海洋環境中高樁碼頭耐久性監測系統的設計及搭建

潘洪波，方翔，倪靜姁，陳昊翔，張東方，范志宏

（1.珠海港開發建設有限公司，珠海 519050；2.中交四航工程研究院有限公司，廣州 510230；3.水工構造物耐久性技術交通運輸行業重點實驗室，廣州 510230）

隨著建造技術水平的提升，在高效、節能、環保等需求的推動下，基礎設施設計使用壽命越來越長。為保證結構物在全壽命周期內的安全性、適用性和耐久性，以合理設計、標準化施工獲得結構物良好初始狀態的同時，營運階段的定期健康診斷和維護也十分重要。健康診斷的全面性、準確性對維護措施的針對性、有效性和經濟性至關重要。健康診斷方式包括定期檢測和監測，相對于定期檢測，監測具有很多優點：（1）無需破壞結構物；（2）監測點可設置在人員無法進入的區域，監測數據更為全面；（3）監測數據可實現遠程獲取，對營運影響較小；（4）可做到實時監測、診斷。健康監測在公路、橋梁領域已得到較為廣泛的應用，但在港口碼頭領域，相關應用及研究較少。

高樁碼頭是港口碼頭中的一種，由樁基礎和上部結構組成，樁可為鋼管樁或混凝土樁，上部結構多采用混凝土梁板形式。

本工作針對海洋環境中高樁碼頭的結構特點，提出耐久性監測系統的設計原則，并以珠海高欄港某集裝箱碼頭工程為例，介紹了系統設計、施工等方面的內容，為開展海洋環境中高樁碼頭結構的耐久性監測提供一定的工程指導。

1 海洋環境高樁碼頭監測指標

實施健康監測應結合結構類型及其所處環境，從結構薄弱點和可能出現的破損形式出發，優選監測方法，合理布設監測點，才能充分發揮監測效果，并提高經濟性。

高樁碼頭上部結構耐久性受到破壞主要由鋼筋銹蝕、載荷作用和樁坡體系不均勻沉降造成［1］。其中氯離子侵入引發的鋼筋銹蝕是海洋環境中高樁碼頭上部結構耐久性降低的最主要原因［2］。我國于20世紀80年代前建成的海港高樁碼頭，僅5～10 a就出現鋼筋銹蝕。1987～1996年期間建成的碼頭，在使用13～17 a后，多數構件表面出現銹蝕痕跡，部分出現了較為嚴重的銹蝕開裂現象［3］。隨著建造水平的提高，碼頭壽命大幅提升，但耐久性問題依然較為突出。不同區域發生銹蝕的嚴重程度從大到小依次為：浪濺區、水位變動區、大氣區、水下區。高樁碼頭上部結構基本處在浪濺區和水位變動區，混凝土暴露在腐蝕發生最為嚴重的區域。已有調查顯示，樁帽、縱橫梁、面板等構件破損影響上部結構的耐久性［3］。因而在健康監測中，應以耐久性為主要監測指標。

研究表明載荷作用影響氯離子的滲透，特定載荷條件有利于氯離子滲透，加速構件破損導致耐久性劣化［4］。另一方面，高樁碼頭的結構特點決定了其對船舶、風浪、堆載等各種載荷作用的敏感度。因此，在實施耐久性監測的同時也應實施載荷監測。

2 耐久性監測技術

目前，混凝土耐久性監測主要采用半電池電位技術、宏電池電流技術、線性極化電阻技術等電化學方法。

2.1 半電池電位技術

半電池電位技術是在鋼筋附近預埋參比電極，通過測量鋼筋與參比電極之間的電位，判斷鋼筋的銹蝕狀態。半電池電位技術是目前最為成熟的鋼筋銹蝕狀態判斷方法。根據JTJ 304－2019《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》，電位與銹蝕狀態的關系見表1。

表1 鋼筋半電池電位與銹蝕狀態的關系Tab.1 The relationship between half-cell potential and corrosion state of rebar

半電池電位技術還可用于測量混凝土中氯離子濃度，這需另外預埋Ag／AgCl電極，通過測量Ag／AgCl電極與參比電極的電位，并按能斯特方程推算出氯離子濃度，如式（1）所示：

式中：cCl－為氯離子濃度；E為Ag／AgCl探針的測試電位；E0為標準狀態下探針的電極電位；R為氣體常數；T為熱力學溫度；F為法拉第常數。

參比電極是實現半電池電位測量的關鍵。丹麥Force Technology公司的ERE20電極是一種埋入式長壽命二氧化錳參比電極，其壽命主要由內部膠體電解質決定。直至目前，該電極已有30多a的使用經驗，應用于世界各地的工程中。

2.2 宏電池電流技術

混凝土內鋼筋的腐蝕主要由氯離子造成。氯離子從混凝土表面滲透到內部，混凝土內部氯離子濃度從外向內逐漸降低。當氯離子濃度需達到一定的閾值（即臨界氯離子濃度），鋼筋才開始腐蝕，將混凝土中氯離子濃度剛好為臨界氯離子濃度的位置連起來，則會在混凝土內部形成一個將混凝土分割成內、外兩部分的曲面（如果以某一混凝土斷面作為研究對象，則是一條線）。在該曲面（線）外側，氯離子濃度超過閾值，如果該區域有鋼筋，則鋼筋會腐蝕；在該曲面（線）內側，氯離子濃度沒超過閾值，如果該區域有鋼筋，則鋼筋不會腐蝕。可見這個曲面（線）將混凝土分成腐蝕、無腐蝕兩個區域。所以將這個曲面（線）稱作腐蝕鋒面（線）。

德國Sensortec GMBH 的陽極梯（Anode Ladder）傳感器是基于宏電池電流技術研發的［5］。其主要部件包括由6個碳鋼陽極組裝成的陽極梯、惰性金屬陰極、連接鋼筋。陽極梯安裝在鋼筋籠外側，通過調整陽極梯的傾斜度使各個陽極處于不同深度的混凝土保護層中。其工作原理是，隨著氯離子等腐蝕性物質的滲透，腐蝕鋒線以一定規律從混凝土表面向內部移動。通過各陽極與陰極的短路電流可判斷陽極的狀態，確定腐蝕鋒線的位置，并以此預測其抵達鋼筋表面的時間，為監測混凝土耐久性提供預警［6］。丹麥Force Technology 也開發了類似的監測傳感器Corrowatch。

陽極梯傳感器可測量各陽極、連接鋼筋與陰極之間的電壓和電流、混凝土電阻以及溫度等參數。目前陽極梯系統的制造廠家僅提供手持式讀數儀以獲取監測數據，中交四航工程研究院針對陽極梯傳感器研發出自動數據采集模塊。

2.3 線性極化電阻技術

線性極化電阻技術是在混凝土中埋設包含碳鋼陽極、惰性金屬陰極以及參比電極的三電極體系，通過對陽極施加一個極小的電位擾動（ΔE），測量相應的電流響應（ΔI），獲得線性極化電阻（Rp），如式（2）所示：

式中：A為陽極面積。

再根據Stern-Geary 公式及法拉第公式，根據式（3）利用Rp計算鋼筋的腐蝕速率r：

式中：B為常數，對于鋼筋混凝土中未脫鈍的鋼筋取52 m V，對于已脫鈍的鋼筋取26 m V。

美國Virginia Technologies Inc.的ECI（Embedded Corrosion Instrument）傳感器是基于線性極化電阻技術生產的。ECI傳感器除了可以測量線性極化電阻外，還能測量鋼筋腐蝕電位、氯離子電位、混凝土電阻率和溫度等參數。ECI將數模轉換電路板嵌入傳感器內，以減少信號傳輸過程中所受的外部信號干擾。

2.4 多功能耐久性監測技術

中交四航工程研究院自主研發的基于多功能耐久性監測技術的傳感器（以下簡稱多功能耐久性監測傳感器）［7］包含鋼筋電極、不銹鋼輔助電極、Ag／AgCl氯離子探針、p H 探針和Ag／AgCl參比電極等多個探頭。配合專用采集模塊，通過氯離子探針、p H 探針與參比電極之間的電位，可實現氯離子濃度、p H 的測量。鋼筋電極、輔助電極和參比電極組成的三電極體系可實現鋼筋電位、線性極化電阻的測量［8］。

不同監測技術各具特點，半電池電位技術監測鋼筋銹蝕只可定性判定鋼筋銹蝕狀態，無法定量測量腐蝕速率，也無法對鋼筋銹蝕進行預測。采用半電池電位技術監測混凝土內部氯離子濃度，可通過監測值的實時變化，推算鋼筋表面氯離子濃度達到臨界值的時間，但影響測量結果的因素較多，分析評價時需要綜合判斷。基于宏電池電流技術的陽極梯系統目前應用較廣泛，可以預測鋼筋銹蝕的起始時間，但無法監測導致鋼筋銹蝕的氯離子濃度。線性極化電阻技術主要用于計算銹蝕開始后鋼筋的腐蝕速率，也可通過極化電阻大小定性判斷鋼筋是否發生銹蝕。目前除半電池電位技術監測鋼筋銹蝕有相應標準之外，其他技術均未有相應的評價標準。

3 碼頭監測系統的設計

珠海高欄港某碼頭工程包括一個100 000 t的泊位和三個50 000 t的泊位，碼頭岸線長1 700 m、寬42 m，碼頭為高樁梁板式結構，基礎為鋼管樁，上部結構包括現澆樁帽、現澆橫梁、預制／現澆縱梁、預制／現澆面板，各構件采用的施工方式及混凝土強度等級見表2。

表2 碼頭各構件施工方式及混凝土強度等級Tab.2 Construction methods of each members and concrete strength grades of the wharf

工程設計水位為：極端高水位3.90 m；設計高水位2.76 m；設計低水位0.33 m；極端低水位－0.39 m。

根據JTS 153－2015《水運工程結構耐久性設計標準》，計算該工程的環境劃分區域如表3所示。

表3 工程環境區域劃分Tab.3 Division of engineering environments m

該工程碼頭頂面高程4.95 m，樁帽底高程1.0 m，可見，上部結構基本都處在發生腐蝕最為嚴重的浪濺區和水位變動區。

3.1 總體設計原則

根據高樁碼頭的特點及工程環境特征，監測系統的設計原則如下：

（1）監測點選取腐蝕最為嚴重的位置。高樁碼頭上部結構多處在腐蝕惡劣的浪濺區，在干濕循環作用下，該區域氯離子滲透最快，氧氣、水分充足，腐蝕最為嚴重。

（2）考慮傳感器的使用壽命，同時為了便于作平行對比分析，使監測結果更可信，監測點平均分布于碼頭三個不同的斷面中。

（3）不同種類構件由于自身結構不同，受力狀態不一樣，耐久性劣化過程也有所區別，對于同一類構件，預制與現澆的混凝土質量不一致，因此選擇的監測點需要涵蓋不同種類混凝土構件，并能反映不同的施工工藝。

（4）高樁碼頭海側受到較多的海浪沖擊、船體碰撞等動載荷，故監測點主要位于碼頭海側。由于拉應力對混凝土耐久性有不利影響，構件中的監測點應設置在受拉應力最大的區域。

（5）為降低測量結果的干擾，減小電纜長度，每個監測斷面均設置數據采集點。

3.2 監測點設置

3個監測斷面設置在碼頭146排架（19結構段）、178排架（23結構段）以及199排架（25結構段）。

每個斷面布置5個監測點，分別位于樁帽、現澆橫梁、縱梁、預制面板和現澆面板上。現澆橫梁、預制縱梁的監測點位于梁跨中底部，預制面板的監測點位于底部中心位置。監測點布置見表4。

表4 各監測點位置Tab.4 Location of each monitoring point

3.3 監測傳感器選擇

高樁碼頭破損主要由混凝土結構耐久性劣化造成，因此監測系統主要以耐久性監測為主。該工程選用了基于不同技術的參比電極、陽極梯和多功能耐久性監測傳感器，通過綜合分析不同監測傳感器得到的結果，獲得更為準確的耐久性監測結果。基于宏電池電流技術的陽極梯傳感器可實現對腐蝕鋒線位置的確定和跟蹤，推算其到達鋼筋表面的時間。多功能耐久性監測傳感器可通過監測特定深度的氯離子濃度隨時間的變化，對結構物壽命進行推算。兩種監測傳感器同時埋在同一監測點，可實現兩種監測方法的對比分析。預埋參比電極，一方面對陽極的銹蝕情況作進一步核實，同時可對多功能監測傳感器自帶參比電極進行校核。

由于構件耐久性受載荷作用的影響，因此在監測點預埋應變計，監測構件的受力情況，為后續荷載作用下的耐久性演化規律的研究提供必要條件，考慮到長久性與經濟性，選用鋼弦式應變計。

3.4 數據采集及傳輸系統

如圖1所示，數據采集與傳輸系統由采集模塊和傳輸模塊兩部分組成。前者實現數據自動獲取及模數轉換，后者通過4G 無線網絡實現數據遠程傳輸。

圖1 遠程無線數據采集與傳輸示意圖Fig.1 Schematic diagram of remote wireless data collection and transmission

每個采集模塊與一個傳感器連接。多功能耐久性監測傳感器的采集模塊可進行腐蝕電位、氯離子電位、p H 等參數的測量，同時可對傳感器中鋼筋電極、不銹鋼輔助電極、參比電極組成的三電極體系施加電位擾動，記錄不同電位擾動下的電流。陽極梯的采集模塊可實現對各陽極與陰極間的電壓和短接電流、混凝土電阻、溫度等參數的測量。采集模塊將獲得的數據進行數模轉換，并通過RS485 接口和Modbus通信協議與傳輸模塊連接。

傳輸模塊可同時與多個采集模塊連接，識別采集模塊的類型，定時向各采集模塊發送采集指令及數據回傳指令，獲取的監測數據經過協議封裝后發送到4G無線網絡，通過無線網絡將數據傳送至部署在云服務器上的數據中心系統，實現傳感器數據和數據中心系統的無線連接。連上互聯網的客戶端電腦可以通過Web網絡對數據進行訪問，獲取結構物耐久性數據。

4 碼頭監測系統的搭建

4.1 陽極梯傳感器安裝

用扎帶將陽極梯傳感器固定在鋼筋籠外側、混凝土保護層中，固定后調整其傾斜角度，并測量各陽極與模板的距離。陰極必須與鋼筋絕緣，安裝接觸點間采用橡膠墊隔離，連接鋼筋通過焊接固定在鋼筋籠上，保證其與鋼筋的電連接。傳感器先于模板安裝的情況下，應在傳感器周圍放置墊塊，并在模板安裝后和混凝土澆筑前測量傳感器監測面與模板的距離，如圖2所示。

圖2 現澆面層陽極梯傳感器安裝圖Fig.2 Installation drawing of anode ladder sensor for cast-in-place surface layer

4.2 多功能耐久性監測傳感器安裝

多功能耐久性監測傳感器的安裝固定借助特制不銹鋼支架，支架由兩組U 形鋼棒和鋼片組成（見圖3），U 形鋼棒中間部分用于支撐傳感器，兩腿帶螺紋，穿過鋼片的兩個預留孔。如圖4所示，傳感器先安裝在支架上，再整體固定在鋼筋上。調節U形鋼棒與鋼片的相對位置，確定傳感器監測面的埋深，最后用螺母固定U 形鋼棒與鋼片。傳感器先于模板安裝的情況下，應在傳感器周圍放置墊塊，并在模板安裝后混凝土澆筑前測量傳感器監測面與模板的距離。

圖3 用于安裝多功能耐久性監測傳感器的不銹鋼支架Fig.3 Stainless steel bracket for mounting multifunctional durability sensor

圖4 多功能耐久性監測傳感器安裝圖Fig.4 Installation diagram of multi-function durability sensor

4.3 參比電極及應變計的安裝

如圖5所示，參比電極和應變計采用扎帶固定在鋼筋籠上。參比電極在澆筑混凝土前應去掉蓋帽，同一監測點安裝兩個應變計，沿主筋和箍筋兩個垂直方向。

圖5 參比電極及應變計的安裝Fig.5 Installation of reference electrode（a）and strain gauge（b）

4.4 電纜鋪設

在安裝前，對所有電纜進行穿軟管處理，保護電纜在施工期間不受損壞。電纜始終沿鋼筋鋪設。每隔50 cm 用扎帶將電纜固定在鋼筋上。同一監測斷面內所有電纜鋪設在混凝土內部，統一引到碼頭海側，并從碼頭面引出，引出處用PVC管保護，并在引出處上方安裝采集電箱。

4.5 采集電箱安裝

工程監測數據采集點兼具遠程采集及現場采集的功能。現場采集點安裝電箱，電箱采用不銹鋼制作，外加涂層保護，用膨脹螺栓安裝于碼頭面軌道梁外側。同一斷面所有監測傳感器的電纜統一匯集到碼頭面海側，并在電纜引出處安裝電箱。匯總的電纜從底部進入電箱內部。

如圖6所示，電箱設置內門，同一監測斷面中有5個陽極梯傳感器、5個多功能耐久性監測傳感器以及5個參比電極的測量終端，應變數采儀安裝在內門，便于現場采集。同時電箱內預留無線采集單元安裝的位置，實現遠程數據采集。

圖6 電箱內門中測試終端的布置Fig.6 Layout of test terminal in the inner door of electrical box

5 結論

（1）耐久性監測系統搭建遵從以下原則：監測點選取在腐蝕最為嚴重的位置，平均分布于碼頭三個不同的斷面中；監測點涵蓋不同的構件和施工工藝，在同一構件受拉應力影響最大的區域設置監測點。數據采集點設置在碼頭頂面，每個斷面設置一個數據采集點。

（2）每個監測點預埋陽極梯傳感器、參比電極和多功能耐久性監測傳感器，可對宏電池電流、半電池電位、氯離子電位、p H、鋼筋銹蝕速率進行監測，實現多種監測結果的原位對比。

（3）數據采集采用現場采集與無線采集并行的方式，在現場設置采集電箱，滿足現場采集數據的需要。同時，電箱中安放監測采集儀可實現各種監測數據的遠程、無人、自動化采集。