高桩码头小范围结构撞损检测与评估

2021-08-25张翠莹刘全兴

港工技术 2021年4期

关键词：完整性横梁外观

张翠莹，刘全兴

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430060）

引言

某海港在建高桩梁板码头，在施工过程中意外受到超等级船舶撞击，码头结构发生局部损害，为评估码头结构受损程度，并为后续码头结构修复提供科学依据，需合理确定码头检测范围和结构检测方案。

1 依托项目概况

1.1 结构概况

某沿海煤炭进口码头，共设计1 万t 驳船卸煤作业泊位2 个，泊位总长265 m，宽24 m。码头水工结构采用高桩梁板结构，排架间距8 m，共设计排架34 榀，每榀排架下布置4 根φ1 350 mm 灌注桩。上部结构由钢筋砼迭合板、现浇前边梁、预安轨道梁、预安纵梁、预安后边梁和现浇横梁等组成[1]。码头结构典型剖面图见图1。

图1 码头结构典型剖面示意图

1.2 码头损害过程及损害表现

该码头煤炭卸船用桥式抓斗卸船机采用整机上岸形式进行运输安装，考虑到项目工期需求，在码头1 号泊位施工完成、2 号泊位施工完成40 %的情况下，码头4 台桥式抓斗卸船机由5 万t 级半潜驳一次运输到场，半潜驳计划在1 号泊位及部分2号泊位前沿靠泊，并在1 号泊位整机上岸。本项目码头设计船型为1 万t 驳船，而卸船机运输船为5万t 级半潜驳，属超等级船舶靠泊，为保证靠泊安全，靠泊过程中虽然采取了减载、多拖轮辅助靠泊等多重安全保障措施，但受码头前沿突发大流速潮汐横流影响，半潜驳船船首球鼻艏意外擦碰到码头2 号泊位13#排架、并撞击14#排架（排架位置见图2），碰撞事件发生后对码头进行了外观检查，码头1 号泊位、2 号泊位现有结构整体未发生明显位移、码头桩基未见明显弯曲或变位，码头13#、14#排架靠船构件混凝土局部掉角、14 号排架横梁端部水平变位约2 cm、14 号排架横梁两侧见混凝土明显损害（见图3）。

图2 码头损害排架位置图

图3 码头14 排架损害图

为进一步评估码头损害状况、为下一阶段的结构修复提供科学依据，需对码头进行损害检测及评估。

2 码头结构损害检测方案

2.1 损害检测内容及范围

该码头为典型的高桩梁板码头，码头损害发生时主体结构尚在施工，辅助工程系统尚未安装，因此损害影响仅限码头主体结构，通过对主体结构的外观检查，初步确定损害检测内容包括：桩基完整性及纵横梁系完整性。考虑到此次结构损害程度较小、影响范围有限，码头损害检测范围将以碰撞点为中心，采取初步确认检测范围、检测、结构评估、确认是否扩大检测范围的步骤，逐步完成结构损害检测与评估。本次撞损中心位于2 号泊位的14#排架，初步确认检测范围为13#、14#及15#排架，若13#和15#结构受损，应扩大检测范围[2]。码头排架示意图详见图4。

图4 码头排架示意图

1）桩基检测范围

优先检测14#前沿第一根桩14A，若此桩发现缺陷，则以该桩为中心扩大抽检范围，按照14B-13A-15A 的顺序进行；若还存在缺陷，依次继续扩大抽检范围。

2）梁板检测范围

外观检测范围：横梁HL13～HL15 外观；13 号至15 号排架间轨道梁、纵梁。

混凝土内部缺陷检测范围：优先检测HL14，若某桩段间的梁体外观完好且未发现内部缺陷，则检测终止；反之，则需扩大检测范围至HL13 和HL15。

2.2 桩基检测方案

本项目桩基为钻孔灌注桩，桩基设计直径1.35 m，桩长30 m。常规的灌注桩桩身完整性检测方法有预埋超声管、取芯、低应变三种方法，这三种方法均需在桩顶横截面设置击震点或安装相关传感器[3]，就本工程实际现状而言，由于需检测桩基的上部结构已施工完成，已没有可供检测用的桩顶操作面，因而传统检测方法已经不适用于本工程。

根据《港口码头结构安全性检测与评估指南》及《水运工程地基基础试验检测技术规程》，既有结构下桩的完整性检测，可采用桩侧切割安放传感器的小平台，进行竖向激振的方法进行。

1）测试方法

在桩顶以下70 cm 处沿桩身四周对称切割四个锲形槽,锲形槽布置见图5。在一个槽安放加速度传感器，用专用小锤敲击在相对应的另一个槽顶混凝土面进行竖向激振，形成一个低应变弹性压力波，弹性波向下行进时如遇到横截面积或材料质量发生变化，就会激发出上行反射波，这些信号同桩底反射信号一起返回到接收侧槽口，波信号经信号中心处理成数字信号并利用配套软件进行分析，可以确定桩身是否完整以及在何处出现了什么样的问题（如灌注桩的扩径、缩径、离析、孔洞、夹泥和打入式桩的断裂、损伤等）。

图5 桩身完整性检测测点布置示意图

2）评定完整性等级划分标准

依据《水运工程地基基础试验检测技术规程》，并参照有关标准，将桩身质量分为四类：

Ⅰ类：检测波波形无异常反射、波速正常、桩身完好。

Ⅱ类：桩身砼结构基本完整，存在轻微缺陷，对桩的使用没有影响。

Ⅲ类：桩身砼结构完整性介于Ⅱ类和Ⅳ类之间，一般存在明显缺陷，对桩的使用有一定影响。宜采用钻芯法或声波透射法等其它方法进一步判断或直接进行处理。

Ⅳ类桩：检测波波形严重畸变、桩身有严重缺陷或断桩。

Ⅰ、Ⅱ类桩为完整性合格桩，Ⅲ类、Ⅳ类桩均为完整性不合格桩，Ⅲ类桩一般需要设计单位复核承载力后提出是否进行处理的意见，Ⅳ类桩则必须进行工程处理。

2.3 梁系及面板检测方案

1）水上外观检测

对码头水上部分的外观质量进行检查，并记录缺陷状况。若存在外观缺陷，则对现有的外观缺陷进行拍照，并用钢尺测量裂缝长度和破损面积，用智能裂缝测宽仪测量裂缝最大宽度。

2）混凝土内部缺陷检测

测点布置：

在被测构件的一对平行（或等测试距离）的测试面上，布置超声测试区域，每处检测区域进行超声测点网格布置，测点间距为200 mm。

各超声波测点用透明黄油作耦合剂进行充分耦合，采用对测法，依次测出各对应测点的声时值并记录。

数据处理及判定：

根据混凝土内传播的声时值计算得出混凝土声速值，进而计算混凝土声速值的平均值、标准差和变异系数：

式中：

vi——第 i 对测点的声速值（i=1、2、3 … n）（km/s），精确至0.01 km/s；

vm——各测点声速值的平均值（km/s），精确至0.01 km/s；

Sv——各测点声速值的标准差（km/s）；

n ——测点数量；

δv——声速变异系数（%），精确至0.1 %。

将测区各测点的声速值由大到小按顺序排列，即：

将排在后面明显偏小的数据视为可疑，再将这些可疑数据中最大的一个（假定为vn）连同前面的数据按上式计算出平均值和标准差，根据下式计算出异常情况的判断值v0：

式中：λ1——修正系数。

将判断值v0与可疑数据中最大值vn相比较，如vn≤v0，则vn及排列于其后的各数据均为异常值，并且去掉vn，再用v1～vn-1进行计算和判断，直到判不出异常值为止；当vn＞v0时，应将vn+1放进去重新进行计算和判别。据此可以判断该区域是否存在异常点，即缺陷状况。

3 码头结构损害检测结论

3.1 桩

1）外观检查

本项目桩基采用钻孔灌注桩，桩基外壁由施工用钢护筒包覆，因而桩身未见表观裂缝，桩基表观缺陷主要表现为，14A 桩头与横梁连接处混凝土受扭碎裂，碎裂面积为50 cm×10 cm。

2）桩身完整性

根据检测顺序，首先对14A，13A 及15A 三根桩基，采用侧切割锲形槽法进行低应变桩基完整性检测，每根桩分别进行了4 组完整性检测测试实验，实验完成后对相关波形进行分析，经判别所检测的3 根桩均为Ⅰ类桩[4]。桩基检测典型波形图见图6。

图6 14A 低应变检测波形图

3.2 横梁

1）外观检测

梁系外观检测首先对HL13 和HL14 开展。

HL13 主要缺陷为：轨道梁至码头后沿方向第一榀纵梁间：下横梁西侧共计2 条裂缝，其中最大裂缝长度为169 cm，最大裂缝宽度为0.11 mm；下横梁东侧共计1 条裂缝，裂缝长度L=181 cm，最大裂缝宽度W=0.11 mm。

HL14 主要缺陷为：从北端往南300 cm 范围内混凝土破损露筋，钢筋变形，钢筋与混凝土之间粘结力破坏。轨道梁至码头后沿方向第一榀纵梁间：下横梁西侧共计14 条裂缝，其中最大裂缝长度为180 cm，最大裂缝宽度为0.43 mm；上横梁西侧共计9 条裂缝，其中最大裂缝长度为200 cm，最大裂缝宽度为0.48 mm；上横梁东侧共计5 条裂缝，其中最大裂缝长度为 200 cm，最大裂缝宽度为0.32 mm；上横梁底部共计7 条裂缝，其中最大裂缝长度为170 cm，最大裂缝宽度为0.28 mm。

图7 HL14 混凝土表观损害示意图

HL13、HL14 检查完成后，对临近的HL12 和HL15 进行了检查，未发现外观可见损害。

2）混凝土内部缺陷检测

横梁混凝土内部缺陷检测对于肉眼可见混凝土碎裂区域进行了分区，其中混凝土裂缝宽度小于5.0 mm 的开展内部缺陷检测，对于混凝土裂缝宽度大于5.0 mm 的区域，由于混凝土表观裂缝严重影响超声波的发射与收取，人为判断内部存在缺陷。根据横梁裂缝实际情况，此次横梁检测范围主要集中在HL13 横梁13A～13D 段及HL14 横梁14A～14D段，经测试相关检测部位超声波形较好，被测试区域混凝土声速在4.560 km/s～4.880 km/s 之间[4]，且声速值的离差系数均较小（2 %），被测试构件混凝土内部质量密实性良好，未发现明显缺陷。

3.3 纵梁

1）外观检测

通过对HL12 与HL15 间纵梁外观检测后发现，纵梁损害主要发生在HL12 排架与HL13 排架间，主要表现为混凝土表面受拉开裂。本项目码头共布置6 榀纵向梁系，在HL12 与HL13 间的纵梁均出现了表观拉裂，其中最大裂缝长度为150 cm，最大裂缝宽度为0.81 mm。

2）混凝土内部缺陷检测

对所涉及到的纵向梁系进行了混凝土内部探伤检测，相应检测部位超声波形较好，被测试区域混凝土声速在4.580 km/s～4.900 km/s 之间，且声速值的离差系数均较小（2%），被测试构件混凝土内部质量密实性良好，未发现明显缺陷。

4 检测结论及修复建议

4.1 检测结论

本项目码头结构在超等级船舶的意外撞击下发生了局部损害，由于船舶瞬间撞击力较大，使得码头横梁HL14 前端瞬间发生混凝土弯曲破坏，从而吸收了绝大部分撞击能量，避免了码头整体结构损害的进一步发展，通过对桩基、混凝土梁系的外观和内部检测可知，码头结构损害仅在小范围内发生，码头受损程度有限，不影响整体结构的安全和耐久性。

4.2 修复建议

目前常用的码头结构修复方法有以下几种[5]：1）列席灌浆修补法；2）外包混凝土加固法；3）高分子聚合物砂浆涂抹法；4）外贴高强纤维材料或钢板加固法；5）纤维混凝土加固法；6）喷射砂浆法；7）更换法；8）体外预应力混凝土法等。合理的修复方案应根据项目的设计条件、使用条件、施工条件等综合确定，本项目主体结构施工尚未完成，主要施工设备机具仍在施工现场，且码头尚未移交，因而采用更换法最为合适。根据码头结构检测结论，仅HL14 前端由于混凝土受扭损害严重，其余部分构件均表现为表观裂缝，因而推荐对HL14 前端进行更换，对其余部分采取高分子聚合物砂浆封闭裂缝的修复方案。