码头水工建筑物结构耐久性研究及健康监测

2023-12-16李灿

河南水利与南水北调 2023年9期

李灿

（江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏苏州 215103）

1 影响水工建筑物结构耐久性的因素

1.1 工作环境

化学伤害、混凝土碳化等因素会导致水工建筑结构耐久性的降低。依据工作的环境科学地对混凝土结构形式、构造和原材料等方面进行选择，把控好混凝土施工的过程，确保施工质量，达到提升水工建筑物结构的耐久性。主要对建筑物结构所处地区的水文地质条件等环境因素进行监测，结合相关规定，确定建筑物工作环境的类别，为后续的各项工作提供重要依据。

1.2 结构设计

通过研究表明，对建筑物的结构及尺寸等进行科学的设计与调整，对水工建筑物结构的质量，特别是耐久性具有一定的影响。依据地基基本承载能力、荷载分布等因素设立永久缝，可以有效预防水工建筑结构裂缝的产生。合理设计钢筋保护层的厚度，有效的提升水工建筑结构的耐久性能。确定了整体结构强度等级后，在综合多方面因素后设计出钢筋保护层的厚度，厚度的设计要满足建筑物结构耐久性的相关技术要求。

1.3 材料及施工质量

在施工的过程中，如果对混凝土的配比出现严重偏差，会使混凝土的质量严重下降，容易出现裂缝，影响施工进程。原材料包括胶凝材料、骨料、外加剂等。在胶凝材料的选择上，码头的水工建筑物处于经常受水流冲刷，会经历寒冷恶劣气候的区域，适合选用高强度的中、低热水泥。选择清洁程度高、质地坚硬、质量较高的骨料会对水工建筑物的抗耐性产生重大影响。各种原材料在使用之前都应经过严密检查，合格后方可投入使用。

2 混凝土结构耐久性的评估方法及评估指标

2.1 耐久性的评估方法

2.1.1 劣化速度法

劣化速度法是一种用来估计建筑物寿命的方法，基于实际测试数据，通过分析建筑物在使用中的损坏速率，预测建筑物将来可能出现损坏的时间点，用耐久性系数K’n来表示K’n=Ts/Tm，其中Ts为实际剩余耐久年限；Tm为目标使用年限。建筑结构物在自然环境下，当其一半以上结构物面积处于影响耐久性的腐蚀状态，且通过维修及部分更换也无法恢复设定的工作性能时，就认为达到了耐久性的极限，剩余耐久年限就是到达了这种极限所剩余的时间。

2.1.2 劣化度法

劣化度法是根据混凝土结构在使用过程中的劣化程度评估其耐久性的状况。这种方法主要通过对混凝土结构进行检测，获取样本数据，然后进行分析，得出混凝土建筑的劣化速率，用剩余耐久系数Kh来表示，即Kh=Ts/Tc，其中Tc为设计寿命。这种评估方法实际上反映了建筑物目前耐久性的状态，是对建筑物破损状态的评估。

以上两种对建筑物耐久性评估的方法在实际应用中，可以按照自身的情况选择评估方法。

2.2 耐久性的评估指标

水工建筑物结构耐久性的评估指标主要有混凝土碳化、裂缝、冻融、地基损坏及其他因素。主要对前两种指标进行分析。一是混凝土碳化。为了了解碳化对建筑物耐久性的影响，可以使用如下的评估方法：定义Kx=1-0.9（Dmax/R）2；其中Kx为劣化系数，R为混凝土保护层厚度，mm；Dmax为最大碳化深度，mm。二是裂缝。裂缝的出现会导致钢筋腐蚀速度的加剧，各种气体及水分会通过裂缝进入混凝土内部并发生碳化反应。码头水工建筑物所处的自然环境相对较复杂，裂缝的存在将导致建筑物内外水分和渗漏沿着裂缝进入建筑物的内部，从而引起腐蚀和损伤；还可能使结构的强度受损，减少建筑物的抗震及承载能力。

码头水工建筑物所在的自然环境比较复杂，与水接触的面积较大。一旦开裂达到一定程度，就会加快钢筋的腐蚀速度，影响建筑的安全和使用寿命。研究表明，裂缝的宽度对建筑结构的耐久性有一定的影响。

3 提高混凝土耐久性有效措施

3.1 使用高性能混凝土提高建筑物耐久性

抵抗海水对混凝土结构的腐蚀性，专家建议可选择高效外加剂与粉体技术来提高混凝土的性能。研究表明，选用在混凝土中加入大掺量磨细矿渣粉的技术，可以有效提升水工混凝土建筑结构的耐久性。矿渣粉可以有效提升混凝土的综合性能，有效延缓混凝土内Cl-的渗透性，一定程度上保护钢筋免受腐蚀的作用。为了提高码头水工建筑结构的耐久性可以选用大掺量磨细矿渣粉混凝土技术。

3.2 提高水工建筑物耐久性的其他措施

一是增加混凝土保护层厚度。经研究表明，在其他外在条件相同的情况下，混凝土保护层的厚度增加时，混凝土耐碳化年限会升高；有效推迟钢筋失钝的时间。由此可知，可以通过增加混凝土保护层的厚度来提升混凝土结构耐久性。二是控制建筑物的沉降量。码头水工建筑由于建立在淤泥较厚的软基上，比较容易出现大幅度沉降及沉降不均匀的现象。这种现象容易使结构出现裂缝，导致钢筋结构的腐蚀程度加剧。在具体的施工过程中，可以建立合理的地基设计方案与施工技术，确保地基的稳定性和均匀性，采用加固或加厚地基的方法，以提高地基的承载力和抗沉降能力。三是强化混凝土养护。通过工程实践对比发现，对建筑物进行保湿养护可以有效减少裂缝的产生。由于混凝土结构位于码头，海风比较大，长时间的风吹容易使一些保养不到位的部位出现裂缝。

4 水工建筑物结构健康监测

4.1 健康监测系统的构成

为了对建筑物结构进行健康监测，可以在建筑物的节点上安装能够检测到信号的传感器节点。通过传感器节点对相关数据进行收集，通过对数据的分析可以有效反映出该建筑物结构的健康状况。数据采集完成后，需要通过无线通信将数据回传给汇聚节点，通过对基站接收到的数据进行汇总分析，从而实现对建筑物结构的实时监测。

4.2 建筑物结构健康监测系统硬件设计

建筑物结构健康监测系统的硬件由传感器节点及汇聚节点构成。传感器由ADXL202 双轴加速度传感器、NRF24L01无线收发器及MSP430F149 单片机构成。ADXL202 使用低电压供电，能量消耗少，工作电流较小，可以抵抗1 000 g 的冲击。NRF24L01 无线收发器具有电流能耗较低、频率范围较大等特点。MSP430F149 单片机是一种能耗较低的混合信号处理器，电压使用1.8-3.6 V 低电压。汇聚节点由微处理器、无线收发、电源三个模块构成。汇聚节点需要长期的电源支持，可以使用外接交流电和锂电池共同工作的供电设计。

4.3 建筑物结构健康监测系统软件设计

无线传感器网络通信协议在保证安全的情况下，可以使用停等协议及16位冗余校验码（CRC-16），以实现数据传送时差错的校验。在系统最前端工作的传感器节点无法持续供电，所以节电的能耗就尤为重要。传感器节点的电池电量是有限的，所以节点分为工作及休眠两种状态，需根据电池的电量及相应的计算来进行分配。

4.4 现场数据采集模块

建筑物的健康监测包含两个部分：结构监测及环境监测。在实际应用中，会依据不同建筑物的特点及规定布置对应的结构监测及环境监测传感器。以HC-G50激光测距传感器为例，该传感器的测量距离更为精确，测量范围为0.20～50 m，分辨率为0.10 mm。现场的计算机负责接入传感器信号，并根据不同传感器特点完成数据的采集及储存。