止碼頭構(gòu)件出現(xiàn)開裂破損;針對(duì)橫梁的破損,特提出了原地加固補(bǔ)強(qiáng)維修的方法,這樣可以節(jié)省維修費(fèi)用,并且不影響碼頭的正常作業(yè),通過模型分析可知,該局部外包加固方法效果顯著,方法先進(jìn),資金節(jié)省,工期合理,是科學(xué)合理的維修加固方法,值得推廣和借鑒。

[1] 朱崇誠(chéng).高樁碼頭橫梁極限承載力有限元分析[J].水運(yùn)工程,2009(5):27-29.

[2] 陳忠華.高樁碼頭橫梁裂縫成因分析與對(duì)策[J].水運(yùn)工程,2006(5):319-321.