在役高桩码头横梁剩余寿命预测

孟静，李鑫

（1.交通部天津水运工程科学研究所，水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456；2.天津港工程监理咨询有限公司，天津 300456）

天津港是国内最大的人工港，也是世界等级最高的人工深水港，是在淤泥质浅滩上人工挖海建港、吹填造陆建成的。因此，天津港的码头形式均以高桩码头为主，特别是高桩梁板式结构的应用最为广泛。但因为此种结构形式的高桩码头在耐久性和对超载及装卸工艺方面的适应能力较差，所以导致构件易损坏且难修复，故对其进行可靠度计算显得尤为重要。

1 工程概况

天津港某港区高桩码头为连续梁板式承台结构，由面板﹑面层、横梁﹑门机梁﹑火车梁﹑桩﹑靠船构件等部分组成。构件均为预制安装，接缝混凝土及面层为现浇，形成连续结构。由北到南共75个排架，排架间距7m，分为9个结构段，1～34排为杂货泊位，34～75排为粮食泊位。该码头面顶高程为5.8m，前沿水深为-9m，码头分为前桩台、后桩台和接岸结构3部分，横断面见图1。码头横梁为混凝土梁，分2次浇筑，面板以下部分为预制混凝土T形梁，与面板连接部分为横梁的现浇叠合部分，横梁断面图见图2，结构断面特性见表1。采用C35混凝土，水灰比0.43，主筋保护层厚度60mm；底部配10φ20的II级纵向受拉钢筋，上部配2φ14@250的水平分布筋，10φ14的短筋，竖向分布筋4φ14@250。裂缝宽度W=0.15mm，裂缝间距为180mm。

图1 天津港某高桩码头横断面图Fig.1 Cross-sectional view of a high-pile wharf of Tianjin Port

图2 横梁断面图（单位：mm）Fig.2 Beam cross section （mm）

表1 横梁结构断面特性表Table 1 Beam cross-section characteristics

通过统计2009年该码头检测评估过程中的实测数据，并由式（1）～（5），得出横梁的钢筋混凝土的统计参数见表2。

表2 码头横梁钢筋混凝土材料的统计参数Table2 Statistical parameters of beam reinforced concrete

材料强度的不定型Kf是结构中材料的实际强度fs与材料的强度设计值fk的差异，即：

式中：f为结构构件中材料性能值；fs为试件材料性能值；fk为规范规定的材料性能标准值；w0为反映结构构件材料性能与试件材料性能差别的影响系数，w0=1；K0为反映结构构件材料性能与试件材料性能差别的随机变量；K1为反映试件材料性能不定性的随机变量。

2 高桩码头横梁可靠度计算

由于高桩码头抗力的影响因素比较复杂，本文拟采用时变动态可靠度的计算方法，计算码头横梁结构承载力达到极限的时间：结构的时变动态可靠度（或可靠指标）可看作是结构服役时间的函数，给定其目标可靠度或目标可靠度指标β*后，则可由β*与动态可靠度指标β（t）的函数联合求解，二者曲线交点对应的横坐标，即为年数，此时间点为结构的使用寿命。

按照GB 50158—2010《港口工程结构可靠度设计统一标准》的规定，港口工程结构的目标可靠指标β*应根据结构的破坏类型和安全等级按表3 确定[1]。

表3 结构可靠度目标Table3 Goals of structural reliability

2.1 横梁构件承载力极限方程

按照JTJ267—98《港口工程混凝土结构设计规范》[2]，本文采用钢筋混凝土构件的正截面抗弯承载力计算模型，由受力平衡条件得：

式中：fc为混凝土轴心抗压强度设计值，MPa；As，分别为锈后纵向受拉，受压钢筋的截面面积，mm2；fy，分别为锈前纵向受拉钢筋抗拉、受压强度设计值，MPa；b为矩形截面的宽度或T形截面的腹板宽度，mm；为受压区钢筋合力点至受压边缘的距离，mm；ky为锈蚀钢筋屈服强度降低系数；ks为钢筋与混凝土之间的协同工作系数。依据设计图，根据受力分析选取该横梁的最不利截面，结合式（6）～（7），得到该处抗弯极限承载力方程为：

式中：fc（t）为随时间变化的混凝土轴心抗压强度值，MPa；fy（t）为随时间变化的锈前纵向受拉钢筋抗拉设计值，MPa；SG（t）为随时间变化的结构永久荷载作用效应组合值，MPa；SQ（t）为随时间变化的结构可变荷载作用效应组合值，MPa。

2.2 横梁构件钢筋混凝土锈蚀时间

由于混凝土中的氯离子扩散具有地域性这一特征，因此，在研究该港区氯离子时，选取了几个典型的码头结构段作为研究对象，根据JTJ 302—2006《港口水工建筑物检测与评估技术规范》对“钢筋劣化耐久性专项检测”中规定[3]：用冲击钻在结构混凝土尚未开裂、剥落的典型部位钻取试样，取样是在垂直于梁侧向表面的部位钻取混凝土粉末，每钻入1 cm深度所取得的混凝土粉末作为1个试样，在每个取样点钻入深度为5 cm，每个测点共取5个试样。将现场采集的待检混凝土粉末配制成检测溶液，利用混凝土快速氯离子检测仪检测溶液的氯离子含量，此含量即为结构中氯离子含量。检测前应对仪器进行标定，检测中依次对检测液进行分别检测，最终将测得结果和标定曲线进行对比。将结果带入了菲克第二定律进行计算，可得出氯离子表面浓度以及扩散系数，见表4。

表4 天津港码头横梁氯离子实测值Table 4 Chloride ion measured values of beams in Tianjin Port

按照JTJ302—2006《港口水工建筑物检测与评估技术规范》中的规定，将上述实测数据带入到菲克第二定律中进行计算[3]，即：

式中：Cx，t为龄期t时不同深度处的氯离子含量（以占胶凝材料质量百分率计）；Ci为混凝土中原始氯离子含量（以占胶凝材料质量百分率计）；Cs为混凝土表面氯离子含量（以占胶凝材料质量百分率计）；x为距离混凝土表面的深度，mm；Dt为氯离子扩散系数，mm2/s；t为混凝土暴露于环境中经过的时间，s。

由实测数据算出该处构件氯离子表面浓度Cs为0.825%（按与混凝土重量的百分比计算），扩散系数Dt为76.8mm2/a，代入下式[4-5]：

式中：Kc为混凝土总修正系数；Kce为水泥品种修正系数；Kel为地区影响系数；Kei为环境影响系数；Kt为混凝土养护系数，取值见表5；c为混凝土保护层厚度，mm；xc为混凝土碳化残量，mm。

表5 计算参数表Table 5 Calculation parameters

根据《港口水工建筑物检测与评估技术规范》计算得出该段码头的钢筋开始锈蚀的时间=36.7 a，计算出混凝土碳化开始的时间为=75.9 a，则临界时间为二者的最小值，则tp=36.7 a。

另外，根据钢筋锈蚀量得出的平衡方程[6]计算出混凝土的开裂时间tcr=33.11 a，因此该码头在此时，即运行至32 a时，还不用考虑钢筋锈蚀对其抗力的影响，但在tcr=33.11 a之后，就要将此影响考虑进去，为了更好地反映横梁可靠度指标在服役基准期及以后的变化，本文选取了80 a为计算年限来计算该码头的可靠指标。

2.3 横梁可靠度计算

根据上述分析，计算该码头横梁结构的时变动态可靠度，拟以规范规定的50 a为基准期，每5 a为一个生命步长，一直计算到80 a，然后用Matlab软件编制JC法程序[7]，计算出各个生命步长的可靠度指标β，并绘制动态可靠度曲线，见图3，图中横线为临界可靠度指标β=3.5。

图3 横梁可靠度指标与使用年限的关系Fig.3 Relationship between the reliability index and service life of beam s

3 结果分析

首先，由计算可以看出：该码头在基准期内的可靠指标满足规范规定值，由该计算得出其计算年限为48.3 a，与仅用氯离子侵蚀计算的使用年限为46.3 a基本相符合。其次，从计算可以看出，在结合混凝土开裂，钢筋发生锈蚀以后，该横梁可靠度指标下降较快，所以要预防发生钢筋锈蚀，且一旦发生锈蚀现象，要及时进行维修。其次，在此次研究中发现高桩码头的横梁损伤多是发生弯矩破坏，即其可靠指标是由构件的延性破坏所控制的，这是由于梁板式高桩码头构件截面设计较大，且跨度较大导致的，建议从设计方案上优化，合理改变横梁的截面尺寸，最大程度使其弯、剪可靠度指标达到一致，从而使结构在服役期内满足经济合理，使用安全的需要。

[1] GB 50158—2010，港口工程结构可靠度设计统一标准[S].GB 50158—2010，Code for design of steel structure in port engineering[S].

[2] 黄长虹.在役高桩码头耐久性评估方法研究[D].天津：天津大学，2003.HUANG Chang-hong.Research on evaluation method of the durability of high-pile wharf in service life[D].Tianjin:Tianjin Univer-sity，2003.

[3] JTJ302—2006，港口水工建筑物检测与评估技术规范[S].JTJ 302—2006，Technical specification for detection and assessment of harbour and marine structures[S].

[4] 王有志.桥梁的可靠性评估与加固[M].北京：中国水利水电出版社，2008：10-195.WANG You-zhi.Reliability evaluation and reinforcement of bridges[M].Beijing:China Water Power Press，2008：10-195.

[5] SONG Yu-pu，SONG Li-yuan，ZHAO Guo-fan.Factors affecting corrosion and approaches for improving durability of ocean reinforced concrete structures[J].Ocean Engineering，2004，31（5/6）：779-789.

[6] 牛荻涛，王庆霖，王林科.锈蚀开裂前混凝土中钢筋锈蚀量的预测模型[J].工业建筑，1996，26（4）：8-13.NIU Di-tao，WANG Qing-lin，WANG Lin-ke.Predeterminate model of steel corrosion extent in reinforced concrete structures before producing corrosion crack[J].Industrial Construction，1996，26（4）:8-13.

[7] 张明.结构可靠度方法分析——方法与程序[M].北京：科学出版社，2009.ZHANG Ming.Structural reliability analysis-method and procedure[M].Beijing:Science Press，2009.