梁樁損傷對高樁碼頭固有頻率特性的影響研究

祝可為，肖 冰

（福建船政交通職業學院 土木工程學院，福建 福州 350007）

近年來，我國的港口建設取得了長足進步，為國民經濟的發展做出了重要貢獻. 作為碼頭主要結構形式之一的高樁碼頭由于腐蝕、疲勞、碰撞等原因發生損傷，或已經接近、達到使用壽命的現象較為嚴重，存在較大安全隱患，故亟需對現役高樁碼頭進行結構檢測評估，以促進港口建設健康發展.

由于高樁碼頭剛度大、荷載復雜且為多次超靜定結構，如何通過檢測來判斷結構的健康狀況已成為當今的研究熱點. 以往的結構損傷檢測往往采用經驗法，結合一些試驗，如回彈儀檢測混凝土強度、超聲波法測量混凝土缺陷等. 王山山等重視理論研究，通過現場的原型檢測得到高樁碼頭的動力特性［1］. Radzieński M等用鋁板進行損傷試驗研究，對比分析高樁碼頭多種損傷檢測方法［2］. 現階段高樁碼頭動力損傷識別研究多集中于運用數值模擬達到識別效果，如孫熙平等利用NEXT-ERA模態參數識別算法和模態應變能損傷定位原理，驗證環境激勵下高樁碼頭排架損傷診斷的可行性和準確性［3］；楊志明等通過有限元分析軟件ANSYS對高樁碼頭結構損傷進行數值模擬，計算結構損傷時的動力特性變化特點［4］. 目前高樁碼頭結構的檢測研究有一定局限性，有的依賴結構的物理力學信息，有的僅通過數據挖掘方法揭示結構特征的變化，未能將試驗與模擬仿真有效結合，建立合理有效的評估方法［5］. 鑒于此，本文以福建某一在建高樁碼頭工程為依托，采用ABAQUS有限元數值模擬與模型試驗相結合的方法，選取碼頭不同參數作為隨機變量，得出高樁碼頭的梁樁損傷對固有頻率特性的影響，此研究成果可為該類高樁碼頭的設計、結構檢測、評估及加固提供參考.

1 高樁碼頭的損傷類型

從動力學理論分析，影響高樁碼頭損傷的參數包括邊界條件參數、材料參數和幾何參數3種類型［6］.

1.1 邊界條件參數變化

引起高樁碼頭邊界條件參數改變主要有底部土體參數改變和底面沖刷，其中底面沖刷影響更大. 底面沖刷分為兩種情況，一是碼頭所處基床本身由于水動力條件導致水流對基床沖刷；二是高樁打入河（海）床后改變樁身周圍的水動力條件，造成泥沙運輸增強，導致河（海）床特別是樁身周圍部分產生沖刷，形成不同形式的沖刷坑［7］. 沖刷坑導致樁身的約束力減小，對結構穩定產生不利影響. 同時邊界條件的改變會導致結構頻率變化.

1.2 材料參數變化

1.2.1 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是高樁碼頭鋼筋混凝土結構耐久性破壞的主要形式，會影響樁基內部鋼筋自身的力學性能和樁基構件的黏結性能，降低兩者之間的黏結作用，使鋼筋周圍的混凝土向四周膨脹，導致混凝土表面出現大量裂紋，降低混凝土對鋼筋的約束力［8］. 調研數據顯示［9］：20世紀60年代，華東、華南近30座重要海港碼頭中引起鋼筋混凝土結構破壞誘因中鋼筋銹蝕占比74%；20世紀80年代，再次對華南地區18座海港碼頭調研發現引起鋼筋混凝土結構破壞誘因中鋼筋銹蝕占比89%；同期澳大利亞調研了62座海港碼頭，發現浪濺區的混凝結構鋼筋銹蝕最為嚴重.

1.2.2 混凝土強度降低

混凝土強度降低會直接導致碼頭承載力不足，引起結構發生裂縫導致海水的滲入，從而進一步加劇混凝土結構的破壞. 近幾年交通運輸部在廣東、福建、江西等16個省份調研得到的657個病害碼頭樣本中顯示，混凝土劣化導致病害產生的占總體的22%，表明港口碼頭結構的損壞主要是混凝土劣化導致抗壓強度和彈性模量下降，引起港口混凝土劣化的主要原因是冰川磨蝕、堿骨料反應、硫酸鹽侵蝕及霜凍［9］.

1.3 幾何參數變化

高樁碼頭的破壞主要引起混凝土表面缺陷、鋼筋截面損失等幾何參數變化. 20世紀60年代挪威對200座海港碼頭結構進行了檢測，發現浪濺區的樁基斷面減少30%以上的占比14%，減少10%～30%的占24%；20世紀90年代，對湛江港6個泊位的碼頭調研發現，較多鋼筋混凝土結構有順筋裂縫，其中部分裂縫寬度超過2 cm；2003年在南京港某碼頭檢測中發現，碼頭多數構件出現截面破壞，其中立柱占23.5%，縱、橫梁占35%，斜撐占41.5%［9］.

2 基于有限元模擬的損傷識別研究

建立碼頭損傷動力分析模型，可通過改變土體的p-y曲線或對地形邊界高程進行邊界條件參數模擬， 通過調整結構剛度，即改變彈性模量、截面尺寸等手段實現材料參數、幾何參數模擬［10］.

2.1 有限元模型建立

根據福建某一在建高樁碼頭結構承臺標準段的尺寸、材料力學特性等條件，采用 ABAQUS有限元軟件建立模型如圖1. 模型長1.5 m，寬 0.63 m，共 3 跨，排架間距0.46 m，碼頭前沿為雙直樁，中間為單直樁. 采用三維實體單元建模，采用1階六面體單元劃分計算. 通過改變不同位置的彈性模量來模擬不同程度的損傷工況，分析高樁碼頭不同損傷類型的動力特性變化規律.

圖1 有限元模型

2.2 損傷工況模擬

2.2.1 梁損傷模擬

碼頭裂縫主要存在于上部結構，故選取橫梁、縱梁上存在裂縫的情況建立模型. 通過減小破損位置的彈性模量進行3種情況的模擬：單一橫梁裂縫、多個裂縫、所有縱橫梁底部一定范圍的損傷，研究它們對高樁碼頭固有頻率動力特性的影響. 分析無破損、破損20%、破損50%、破損80% 4種工況，損傷通過減小結構段剛度實現.

2.2.2 樁損傷的模擬

碼頭垂直荷載通過上部結構傳遞至樁基，對樁基產生垂直作用力，因此樁的安全性對高樁碼頭安全至關重要. 樁的破損現象主要存在于樁的上部位置（水位變化的區域），故模擬樁的損傷位置選取為水位變化的區域. 對高樁碼頭樁的損傷影響的模擬同樣分為3種情況：單樁損傷對高樁碼頭固有頻率動力特性的影響；三樁損傷對高樁碼頭固有頻率動力特性的影響；水位變動區所有樁損傷對高樁碼頭固有頻率動力特性的影響. 分析無破損、破損 20%、破損 50%、破損80% 4種工況，損傷通過減小結構段剛度實現.

2.3 有限元動力分析

運用有限元計算法對高樁碼頭模型進行模態分析，得到前10階振型貢獻率及固有頻率. 限于篇幅，本文給出前2階碼頭結構模態振型（見圖2～圖3）. 第1階振型主要為X方向擺動，2、3階振型主要為Y向擺動，前3階為低階頻率. 由于碼頭結構存在不對稱性，所以在第4階出現了較為明顯的平扭耦合效應，因此，第4階～第10階頻率為高階頻率，振型為平扭耦合. 低階頻率與高階頻率線性關系較弱，原因是前3階頻率為整體指標，4階及以上頻率是局部振型指標.

圖2 有限元模型第1階振型

圖3 有限元模型第2階振型

2.3.1 梁損傷數值模擬損傷識別

梁損傷時，裂縫不同工況下前10階固有頻率變化如下：

表1 裂縫不同工況下的固有頻率

續表1

表1列出了梁結構損傷時，各工況下的固有頻率值. 從表1可知，單一裂縫同一階次不同破損程度下的固有頻率基本不變，說明在裂縫少的情況下，破損程度對結構固有頻率基本無影響. 裂縫數量多的工況下，伴隨梁結構損傷程度的擴大，碼頭結構的固有頻率值略有下降，其中破損程度輕（如破損20%）對固有頻率影響很小，可忽略不計，隨著破損程度的增加（如破損50%、破損80%），結構的固有頻率減小趨勢更明顯，但總體降幅不大，前10階頻率變量均未超過1%. 隨著破損位置和破損范圍的增加，對碼頭固有頻率影響越來越大，在同一階次同一破損程度下，單一裂縫固有頻率＞多個裂縫固有頻率＞縱橫梁底部一定范圍損傷固有頻率.

2.3.2 樁損傷數值模擬損傷識別

樁損傷時，不同工況下前10階固有頻率變化如下：

表2 樁損傷不同工況下的固有頻率

續表2

表2列出了樁結構損傷時，不同工況下的固有頻率值，說明樁上的鋼筋銹蝕和混凝土碳化等破損對碼頭固有頻率動力特性有一定影響. 當破損程度增加，結構的固有頻率呈現出減小趨勢，破損程度越大，固有頻率減小越多，且在低階（前1～3階）頻率體現更為明顯，但前10階頻率變量均未超過5%. 當破損位置和破損范圍增加，碼頭固有頻率影響越來越大，即在同一階次同一破損程度下，單樁損傷固有頻率＞三樁損傷固有頻率＞水位變動區所有樁損傷固有頻率.

對比樁破損和梁破損時固有頻率的變化可知，樁破損時對碼頭固有頻率動力特性的影響更大. 在即在同一階次同一破損程度下，單樁損傷固有頻率＜單一裂縫固有頻率，三樁損傷固有頻率＜多個裂縫固有頻率，水位變動區所有樁損傷固有頻率＜縱橫梁底部一定范圍損傷固有頻率. 原因是：在模擬損傷時，設置樁損傷的范圍比裂縫的損傷范圍大，損傷范圍越大則固有頻率變化越大. 因此，樁損傷作為結構損傷的判斷依據更為敏感，固有頻率變化量可定性反映高樁碼頭結構損傷程度.

3 基于動力實測試驗的損傷識別

3.1 實驗模型建立

建立與數值模型一致的實驗模型（見圖4）. 實驗模型為混凝土梁板結構，采用C30混凝土整體澆筑，養護周期為20天.

圖4 高樁碼頭結構實驗模型

3.2 傳感器優化布置

高樁碼頭是梁-板-樁式工程結構，其上部結構整體性強、剛度大，而樁基結構剛度相對較小，因此采用傳統遺傳算法進行傳感器數量及布置位置優化，得到結構固有頻率動力特性. 在不同測區優選初始測點，組合形成初始布點方案，通過適應度函數評價初始布點方案，將適應度高的布點方案用算法進化后，最終獲取最優的傳感器布置方案，如圖5所示.

圖5 傳感器優化布置

3.3 動力實測與有限元模擬的結果相似性驗證

布設傳感器，采用沖擊荷載，開展動力實測試驗. 在施加荷載的同時提取傳感器加速度值，根據加速度值進行頻譜分析獲取碼頭前10階的固有頻率. 動力模型試驗實測頻率與有限元模擬頻率對比見表3.

由表3中數據可知，碼頭模型實測頻率與利用有限元軟件數值模擬計算得到的頻率貼近，實測值在模擬計算值上下范圍波動，最大誤差不超過3.77%. 說明物理模型與有限元模擬固有頻率動力特性基本一致，該模型能夠反映高樁碼頭結構的實際運營狀況.

表3 試驗實測頻率與模擬計算頻率的對比

3.4 動力實測試驗結果分析

分別測量碼頭2號樁無破損、損傷20%、損傷50%、損傷80%等4種的工況的加速度和頻率數據后，分析碼頭10階固有頻率的變化，如表4所示.

表4 2號樁損傷時碼頭固有頻率變化

從表4可以看出，樁身局部損傷對碼頭頻率影響較小，樁破損20%與完整樁相比，固有頻率基本無異. 隨著破損程度加大，固有頻率略有下降，但前10階頻率變量均未超過5%，這與有限元軟件模擬計算的結論一致，固有頻率變化量可定性反映高樁碼頭結構損傷程度.

4 結論與展望

通過建立ABAQUS有限元模型模擬和動力實測試驗，研究了高樁碼頭梁樁損傷對固有頻率動力特性的影響. 研究發現有限元模擬可對高樁碼頭結構損傷識別做出準確判斷：不同的梁樁損傷對碼頭固有頻率特性影響不同，當梁樁破損程度和范圍較小時，對碼頭固有頻率動力特性影響很小；隨著破損程度和范圍的不斷擴大，結構的固有頻率呈現減小趨勢. 因此不同參數的高樁碼頭可以選擇不同結構的固有頻率動力特性參數進行損傷識別，這為高樁碼頭損傷識別應用提供理論基礎. 同時也發現，動力實測試驗對高樁碼頭樁身損傷的識別效果，與有限元模擬計算結果幾乎一致. 研究還發現，樁損傷對碼頭固有頻率動力特性的影響更大，高樁碼頭動力表征指標對樁損傷更加敏感. 后續研究可對高樁碼頭樁基的識別損傷開展進一步深入探索.