港口建筑設施結構健康監測與評估技術的應用與改進

李 委

（河北港口集團有限公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

港口建筑設施作為支撐港口運營的重要基礎設施，其結構健康狀況對港口運營的可靠性、安全性和經濟性起著至關重要的作用。然而，在長期的運營過程中，港口建筑設施常常面臨結構健康問題，如裂縫、腐蝕、震害等，這可能對港口運營產生不良影響。為了確保港口建筑設施的安全運營，港口管理者和工程師們迫切需要采用先進的監測與評估技術，實現對港口建筑設施結構健康狀況進行實時監測和全面評估。這些技術的應用可以幫助港口管理者及時發現結構健康問題，預測結構損傷的發展趨勢，制定有效的維修和維護策略，從而提高港口設施的運營可靠性、安全性和經濟性，降低港口運營風險。本文在介紹港口建筑設施結構健康監測與評估技術應用的基礎上，分析當前建筑設施結構健康監測與評估技術存在的問題和不足，并提出技術改進和優化的方向和方法。

1 港口建筑設施結構健康監測技術

1.1 港口建筑設施的結構組成

港口建筑設施主要包括碼頭、堤壩、船閘、水位測量站等，其中最重要的是碼頭。碼頭一般由樁柱、橫梁、板面和附屬設施等構成。樁柱是承受橋面和貨物重量的主要構件，它通常由混凝土或鋼材制成。橫梁則是連接在樁柱之間，承擔水平荷載和彎矩的構件，也是支撐碼頭板面的主要結構之一。板面則是碼頭上的鋪設物，也是承受貨物重量和交通載荷的主要結構。附屬設施包括護欄、碼頭燈、滑道、升降設備等，用于提高碼頭的使用效率和安全性。了解港口建筑設施的結構組成對于進行健康監測和評估有很大的幫助，可以更準確地定位潛在的健康問題并制定相應的維護維修方案。

1.2 常見的結構健康監測技術及其優缺點

1.2.1 常見的結構健康監測技術

（1）聲波測試技術。通過在樁基上發送和接收聲波信號，測量聲波在材料中的傳播速度，可以檢測出樁基是否出現裂縫、空洞等問題。

（2）振動測試技術。通過在橋梁、隧道、碼頭等結構上施加不同的振動荷載，并對其振動響應進行監測和分析，可以確定結構的動態特性、固有頻率、振動模態等信息，從而評估結構的健康狀況。

（3）位移監測技術。通過安裝位移傳感器，監測結構的變形和位移情況，可以判斷結構是否出現位移過大或者不均勻等異常情況，從而進行健康評估和預警。

（4）光纖傳感監測技術：將光纖布設在橋梁、隧道、碼頭等結構的受力部位，通過對光纖的變形和光學特性的變化進行監測，可以得到結構的變形和應力分布情況，從而進行健康評估。

1.2.2 結構健康監測技術優缺點及適用場景

健康監測技術的優缺點及適用場景見表1。它們可以有效地對港口建筑設施的健康狀況進行實時監測和評估，從而保障結構的穩定性和安全性。

表1 常見的健康監測技術及其優缺點、適用場景

2 基于監測結果的結構健康評估

2.1 結構健康評估

結構健康評估是指對建筑結構進行全面、系統、科學的評估，以了解其結構的健康狀態和安全性能，包括評估建筑結構的健康狀況、使用壽命、風險水平等。結構健康評估可以幫助工程師和維護人員了解建筑結構的實際狀況，指導維修和加固方案，確保建筑結構的長期穩定性和安全性。結構健康評估還可以幫助管理者了解建筑結構的維護狀況，預防可能出現的結構故障和安全事故，提高建筑的使用壽命和經濟效益。

2.2 基于監測結果的評估方法

2.2.1 常用的評估方法

基于健康監測結果的評估方法是通過對港口建筑設施進行多種監測技術的應用，獲取相應的數據和信息，進而對設施的健康狀況進行評估，為維護維修提供指導。常用的基于健康監測結果的評估方法包括以下幾種：

（1）結構可靠性評估方法。通過統計學方法和數學模型分析結構的失效概率，從而評估其可靠性。

（2）結構安全等級評估方法。將結構分為不同的安全等級，根據不同的安全等級確定不同的維護維修方案，從而保障港口建筑設施的安全運營。

（3）結構損傷評估方法。通過監測數據分析結構的損傷情況，評估結構的健康狀況，并制定相應的維護維修方案。

（4）結構性能評估方法。通過對結構的性能進行評估，確定其設計是否符合要求，從而制定相應的維護維修方案。

2.2.2 評估方法的應用場景及效果

這些方法的適用場景和應用效果如表2 所示，它們的應用可以全面、系統地評估港口建筑設施的健康狀況，為維護維修提供科學依據和指導。

表2 常用評估方法的適用場景和應用效果

3 基于健康評估結果制定維護維修方案

3.1 港口建筑的維修與維護措施

基于健康評估結果制定維護維修方案是港口建筑設施結構健康監測與評估技術研究的重點。根據健康評估結果，可以針對不同的結構損傷情況采取相應的維護維修方案，如填縫、加固、更換等[1]。其中，填縫技術主要適用于混凝土結構中的裂縫，能夠防止裂縫的擴展和深化，從而保證結構的穩定性；加固技術則適用于結構受力不均衡或受損嚴重的情況，如在鋼結構中加裝新的構件或增加連接件來提高整體強度和剛度；更換技術則適用于結構損傷較為嚴重，無法進行修復的情況，如更換受損的構件或整體重建。因此，基于健康評估結果制定的維護維修方案是確保港口建筑設施長期安全運行的重要保障措施。

3.2 案例分析

秦皇島市某港口的碼頭使用年限已久，經過健康監測和評估后發現，碼頭橋面存在較為嚴重的裂紋和變形問題，并且鋼筋已經出現了銹蝕現象，需要進行維護和加固。為了保障岸橋的安全運行，制定了基于健康評估結果的維護維修方案。該方案包括對裂紋進行焊接加固，對變形結構進行調整和加固、對銹蝕嚴重的鋼筋進行清理和防腐處理。現場施工隊伍按照方案對存在問題的部分進行了維修，維修后重新進行健康監測和評估。方案實施前后的數據比較見表3所示。

表3 維修前后的比較

由表3 可以看出，方案實施后，碼頭的使用壽命得到了延長，同時也提高了碼頭的使用安全性和承載能力，維修方案的實施顯著提高了碼頭橋面的承載能力和使用壽命。這充分說明了基于健康評估結果制定維護維修方案的重要性，可以在一定程度上提高港口建筑的使用效率和安全性[2]。

4 健康監測與評估技術的改進

4.1 現存的不足問題

目前，健康監測與評估技術在實際應用中還存在一些不足和問題。首先，雖然各種監測手段和設備不斷發展和更新，但仍然存在無法監測或難以監測的部位或參數，如深部隱蔽裂縫、結構內部應力等。其次，監測數據處理和分析方面也存在不足，常常難以對海量的監測數據進行有效的處理和分析。此外，評估結果的可靠性也面臨著挑戰，評估結果往往受到監測數據的數量、質量以及分析方法等多種因素的影響。最后，現有技術難以直接對結構的安全狀態進行判斷和預測，需要人為干預和解釋。這些問題都需要不斷地進行技術創新和研發，提高健康監測與評估技術的精度和可靠性。

4.2 改進方向和方法

隨著工程結構的復雜性不斷提高，對健康監測與評估技術提出了更高的要求。當前，健康監測與評估技術存在一些不足和問題，如單一的監測手段、監測數據處理效率不高、可靠性與精度有待提高等。為了解決這些問題，需要采取技術改進和優化。

（1）通過引入新的監測手段和方法，提高監測數據的可靠性和精度。例如，結合無損檢測技術，可以更準確地檢測結構內部的隱蔽問題；結合圖像識別技術，可以實現對結構表面狀況的實時監測和分析。

（2）通過改進數據處理算法和方法，提高監測數據的處理效率和準確性。例如，采用深度學習算法對大量監測數據進行分析和處理，可以快速準確地識別出結構的健康狀況。另外，可以結合物聯網技術和云計算技術，建立起更為完善的結構健康監測與評估系統，實現對結構的全生命周期監測和管理[3]。

展望未來，隨著人工智能、大數據和物聯網等技術的不斷發展，結構健康監測與評估技術將會實現更高的自動化和智能化水平，同時也將更好地服務于工程結構的設計、建造、運行和維護等全過程。

5 結束語

綜上所述，健康監測與評估技術在及時發現建筑設施問題、采取相應的維修措施、提高港口設施的安全性和運行效率方面有著十分重要的作用。本文在介紹港口建筑設施結構健康監測與評估技術應用的基礎上，分析了當前建筑設施結構健康監測與評估技術存在的問題和不足，提出了技術改進和優化的方向和方法。分析認為，科學應用健康監測與評估技術，不僅可以及時發現和解決港口建筑設施的結構問題，還是制定相應維護維修方案的重要依據；對于港口建筑設施結構健康監測與評估技術存在的問題，需要不斷地進行技術創新和研發，提高其精度和可靠性。