高桩码头结构健康监测系统研究

2021-03-27时闽生刘思国张雨雷吴优

中国港湾建设 2021年3期

时闽生，刘思国，张雨雷，吴优

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

结构健康监测和运维监测已被成功地运用在超高层建筑、高墩大跨桥梁、大直径输水管道等领域[1]，如广州塔、深圳证券交易中心总部大楼、香港青马大桥等的长期健康监测，这些健康监测系统可为相应结构的安全运行保驾护航。但港工结构健康（运维）监测技术发展较晚，目前国内码头水工领域成功应用的实例较少。

本文在天津港某通用泊位开展了高桩码头结构健康监测实践，在港口基础设施检测与维护工作的基础上，进行码头结构安全健康诊断与分析，建立了码头结构安全健康实时在线监测平台，实现了对码头进行自动化监测和数据采集；通过对不同病害监测方法的研究与汇总，有针对性地构建了健康监测系统；通过对健康状况判定因素的研究，明确了健康状况判定原则；在判定因素区分不够明显、码头变更使用功能等情况下，通过对监测数据分析并结合数值模拟分析对码头的结构安全和稳定性进行分析，为码头安全运行、科学养护、智能决策提供重要保障。

1 总体构架

码头结构健康监测利用现场的、无损的、实时的方式监控结构的行为和环境信息，对结构可能的损伤、退化进行诊断，对结构的服役情况进行智能评估，当结构出现严重异常时触发预警，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导[2-4]。TPEI码头结构健康监测系统整体构成如图1，具有环境识别、健康监测、运行监测、统计分析、可视化、报警管理、专家系统、评估等多个模块，集成了30多项的子项目。

图1 码头健康监测系统整体构成Fig.1 The composition of wharf health monitoring system

采用自动化监测为主，适当结合人工定期巡检的方法，全面开展码头健康监测工作，并有效降低成本。监测信息全面，为后续的预警与评估提供了更有价值的信息，最大限度地发挥监测系统的作用。评估系统以结构预警与专家系统为核心形成2条数据流：1）由传感器系统、数据采集[5]与传输系统、数据处理与控制系统组成的在线自动监测数据流；2）由定期巡检组成的数据流。将自动监测信息和人工结果集成到结构预警与评估系统中，供进一步分析与评估，保证码头的运营安全。

该自动化监测系统具有自动监测、采集、传输、数据处理、预警的功能，可实现对码头运营状况实时监控，为码头的维护、维修等决策提供建议，同时系统留有接口，可接入其他的管理平台，便于数据共享和资源整合。

2 监测内容的划分

以天津港某软土地基高桩码头为实例，开展了码头监测的实践研究，监测内容主要包含了4个重点模块，涵盖了自动监测和巡查监测等内容。以下为具体构成。

监测模块1：码头作业环境因素的监测。远程识别风速过快、极端高潮、浮冰等情况，避免在危险条件下进行风险作业。

监测模块2：码头作业运营安全监测。监测作业期间码头承受水平和竖向荷载的静态和动态响应，注重控制靠船力，避免超速靠船造成码头局部开裂和疲劳损伤，监测局部堆放过载情况。

监测模块3：码头结构健康监测。监测在荷载和环境作用下结构或构件的变形和变位以及结构构件的腐蚀和锈蚀情况，注重结构整体安全。

辅助模块4：定期巡查港口设施的使用情况、上部结构外观变化和附属设施状况等，以目测为主，及时发现隐患，及早采取维修、加固或预防措施。

3 健康状态判别

健康监测系统分3个类别[6]对高桩码头健康状况进行判别：自动监测项目，定期外观巡检项目，专项检查项目。

按下列内容对单一或者多个监测参数进行综合分析。

3.1 健康分析内容

健康监测系统得到实时的监测数据，进行如下健康分析，为码头运维决策提供建议。

1）码头使用功能降低程度评定。包括：

①码头结构材料（混凝土、钢筋等）损坏和劣化状况[7-9]，如混凝土开裂状况和钢筋锈蚀程度及其原因[10]。

②结构整体沉降、位移[11]和工程状态。

③码头结构构件承载能力，如桩、梁、板强度及变形。

2）进行数值分析，预测码头结构受力分布和变形变位等情况。

3）安全性、适用性和耐久性复核验算及评估，提出码头结构继续使用年限和使用条件建议。

3.2 评定标准、结论及意见处理

综合材料劣化、结构构件承载能力、结构继续使用年限和使用条件三方面分析结果，按现行规范进行分类或分级。

1）技术状态分类

依据现行JTS 310—2013《港口设施维护技术规范》对港口主要设施技术状态进行分类，一类、二类设施应以保养和小修为主；三类设施应中修；四类设施应中修或大修；五类设施应大修，或经检测评估后报废、拆除。

2）安全性、使用性和耐久性分级

根据现行JTJ 302—2006《港口水工建筑物检测与评估技术规范》对码头结构的安全性、使用性和耐久性分别做出分级标准和处理要求。

3.3 数值模拟

在判定因素区分不够明显、码头变更使用功能等情况下，可采用ANSYS、Midas、ABAQUS等软件建立码头结构三维模型，施加运营期实际的恒载和活载，进行数值模拟，或施加不利工况荷载分析结构的受力和变形情况。

4 项目工程实践

某通用泊位工程为50 000吨级泊位，岸线长度744 m。承台总宽75.75 m，其中前方桩台宽度为17.0 m，后方桩台宽度为58.75 m，码头顶标高+6.0 m，码头前沿水深-13.8 m，港池底标高-12.3 m，码头结构按照70 000吨级通用泊位码头设计，可同时停靠3艘50 000吨级散货船，设计使用年限为50 a。

典型断面的传感器安装方案如图2所示。

图2 码头断面传感器安装布置图Fig.2 Sensor installation arrangement for wharf section

通过该项目实践，当前可实现对码头结构健康实时监控，并具有报警功能，在偶发较大吨位船舶的撞击时可以立即报警。部分监测项目的典型数据曲线如图3～图5所示。

图3 典型前轨道梁作业应力监测的时程曲线Fig.3 Time history curve of stress monitoring for typical front track beam

图4 典型梁体结构振动监测的时程曲线Fig.4 Time history curve of vibration monitoring for typical beam structure

图5 前后桩台相对位移监测的时程曲线Fig.5 Time history curve of relative displacement monitoring of front and back platform

结合实测数据，再通过ANSYS建立模型对通用泊位高桩码头结构在设计极限状态下的健康状况进行有限元分析，分析结果为结构设计安全可靠，为进一步的评估建议提供参考。

5 存在的问题及改善方案

在码头结构健康监测中，常规方案通常采取均布传感器监控桩、梁、板的应力和变形的方式对码头结构健康进行监测，其实际应用效果有限，且监测成本较高，影响了码头结构健康监测业务的发展。通过码头健康状态的监测实践总结，目前码头结构健康监测主要存在以下限制和困难：

1）传感器寿命与码头结构寿命不匹配，氯盐腐蚀环境影响传感器寿命。

2）高桩码头主要受力构件众多且分布均匀，很难通过识别关键构件受力情况来判别整体码头结构安全情况，均布传感器造价高昂且实际效果有限。

3）高桩码头结构约束多、刚度高，振动幅度小，不易通过振动变化来准确分析码头整体刚度的变化。测量的构件应力应变实际数值较小，不利于设置阈值实现精确自动报警。

针对以上问题，通过比较研究，提出以下方式加以改善：

1）采用埋入式光纤传感器和可更换传感器构建传感体系，使用碳纤、玻纤、陶瓷安装件来提高安装辅件寿命，以提高监控系统的整体寿命。

2）采用监控码头整体变形变位的方式来识别码头超载，通过局部变形来识别荷载突变，通过部分连接钢筋应力变化来识别节点变形变位，提升监测工作的经济性和实际效果。

3）取消护舷等直接测力，以防止船舶碰撞和异常靠泊为主要方向开展码头振动监测和预警，兼顾码头整体的模态分析。

6 基于病害识别的方案研究

通过码头结构检测和健康评定工作积累发现，高桩码头的整体破坏事故较少发生，且个别结构构件超载或破坏一般不易导致码头结构的整体破坏。码头结构丧失使用功能常常是由于典型病害造成的，例如后方土体滑移、结构意外被撞击、长期超载使用、伸缩缝挤压、钢筋锈蚀保护层剥落、钢结构防锈蚀措施失效等情况，根据常见病害类型的特征进行分类，针对常见病害类型开展专门的智能监测项目，有利于提升监测效果和降低监测费用投入。

汇总高桩码头常见病害类型及其监测检测项目解决方案，见表1。

表1 基于病害分类的码头结构监测内容改进Table 1 Improvement of wharf structure monitoring content based on disease classification

6.1 弱光纤光栅阵列测量技术

对于梁、板、桩类构件，选取少数典型的构件，采用埋入或表贴的方式安装拉丝同步在线刻写工艺制造的弱光栅光纤矩阵传感，对构件进行长距离、高密度的应变和温度测量。可以观测混凝土构件裂缝病害及刚度退化情况，进而估计构件承载力下降情况，评估构件安全性。

在弱光纤光栅矩阵测试技术中，弱光纤光栅结合了光纤光栅（FPG）的传感优势和光时域技术（OTDR）的定位优势，是波分和时分混合复用的解调技术，具有传感光纤一次制备无薄弱点和光衰小，测试应变范围不小于15 000με，单通道测试点不小于1 000点的超高测试性能，在铠装和埋入情况下可以提供与结构等寿命的长期监测性能。