基于鋼筋性能退化的板樁墻承載力研究

趙 藝 孫克俐 朱福明

（1.天津大學建筑工程學院 天津 300072； 2.天津港建設公司 天津 300461）

由于板樁碼頭結構簡單、用料省、工程造價低、施工方便等優點，在我國港口工程大規模發展的早期建造了很多，而今其中許多已服役數十年，并存在著不同程度的病損，其耐久性較差的特點日益顯露出來。

鑒于目前國內外的研究成果多集中在對單個鋼筋混凝土構件的結構耐久性及使用壽命的理論、試驗及有限元分析等，將碼頭作為一個整體進行承載能力及使用壽命的分析，具有針對性的理論和應用價值，是破損和老舊板樁碼頭能否繼續安全運行，以及升級改造與降級使用的重要而有效的參考依據，也為現役板樁碼頭的風險評估給予了時間概念上的數據支持。

筆者基于前人研究的各功能構件的承載能力及性能退化模型、公式、試驗成果等，建立板樁碼頭樁土接觸二維模型，研究單錨板樁墻的時變受力狀態及其變化規律。

1 鋼筋性能退化模型的建立

鋼筋混凝土構件的舊損形式主要有：①由銹蝕導致的鋼筋截面損失、屈服強度損失、彈性模量降低等；②混凝土保護層剝落等原因造成的混凝土截面損失；③銹蝕導致的鋼筋與混凝土之間粘結性能的退化。本文不考慮由于鋼筋銹蝕導致的鋼筋與混凝土粘結性能的退化，即假定板樁墻經過合理修復后與混凝土粘結完好。

1.1 鋼筋截面損失速率的推導

影響鋼筋銹蝕速率的因素很多，其銹蝕機理也比較復雜，本文依據前人的試驗分析結論，選取以混凝土銹脹裂縫寬度為中間變量的鋼筋銹蝕率－時間關系公式，得出鋼筋截面損失速率計算方法。

銹蝕裂縫寬度與時間的關系見文獻［1］。鋼筋銹蝕率與裂縫寬度的關系見文獻［2］。

基于上述文獻，在給定一個初始條件的情況下，即可推導出鋼筋截面損失率與時間的關系，即鋼筋的銹蝕速率。后續推導和有限元建模計算即建立在此基礎上。

1.2 銹蝕鋼筋的屈服強度

取最不利情況下，即海水浪濺區環境條件下，二級鋼筋銹蝕率與屈服強度、極限強度的關系見文獻［3］。

1.3 銹蝕鋼筋的彈性模量

選取人工氣候環境加速條件下試驗所得的鋼筋彈性模量與銹蝕率關系見文獻［4］。

基于上述推導，設從剛剛開裂到銹脹裂縫擴展到0.1 mm所用的時間為1年，即可推導出不同年份下的鋼筋銹蝕率及對應的鋼筋性能參數。由于在實際工程銹蝕條件下的相關試驗統計結果顯示，直徑較大的變形鋼筋屈服平臺消失的臨界銹蝕率為20%［5］，故本文僅考慮在此范圍內的鋼筋性能退化數據。據此鋼筋性能退化模型對后續的單錨板樁碼頭樁土接觸二維模型進行舊損處理。

2 板樁墻時變受力狀態計算

2.1 單錨板樁碼頭樁土接觸二維模型的建立

首先建立初始狀態下的單錨板樁碼頭模型，其幾何尺寸見圖1，相應土層參數見表1，各構件物理性質見表2。取一個結構段（1.2 m）進行建模，即以拉桿為中心，向兩側分別延伸0.6 m。

圖1 板樁碼頭斷面簡圖

表1 有限元計算土層參數表

表2 有限元計算材料參數表

2.1.1 網格劃分及邊界條件

為便于控制網格劃分位置及網格疏密分布，先采用線網格控制方式，掃掠生成六面體網格。

本模型為靜態分析，邊界條件的設置為土體左右兩側約束水平位移和土體底部約束全部位移，模型前后界面設置為對稱約束［6］。

2.1.2 碼頭荷載

模型主要考慮碼頭面堆載、最不利情況下的波吸力［7］以及結構與土體的自重荷載［8］，并設置不同荷載分步加載。假定板樁墻部分設置了排水孔，故不考慮剩余水壓力。

2.2 基于鋼筋性能退化的計算結果

基于鋼筋銹蝕速率及性能退化模型，選取10年為間隔，考察板樁墻在鋼筋銹蝕開裂后不同舊損情況下的受力狀態變化規律。各年份鋼筋銹蝕情況下板樁墻水平變形曲線，海側鋼筋軸向應變曲線，最大彎矩截面混凝土應變、應力曲線見圖2～圖5。

圖2 板樁墻水平變形曲線

圖3 板樁海側鋼筋軸向應變曲線

圖4 板樁最大彎矩截面混凝土正應變曲線

圖5 板樁最大彎矩截面混凝土正應力曲線

由圖2可見，隨著鋼筋銹蝕程度隨年份增加，板樁墻水平最大位移逐漸向海側增大，且隨時間增速加快。板樁底端幾乎無位移，仍處于彈性嵌固狀態。板樁頂端由于拉桿力的牽引，在一定范圍內向陸側移動。板樁整體變形幅度增大，且受拉區混凝土開裂程度加劇。

由圖3可見，隨著鋼筋銹蝕性能退化，板樁墻鋼筋正應變有所增加，這是因為鋼筋性能退化造成板樁墻整體剛度減小，變形程度加劇。而混凝土開裂后開裂區的拉力主要由鋼筋承擔，故開裂后鋼筋應變的增幅也有所提高。

由圖4可見，板樁墻最大彎矩截面的混凝土拉、壓應變隨著鋼筋銹蝕及板樁墻混凝土拉裂逐漸增加且增幅加大；而在同一鋼筋性能情況內，海側拉裂區的混凝土拉應變較其他區域增長較慢。前者是由于超過屈服狀態后的混凝土，拉應變隨應力增長加快，而后者是由于拉裂后開裂區混凝土的應力相比其余區域相對得到釋放，這從圖5中也可以明顯看出。此外，圖5還表明，當板樁墻跨中開裂后，截面的中和軸隨開裂加劇向陸側移動，且在開裂區附近的混凝土應力集中現象增大，未裂區域的混凝土最大拉、壓應力仍隨鋼筋性能退化而逐漸增大。

圖6給出了跨中最大彎矩截面鋼筋與其周圍混凝土正應變隨著結構舊損時間的變化曲線。從曲線的變化趨勢可以看出，隨著鋼筋銹蝕程度加重，鋼筋與混凝土最大正應變均呈增長趨勢，且增幅逐漸增大。雖然本文solid65單元采用的是彌散裂縫模型，不能精確計算拉裂處裂縫寬度值，但通過拉裂后對應區域混凝土與鋼筋的應變差值，可以定性地判斷對應拉裂區的裂縫寬度的變化趨勢。比較跨中最大彎矩截面鋼筋與混凝土正應變可以發現，在開裂后混凝土最大應變值一直大于鋼筋，且差值隨著時間逐漸增大，可見隨著鋼筋性能退化進而板樁墻的變形幅度增大，開裂區的裂縫寬度總體呈增長趨勢。這不僅對碼頭整體安全不利，更會加劇鋼筋的局部銹蝕，使鋼筋易出現應力集中，結構整體延性有所減低。

圖6 板樁最大彎矩截面混凝土、鋼筋正應變對比圖

圖7 最大彎矩截面、拉桿截面鋼筋處混凝土正應變

結合圖7及模型運算結果可以發現，在板樁墻整體受力狀態變化的過程中，最大彎矩截面及拉桿作用區域的混凝土均不同程度地拉裂，且跨中拉裂區混凝土應變及其增幅均大于拉桿處。這說明在板樁墻舊損過程中，主要破壞發生在跨中最大彎矩截面附近拉裂區。但由于拉桿處的應力集中程度較大，故該處混凝土后期開裂速率較自身前期開裂速率增幅很大的現象不容忽視，也應在板樁墻舊損過程中對此進行觀察監測。

3 結論

（1）隨鋼筋銹蝕性能退化，板樁墻變形程度逐漸增大，且在跨中混凝土拉裂出現橫向裂縫之后板樁墻變形增幅加大。這反映出，隨著銹蝕開裂后年份的增加，板樁墻抗彎能力逐漸下降，應注意對跨中拉裂區域的位移進行監測，以防結構出現位移失效。還需考慮由于不同結構段板樁的不均勻銹蝕導致其變形幅度不同，不利于板樁間的相互連接，造成鎖扣脫節、漏沙等不利于碼頭整體穩定的現象。

（2）隨著板樁墻整體受力狀態的變化，主要受拉區域鋼筋、混凝土的軸向應變均不同程度地增大，且在跨中混凝土拉裂后，鋼筋正應變的增速明顯加快，而跨中最大彎矩截面混凝土與鋼筋對應處的差值也明顯增加。可見混凝土開裂后，拉應力主要由鋼筋承擔，且隨著鋼筋性能退化，跨中混凝土裂縫逐漸擴展并增大。

（3）板樁墻跨中最大彎矩截面的混凝土拉裂及裂縫擴展隨鋼筋性能退化的變化最為明顯，應作為主要破壞予以關注。但在鋼筋銹蝕加重的后期，由于板樁整體剛度降低，拉桿力作用處的受拉區域也產生了一定程度的開裂，且應變增幅較自身前期變化明顯。所以，在后期對板樁墻拉桿錨定部位的檢查和修復需要注意。

（4）綜合以上分析可見，板樁墻的受力狀態在鋼筋性能退化過程中是有所變化的，且隨著舊損加重其受力狀態變化幅度更加明顯，結構的破壞形態也會增加。因此，應考慮在設計初期優化板樁結構設計或連接部位處理等，使板樁受力分布狀態不會隨結構舊損而產生大幅度的變化和應力集中，這將幫助延長板樁碼頭在銹蝕開裂后的使用壽命，提高舊損板樁碼頭安全度。

［1］ 惠云玲.混凝土結構鋼筋銹蝕耐久性損傷評估及壽命預測方法［J］.工業建筑，1997，27（6）：19-22.

［2］ 惠云玲.混凝土結構中鋼筋銹蝕程度評估和預測試驗研究［J］.工業建筑，1997，27（6）：6-9.

［3］ 沈德建.海水浪濺下混凝土中銹蝕鋼筋性能試驗研究及仿真分析［J］.工業建筑，2005，35（3）：58-61.

［4］ 吳 慶，袁迎曙.銹蝕鋼筋力學性能退化規律試驗研究［J］.土木工程學報，2008，41（12）：42-47.

［5］ 張偉平，商登峰，顧祥林.銹蝕鋼筋應力應變關系研究［J］.同濟大學學報，2004，34（5）：586-591.

［6］ 蔣國棟.板樁碼頭的ANSYS有限元分析［J］.中國水運，2009（9）：81-83.

［7］ JTJ213－98海港水文規范［S］.北京：人民交通出版社，1998.

［8］ JTJ215－98港口工程荷載規范［S］.北京：人民交通出版社，1998.