廣西某高樁碼頭原位荷載試驗研究

廖德華，楊董為

(廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來，隨著廣西經濟水平的快速提高，到港船舶逐漸向現代化、大型化發展，不少港口碼頭超負荷運轉，年久失修，局部構件老化受損嚴重，部分失去了原有結構的承載能力，迫切需要科學評定其現狀的承載能力，以便對其進行升級加固改造，從而保障碼頭生產運營的安全。

影響老舊碼頭結構承載能力的因素復雜眾多，包括結構疲勞、材料腐蝕劣化(常規病害)等。目前針對老舊碼頭常規檢測評估手段主要有混凝土強度檢測、外觀檢查、變位變形測量和結構驗算等，這些方法可在一定程度上反映老舊碼頭的使用狀態，但均存在一定的局限性，無法真實反映碼頭結構老化程度和實際承載能力[1]，尤其是在開展資料缺乏的老舊碼頭評估時，常規檢測手段無法對其承載能力進行準確評定。時蓓玲等[2-3]根據高樁碼頭檢測評估特點，總結了一套高樁碼頭結構承載力檢測與評估方法，并結合實例對某高樁碼頭承載力進行了檢測評估。金時峰等[4]利用原位荷載對加固后的高樁碼頭軌道梁正常工作能力進行了評定。李沛等[5]采用原位荷載試驗方法，從安全承載能力角度對升級改造后的碼頭進行了評價，并提出了修復和加固的建議。對于老舊碼頭來說，進行原位荷載試驗是最直接、直觀的檢測評估方法，其評估結果也是最為可靠的，本文針對廣西水運現狀發展現狀，選取較有代表性的典型工程實例，采用原位荷載試驗方法，對廣西某高樁碼頭現狀結構承載能力進行評定，試驗報告于2019-11-19通過了行業專家評審。目前，雖然該方法在廣西區內高樁碼頭檢測評估中的應用較少，但其對高樁碼頭結構交竣工驗收具有一定的指導意義，也可為類似工程結構評估提供參考。

1 試驗概況

1.1 工程概況

該試驗碼頭為1 000噸級散貨泊位，采用現澆梁板樁框架式結構，碼頭前沿安裝10 t固定吊。碼頭順岸布置4榀排架，排架間距均為8.6 m，從臨河側至靠岸側依次為A～C列樁，A和B列樁中心距為7.5 m，B和C列樁中心距為8.5 m，現澆面板、橫梁、縱梁、聯系梁、立柱為C40混凝土。碼頭斷、立面圖如圖1所示。

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗荷載

根據碼頭的設計資料，碼頭設計荷載為：10 t固定吊(垂直力850 kN，水平力65 kN，傾覆力矩1 850 kN·m)+20 kPa均布荷載。

1.2.2 試驗參數

靜載試驗通過測試設計荷載作用下截面的應變和豎向位移，反映結構整體和局部受力狀況，與理論計算值進行比較，以達到分析和推斷結構實際工作狀態的目的。當碼頭結構整體性較好，材料劣化不嚴重時，結構基本處于彈性工作狀態，各測試物理量(內力與變形)隨荷載增加的變化曲線接近于直線；當結構整體性下降，材料劣化越嚴重時，各測試物理量隨荷載增加的變化曲線偏離直線，結構處于非線彈性工作狀態，構件承載力下降[3]。

本次試驗選取3軸橫梁BC段為試驗梁段，橫梁截面尺寸為2.2 m×1.2 m，B和C列樁中心距為8.5 m，按照碼頭結構的最不利受力原則和代表性原則，選擇B和C列樁中間位置作為測試截面，測試內容為設計荷載作用下的梁段整體位移和試驗截面撓度、應變。截面應變采用混凝土電阻式應變片測量，沿試驗截面左右兩側對稱布設10個單向應變測點，布置于梁底面及兩側面；在梁底布設兩個YHD-50位移傳感器；于試驗橫梁梁端頂部中心各設置一個沉降測點，采用電子水準儀進行測量；利用DH3819多功能靜態應變測試系統采集應變片和位移傳感器數據，記錄試驗截面的參數結果。測點布置如圖2所示。

注：圖中▲表示豎向位移測點，↓為沉降測點，測點上帶“#”數字為測點編號

1.2.3 試驗方法

利用有限元方法計算得出試驗梁段在設計荷載作用下的截面應力及豎向位移值，采用等效荷載的原理，通過載重車輛模擬等效加載至設計荷載，荷載效率值保持在0.95～1.05區間；加載前首先對試驗梁段進行外觀檢查，記錄裂縫等常見病害；試驗過程中，測量裂縫開展情況，對比前后變化。為保證試驗安全，避免過載引起碼頭損壞，采用分級加載的方式，每一級荷載持荷時間≥5 min，在每一級加載穩定后，記錄相關測點的應變和撓度值，與計算理論值進行比較，根據彈性力學原理，確認車輛產生的應力和撓度在正常的范圍之內，且未出現明顯變形，裂縫的長度、寬度或數量無明顯增加現象，再進行下一級加載[4]。見表1。

表1 靜載試驗工況及荷載試驗效率表

2 試驗結果分析

2.1 試驗梁段整體位移結果分析

在逐級加載時，每次加載到試驗加載值之后，持荷穩定5 min，再進行下一級加載。1#、2#沉降測點實測絕對沉降量如圖3所示，從圖中結果可知：試驗梁段1#、2#沉降測點的實測絕對沉降量整體變化趨勢基本一致，均隨荷載增大而增加，卸載后增加的絕對沉降量基本恢復，記錄的實測最大沉降量為0.03 mm。

圖3 分級加載沉降量變化圖(mm)

2.2 試驗梁段撓度結果分析

在截面最大正彎矩工況下，試驗截面撓度試驗結果和理論計算值如表2所示。由試驗結果可知，1#、2#測點實測彈性撓度值均小于理論計算撓度值，撓度校驗系數<1.0，結構具有一定的安全儲備；卸載后，撓度基本恢復，相對殘余撓度<20%，試驗梁段在加載過程中始終處于線彈性工作狀態。

表2 截面底部撓度結果表

2.3 試驗梁段應變結果分析

在截面最大正彎矩工況下，截面底部應變測量結果和理論計算值如表3所示。5#、6#測點實測應變值均小于理論計算應變值，應變校驗系數<1.0，相對殘余應變<20%，梁段截面處于線彈性工作范圍之內，結構整體性良好。

表3 截面底部應變結果表

為了解應變沿截面高度分布情況，在截面最大正彎矩工況下，截面左右兩側各應變測點沿截面高度分布如圖4所示。通過對截面左右兩側測點和底面測點應變數據分析，得出應變沿截面高度的分布特征。根據理論計算結果，中性軸位于距底部高1.515 m處，利用線性回歸方法，得出左側1#～5#中性軸位置為距底部高1.412 m處，右側1#～5#中性軸位置為距底部高1.443 m處。整體來看，應變沿截面高度基本呈線性分布規律，符合平截面假定。

(a)從下到上為5#、4#、3#、2#、1#測點

2.4 結構承載力評估

試驗結果表明，在設計荷載作用下：試驗截面的撓度校驗系數、應變校驗系數均<1.0，相對殘余撓度、相對殘余應變均<20%，梁段整體沉降量隨荷載增大而增大，卸載后基本恢復，試驗梁段整體剛度、強度大于理論計算值，結構處于線彈性受力狀態，具備一定的安全富余，滿足設計荷載正常使用的要求。

3 結語

本文通過原位荷載試驗的方法，根據結構受力特征選取試驗梁段截面，利用載重車輛等效分級加載，得出截面最大正彎矩工況下梁段整體沉降，以及試驗截面撓度及應變結果。試驗結果表明：梁段整體位移，截面應變、撓度均小于理論計算值，結構整體處于線彈性工作狀態；試驗梁段實際承載能力、整體剛度、強度滿足設計荷載正常使用的要求，具備一定的安全富余。