海港码头结构健康监测

   在海港码头结构生命过程的3个阶段中，老化期是平均风险率较大的一个阶段。在码头服役期，由于荷载和环境因素的影响，其结构与类似水工结构相比，耐久性差。出于码头运营安全及维修优化的需要，对海港码头进行监测，及时提供其健康信息已成为必要。

重力式码头的工作原理主要是利用结构自身的重力抵抗以墙后土压力为主的各种荷载作用，保持结构的稳定"。重力式码头的常用型式为重力式方块码头和沉箱码头，由于重力式码头一般为实体结构，其抗冲击荷载、集中荷载和超载的能力均较强，据近10年本系统的检测资料显示，重力式码头破损很少，仅有3例，且均接近设计使用年限。根据统计资料，重力式码头破坏主要为码头向前滑移失稳；码头倾覆失稳；墙体构件破损；胸墙开裂、破损；墙后填料流失(漏沙)造成码头后路面塌陷等。

  造成重力式码头损坏的主要原因有：抛石基床和地基的不均匀沉降；码头墙后填料或墙身内部填料沉降；薄壁钢筋混凝土墙身构件老化破损；荷载和港池冲淤变化等因素导致码头结构的整体失稳。

  其中最常见的因素是抛石基床和地基的不均匀沉降：沿码头长度方向的不均匀沉降会导致胸墙和墙身结构的开裂破坏，垂直于码头长度方向的不均匀沉降会导致码头倾覆；码头墙后填料或墙身内部填料沉降则是造成码头混凝土面层开裂、塌陷，影响码头适用性的主因。薄壁钢筋混凝土墙身构件老化破损多出现于结构的老化期，此时重力式码头往往已接近或超出结构设计使用期服役。在设计使用期，重力式码头结构整体失稳的情况非常罕见，但一旦发生造成的损失却非常大。重力式码头发生此类失稳前往往会出现码头后方一定范围内加速沉降、码头面后倾的前兆。

  通过以上分析可知，重力式码头的位移，尤其是竖向沉降位移能够影响并反映结构的健康状况，因此对重力式码头的主要监测指标应为重力式码头各关键点的位移值，尤其是竖向位移。

  板桩码头的工作原理是利用打入地基中的板桩形成挡土墙，墙后回填填料，从而在墙前形成码头临水面。为减小板桩入土深度和桩顶位移，通常在板桩墙后设置拉杆，并由锚结构锚固。板桩码头常见破损情况有以下几种：板桩墙失稳；拉杆断裂；板桩破损，出现漏沙情况；导梁、帽梁(或胸墙)破损图。造成板桩码头损坏的主要原因有： 码头前挖泥超深；码头后超荷堆载；海洋环境作用下，构件腐蚀、老化、破损；4船舶撞击力超载；拉杆的锚定结构失稳。

  码头前挖泥超深可导致板桩墙入土深度不足，从而失稳，此时板桩码头的帽梁或胸墙顶部会产生向岸的水平位移，同时导梁以下部分板桩会发生向海侧水平位移。码头后超荷堆载则可能产生过大的板桩跨中，弯矩从而导致板桩破损，在此之前板桩墙在导梁和嵌固点之间的部分会产生向海侧水平位移；堆货荷载超载也会产生过大的拉杆力，从而可能导致拉杆断裂，在此之前导梁会产生向海侧水平位移，并且钢拉杆会产生过大的应力应变。在环境因素作用下，构件会发生腐蚀、材料劣化，从而导致破损和抗力降低，影响结构安全，如钢板桩的腐蚀和钢筋混凝土板桩的钢筋锈蚀。船舶撞击力超载则常导致导梁、帽梁(或胸墙的破损。拉杆的锚碇结构失稳会导致板桩墙向海侧倾覆，在此之前帽梁或胸墙顶部会产生向海侧的较大的水平位移。

通过以上分析可知，若从安全性角度出发，板桩码头的监测指标应为码头各关键点的位移值，尤其是导梁和帽梁(若为胸墙则取相应位置)的水平位移；拉杆的应力应变值。

  高桩码头的工作原理是利用桩基将码头上部结构所受荷载传到地基深处较好的持力层上，其通常由桩基和上部结构组成，上部结构通常采用梁板结构，高桩码头一般为透空式结构。高桩码头结构损伤破坏的表现形式主要包括：混凝土局部开裂、剥落；钢筋外露、锈蚀甚至断裂；码头存在整体不均匀沉降、水平位移、平面扭转等。造成高桩码头损坏的主要原因有：钢筋锈蚀；使用荷载超载；桩坡体系不均匀沉降。

钢筋锈蚀对安全性的影响主要有两个方面：是锈蚀引起的钢筋截面减小，二是因为锈蚀引起的体积增大、顺筋裂缝、保护层剥落而导致钢筋与混凝土之间的粘结力下降。而且结构一旦出现锈胀裂缝就会迅速恶化，承载力降低，安全性下降。国内海港调查资料显示，钢筋锈蚀是导致高桩码头混凝土结构耐久性破坏的主要形式。相比于重力式和板桩码头，高桩码头对超载的反应敏感：一方面，超载会直接影响结构的安全；另一方面，超载往往会造成结构出现过大裂缝，钢筋出现塑性变形，并且裂缝会加剧钢筋锈蚀，降低构件承载力，从而影响结构的安全性。一般堆货荷载和汽车荷载的超载会导致高桩码头梁板构件的破损，撞击力超载往往导致高桩码头桩基断裂。高桩码头运营期间桩坡体系不均匀沉降可能导致高桩码头整体滑动失稳，或对码头近岸部分桩基产生负摩擦力，导致桩基拉断。对桩台较短，岸坡较陡的高桩码头，其不均匀沉降也是重点监测内容之一。通过以上分析可知，构件钢筋锈蚀程度应为高桩码头的主要监测指标。使用荷载超载可能造成的结构损伤也必须实施监测，由于高桩码头为透空式，与一般的桥梁结构有很多的相似之处，因而此项健康监测内容的指标选取与一般桥梁结构大致相同。对桩坡体系的不均匀沉降可通过桩台的位移变化实施监测。

码头健康监测系统对码头结反映在内的结构各种特征，以了解结构因损伤或者退化造成的改变。健康监测的一个主要目标就是在结构损伤能够危及其安全性能的临界点，并在此之前提早监测出结构的损伤，这是个实时在线监测过程。

码头结构健康监测系统应包括传感系统、数据采集与分析系统和监控中心。其中传感系统包括感知元件的选择和传感网络在结构中的布置方案；数据采集与分析系统一般由强大的计算机系统组成，能实现多种信息源、不同物理信号的采集与预处理，并根据系统功能要求对数据进行分解、变换以获取所需要的参数，以一定的形式存储起来；监控中心能够及时预警结构的异常行为，能利用可实现诊断功能的各种软硬件对接收到的数据进行诊断，包括结构是否受到损伤以及损伤位置、损伤程度等。传感器监测到的实时信号，经过采集与处理，由通信系统传送到监控中心进行分析和判断，从而对结构的健康状况作出评估。若结构出现异常行为，则由监控中心发出预警信号，并对检测出来的损伤进行定性、定位和定量分析，同时提供维修建议。这里重点探讨对海港码头主要监测项目的实施和诊断方法。构进行健康监测是指利用现场的无损的监测方式获得结构内部信息，分析包括结构反映在内的结构各种特征，以了解结构因损伤或者退化造成的改变。健康监测的一个主要目标就是在结构损伤能够危及其安全性能的临界点，并在此之前提早监测出结构的损伤，这是个实时在线监测过程。

  对于海港码头，结构位移是健康监测的重要项目。对于3种形式码头位移的监测，可选择的监测方法较多，如全站仪即可实施位移监测。在码头结构竖向位移监测中，考虑到码头运营对光学测量方法通视条件的影响和限制，可采用光电式静力水准监测技术。

  由于海港码头的沉降等位移发展缓慢，对其实施全过程实时在线监测成本高，而且无必要，因此可以利用定期监测配合重点时期实时监测的方法对其实施健康监测，以板桩码头为例，平时可以季度或半年为期对码头关键点位移进行测量，当出现关键点位移异常(如沉降加速)时，或对码头进行挖泥等施工作业时进行实时在线监测。对于高桩码头的桩-坡体系的不均匀沉降监测。由于采用桩基，在造成破坏之前，岸坡不均匀沉降产生的高桩码头的桩台的垂直位移很小，不易测量，可通过间接方法监测。鉴于岸坡的不均匀沉降往往导致码头近岸桩受负摩擦力，可以通过监测高桩码头近岸桩基轴力长期变化来监测诊断岸坡不均匀沉降。

兆时，应及时预警，并采取加强监测措施。可采用滑动式伺服加速度测斜技术，可通过监测岸坡不同深度位置的侧向变形，确定潜在滑动面和码头的整体滑移稳定性。

对于码头结构高桩码头的梁板桩等构件进行应力应变和振动测量等可应用的传感器很多，如压电式力传感器、加速度传感器、阻抗传感器、应变片等，它们已广泛应用于各类工程结构的实测中，这里不再赘述。近些年，光纤传感器得到了较多的研究和应用，由于其具有信息量大可测多种信号、无电磁干扰、耐腐蚀性好、耐久性好等特点，特别适用于海港码头健康监测。

目前，对混凝土中钢筋的锈蚀程度主要采用半电池电位法检测，该方法是基于钢筋在混凝土中的锈蚀是一种电化学过程，此时在钢筋表面形成阳极区和阴极区。在这些具有不同电位的区域之间，混凝十的内部将产生电流。钢筋和混凝十的电化学活性可以看作是半个弱电池组，即钢筋的作用是一个电极，混凝土是电解质。钢筋表面层上某一点的电位可以通过和硫酸铜参考电极的电位作比较来确定钢筋的锈蚀活动程度。但该方法应用于健康监测则存在较多问题：一方面高桩码头健康监测是一个长期的过程，半电池电位法监测系统的耐久性往往达不到要求；另一方面，受海洋环境影响，高桩码头工作处的空气潮湿并含有大量的盐分，半电池电位法测钢筋锈蚀受此影响较大。有鉴于此，本文提出了一种新方法对海港码头钢筋混凝土构件实施钢筋锈蚀监测。该方法监测原理如下。选取钢筋混凝土构件钢筋开始锈蚀至因混凝土保护层出现锈胀裂缝这一时段为钢筋锈蚀预警时间。在预警时间内，钢筋截面损失率不大，钢筋和混凝土的粘滞力不减反增，构件可靠性降低很少。而在此期间钢筋锈蚀量随时间累积增加，锈蚀产物氧化后体积膨胀，引起高桩码头构件内部应力改变，通过对构件因锈蚀产生的应力分布和应力大小的研究，可以利用应力传感器实施对构件钢筋锈蚀的监测。

  对码头结构健康诊断主要以设计文件、现场监测数据、相关的规范及标准、码头多年运营以及管理维护方面的信息为依据，利用监测到的结构特性参数对码头的运营状态进行评价，分析码头的安全性、耐久性。

  对重力式码头，根据监测到的关键点的位移变化情况，可根据土力学原理诊断出码头的破损形式和破损位置。

  对板桩码头，根据监测到的关键点的位移变化情况，板桩墙的变形及拉杆的应力应变状况，根据竖向弹性地基梁模型可诊断出码头的破损形式和破损位置。

  对高桩码头损伤的整体健康诊断方法，从研究和应用的角度看，可采用动力指纹分析法、模型修正与系统识别法、神经网络法和遗传算法。本文推荐采用动力指纹分析法(模式识别法)和重点位置强化监测诊断结合的方法进行。动力指纹分析法要寻找与结构动力特性相关的动力指纹，若高桩码头结构发生损伤，则结构参数如刚度、质量、阻尼会发生变化，从而引起相应的动力指纹的变化。可用的动力指纹有频率、振型、振型曲率、应变、应变模态、曲率模态等。利用动力指纹方法在一定程度上能识别损伤，并定位，同时针对叉桩和码头前排桩及码头前沿的横、纵梁等易损构件，需进行应力应变的重点监测。两者结合能达到很好的高桩码头健康诊断效果。

  另外，在实施结构健康监测的同时，应采集码头荷载信息，以用于码头结构可靠性评估。

  对重力式码头和板桩码头等实体结构，健康监测的主要指标应为各关键点的位移；对高桩码头的健康监测则主要应为钢筋混凝土构件的锈蚀监测和结构的动力响应监测，后者与桥梁结构健康监测类同。

  由于现有码头结构绝大多数未预先设计安装健康监测系统，故对现有码头进行健康监测常于结构表面设置传感器，集线形成健康监测系统，但此时传感器和线路暴露于海洋环境中，易老化损坏，造成系统失效，增加监测成本。因此应将传统检测方法和实时监测结合，即利用检测手段预判结构损坏临界点，重点时期进行实时监测，例如本文所述的码头位移监测。

  本文提出了一种全新的钢筋混凝土构件钢筋锈蚀监测方法，即通过监测混凝土截面的锈胀应力来实施钢筋锈蚀监测，并进行了简单的算例讨论，证明了该方法的可行性。

当应用动力指纹分析法进行高桩码头损伤的整体健康诊断时，必须考虑土体和海水对桩基的阻尼作用，并且若要实现高桩码头健康实时诊断，必须计入潮汐造成的海水阻尼变化。