高桩码头评估的干扰能量法及与常规方法的对比*

杨淦全，苏静波，季晓堂

(河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

近年来，随着海港工程建设趋于饱和，国家对于码头岸线的审批愈发严格，新建码头项目逐渐减少，而已建成的码头多接近使用年限，存在许多安全隐患。其中高桩码头因其承载能力强、材料用量省、适应多种地质条件等优点，是现役码头中一种重要的结构形式，但其构件较多、结构复杂、在荷载作用下自我调节能力差，使很大一部分在役高桩码头多存在或大或小的损伤，给码头带来安全隐患。因而，给出合理的码头整体安全性指标便显得尤其重要。

对结构整体安全性的评估是码头检测的核心问题和最终目的，虽然国内外进行了大量的相关研究，但仍有一些问题未能解决：如何建立合理有效的评估方法、如何选取科学的评价指标等。目前，高桩码头安全评估主要以构件可靠度计算为基础，但某一构件的可靠度并不能反映码头的整体安全度水平，高桩码头结构的整体安全度是结构系统可靠度问题，但其工作研究所涉及的学科甚广、难度很大，属国内外研究难题之一。目前行业内使用的JTS 304—2019《水运工程水工建筑物检测与评估技术规范》，主要是针对已建港口水工建筑物的安全性、使用性和耐久性的检测、评估方法做出规定，其主要局限性在于：仅进行了码头现场检测及结构验算，通过复核验算，提出了一个安全性等级，缺乏结构承载力方面的评定能力，还须进一步研究完善。针对规范中存在的缺陷，现有的主要研究方向在于可靠度方法和综合评估方法：王元战等[1]以常用的高桩码头标准结构段作为其研究对象，选取结构材料性能参数及几何尺寸参数等作为随机变量，基于非线性有限元数值模型，采用蒙特卡罗法建立结构整体极限承载力概率分布模型及统计参数，并在此基础上，采用一次二阶矩法计算结构体系的可靠指标；Ruben等[2]结合码头结构动力响应数据对码头进行检测评估；吴锋等[3]以模糊理论为基础，采用变权理论和层次分析法，结合高桩码头的结构特点，给出了分层评估指标变权重和隶属函数的计算方法，建立一套高桩码头耐久性模糊综合评估方法。干扰能量法及最小势能原理是基于能量理论发展出的一种安全判别方法。由于干扰能量是标量，所以可以便捷地进行局部构件及整体结构的稳定性分析。而最小势能原理也可以明确地给出结构的安全指标。目前关于干扰能量法及最小势能原理的研究成果大多存在于单独构件方面[4-5]，也在边坡及基坑安全稳定判别方面有一些成果[6-7]。

本文将此方法应用于高桩码头构件及整体的安全性判别中，给出明确的判别指标。同时以某工程为例，与现行规范进行比较，证明其科学性，并得到结构整体安全系数以及各构件对于结构整体安全性的贡献，为高桩码头结构的设计、损伤码头的加固提供依据。

1 码头整体评估的能量方法原理

1.1 干扰能量法基本原理

根据Dirichlet定理，平衡位置上的势能Πp应具有极小值或极大值，若Πp为极小值，即δΠp=0、δ2Πp> 0，该平衡位置是稳定的；若Πp为极大值，即δΠp=0、δ2Πp< 0，则该平衡是不稳定的；当δ2Πp=0，表明物体在微小扰动前后势能不变，稳定是随遇的。

在数值计算中，设Πp(u0)为物体在平衡位置上的总势能，其受到微小扰动δu后势能为Πp(u0+δu)。而由微小扰动δu引起的干扰能量记为ΔΠp，根据泰勒级数展开，得到：

(1)

1.2 干扰能量法的评价方法以及干扰能量指标

干扰能量ΔΠp可由下式求得：

(2)

其中

(3)

(4)

式中：A(·)物体的变形能密度；eij,0物体的初始应变；Δeij为应变增量；fi,0和pi,0为初始的体力和面力；Δui为干扰位移；Ω为物体计算范围；Sσ为面力计算边界；ΔU为干扰后储存在物体内的变形能增量，它是使系统恢复原位的因素，称为干扰内能；ΔW为外力在干扰位移中所做的功，它将消耗系统的能量。当ΔW> ΔU，系统将出现动能而导致失稳；当ΔW=ΔU，系统处于临界状态；当ΔW< ΔU，系统去掉干扰后能恢复原位，此时系统稳定。

考虑离散元的结果，得到

(5)

式中：σ0、Re,0为单元原有状态的应力矩阵、荷载矩阵；Δe、Δσ为干扰应变、干扰应力；Ωe为每个单元的积分区域；Ne为单元的个数；Δue为每个单元的扰动位移矩阵。

基于干扰能量法的最小安全系数，可以利用能量的观点得到稳定安全系数：

(6)

若考虑一个单元的稳定性，只须计入相邻单元的作用力，便可计算ΔUe和ΔWe，则该单元的稳定安全系数为

(7)

若考虑某一部分的稳定性，只须在上述基础进行代数相加，从而求出部分构件的稳定安全系数为

(8)

2 能量法检测评估流程及与对有常规方法的改进

2.1 检测前工作

现场检测前需要对待评测的码头进行现场踏勘和资料收集，为后续工作提供依据。资料收集内容包括码头设计计算书、设计变更记录、施工竣工记录等资料，目的是结合资料建立待测码头原状码头模型；现场踏勘目的是了解码头现场环境气象条件、历年检修情况历年修复情况及修复效果及近期作业荷载等，为后续计算以及模型修正提供依据。

2.2 现场检测

现场检测包括但不限于外观检查、变形变位检测、水下环境调查、构件强度调查、耐久性检测、桩身完整性检测。具体检测项目可以根据建设单位要求或依据常规检测内容进行制定。

2.3 检测资料汇集以及模型修正

结合现场检测数据，对数据进行总结，形成检测报告。依据检测报告的内容对于已建成的码头结构评估模型进行必要的模型修正，使修正后的模型符合待评估码头的现有状况，保证评估结果真实、有效。

2.4 计算及评估报告形成

根据前期调查的荷载条件，结合修正过的码头模型，应用前述能量评估方法对于码头进行评估，得到相关安全系数。最终形成码头检测评估报告，包括工程概况、检测评估内容、评估方法、检测评估结果以及修复意见等。

2.5 现行规范

根据JTJ 304—2019《水运工程水工建筑物检测与评估技术规范》，安全性评估应按承载力极限状态验算的结果进行，分级标准见表1。

表1 高桩码头评估分级标准

注：Rd、Sd分别为结构构件的抗力和作用效应组合设计值；γ0为结构重要性系数；其中各验算项目的等级，取最低一级作为该评估单元的安全评估等级。

2.6 高桩码头整体评估的干扰能量法与现行规范方法的对比

规范中的评估方法仅进行了码头现场检测及结构验算，通过复核验算，提出了一个安全性等级；干扰能量法的安全系数，是在结合设计资料建立模型的同时，参照现场检测数据修正结构模型后，使用前文提到的能量法进行计算得出的，充分客观反映了被评估码头的现有状态。

规范中对于码头整体安全性的评估结果，是建立在各构件安全等级上的掺杂了评价主体主观因素的结果；能量法计算出的整体安全系数，是计算结构各个单元、构件干扰能量值，以及所受外力做功值后得出的，排除了评价主体的主观因素，结果更加客观。

关于构件在整体中的重要性，规范规定得较为模糊，更多是凭借既有经验来判断；在干扰能量法中可以通过计算构件干扰能量、所受外力做功在总体中所占比例ΔU1/ΔU、ΔW1/ΔW，来展现构件对于整体结构的重要性。

综合来看，干扰能量法能够对码头结构整体状态做出更加客观的评价以及对各个构件在结构整体安全中的的重要性做出定量判断。

3 工程实例

某码头工程建设1个3 000吨级舾装泊位，舾装码头采用顺岸满堂式布置。码头平台平面尺度为150 m×12.4 m(长×宽)。水工建筑物采用高桩梁板结构形式。

码头结构采用现浇梁板结构，顺流方向布置2条轨道梁，轨道梁间距10.5 m，轨道梁截面为矩形，每段轨道梁长11.6 m，基础采用3根φ800 mm钻孔灌注桩，桩距为4.5 m。轨道梁间布置联系梁，联系梁间距4.5 m。结构如图1所示。

经检测码头存在一些缺陷：抽测构件的碳化深度值在1.0～4.0 mm，表明混凝土耐久性受到一定影响。抽检的码头平台前排基桩的混凝土抗压强度推定值均小于设计强度，不满足设计要求；其余构件的混凝土抗压强度推定值均大于设计强度，满足设计要求。所抽检的桩基最小钢筋保护层厚度为30 mm，根据规范规定，淡水环境梁类构件混凝土保护层最小厚度为30 mm，板类构件混凝土保护层最小厚度为25 mm，仅满足施工规范最低要求。

图1 码头结构(单位：mm)

3.1 码头构件及整体性安全评估

经过对承载力进行复核计算，根据计算结果及《水运工程水工建筑物检测与评估技术规范》的有关规定，进行码头结构构件的安全性评估，评估结果见表2。

由表2可知，在验算荷载作用下，参照规范联系梁等级为D级，其余构件的安全性等级为A级，需要对联系梁进行加固。

表2 采用规范各类构件安全性等级评估结果

3.2 干扰能量法评估

根据码头设计资料以及现场勘测返回的码头相关损伤情况建立相应的有限元模型，桩底根据嵌固点理论进行约束，经计算嵌固深度为5.13 m，采用Midas Civil进行建模计算，计算模型见图2。

图2 码头有限元模型

针对建立的有限元模型采用干扰能量法计算码头相应构件的安全系数，评估结果见表3。

表3 采用能量法各类构件安全性等级评估结果

由表3可知，联系梁安全系数小于1，需要加固；其他构件安全系数大于1，状态尚可；码头整体安全系数为1.37，还在安全范围，但富余度不足。从结构储备安全性角度来看，联系梁这一构件在抵抗外力过程中，干扰能量值占总体的比例过小(21.1%)，远小于其需要抵抗的外力作用(32.5%)。所以其为整体中的薄弱构件，容易在使用中产生损伤，应注意防范；同时，在设计时也应更加关注薄弱结构，提高该结构的设计标准，提升薄弱结构的下限，使码头结果设计更加合理。

3.3 改进建议

目前码头整体结构基本能满足设计使用要求，但考虑到结构本身受力体系的不合理性，且安全储备不足，在持久荷载作用下，结构受较大影响，为确保码头平台的长期安全使用，建议对该结构进行必要的加固措施，对目前结构受力体系进行优化处理。建议在码头前沿打入1排预制桩，延伸码头平台，改进码头承载力富余度，同时安装靠船构件优化其受力。关于联系梁不安全的问题，建议对联系梁梁侧粘贴钢板进行加固处理。

4 结论

1)本文采用干扰能量法对于高桩码头进行评估，干扰能量法理论完备，方法流程清晰，可操作性强，可信度较高。由于干扰能量是标量，经过计算得到的码头结构整体安全系数在较大程度上减少了主观因素对评价结果的影响。

2)本文将干扰能量法应用于某码头的结构安全性评估，并与采取现行规范的评估结果进行对比。发现单独构件的评估结果十分吻合,对于需要加固的薄弱构件的识别一致。

3)高桩码头评估的干扰能量方法经计算得到该码头的整体安全系数，可以较为客观地反映当下码头的整体安全状况，而不是规范中以最薄弱构件的评级划定码头整体安全评级，更加科学客观。同时，干扰能量方法还可以计算出各个构件的能量占比，以此为据判断薄弱构件，指导结构设计、使用过程中薄弱结构损坏预防工作和损伤结构的加固工作。