探究船舶撞擊對碼頭結(jié)構(gòu)耐久性影響論文
0引言
港口作為國際經(jīng)濟(jì)文化合作交流的窗口和交通運輸?shù)臉屑~，對促進(jìn)資源全球性調(diào)動配置以及區(qū)域發(fā)展發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。我國海岸資源豐富，是世界上海岸線最長的國家之一。改革開放以來，隨著中國經(jīng)濟(jì)開放度不斷提升，對外貿(mào)易不斷增長，我國港口行業(yè)迎來新一輪的高速發(fā)展，全國港口貨物吞吐量已連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一。
我國港口絕大部分為混凝土結(jié)構(gòu)的碼頭，由于常年處在海水環(huán)境之中，其耐久性問題比在大氣環(huán)境下更加復(fù)雜、嚴(yán)峻。目前，國內(nèi)外對碼頭結(jié)構(gòu)耐久性的研究主要集中在混凝土炭化、Cl-侵蝕、凍融破壞、堿-集料反應(yīng)和鋼筋銹蝕等因素上，鮮有從外部荷載出發(fā)研究其與耐久性之間的關(guān)聯(lián)性。隨著港口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，碼頭結(jié)構(gòu)所承受的船舶撞擊荷載對耐久性能造成的不良影響日益凸顯。本文從船舶撞擊荷載引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷入手，分析總結(jié)船舶撞擊作用對碼頭結(jié)構(gòu)耐久性的影響原理。
1船舶撞擊問題研究方法現(xiàn)狀
1.1經(jīng)驗公式法
自20世紀(jì)60年代起，各國學(xué)者對船舶撞擊問題展開研究，目前國際上應(yīng)用較為廣泛的有Woisin公式、AASHTO規(guī)范公式、Pedersen公式和Heins-Derucher理論等。由于這些公式參數(shù)設(shè)置簡單、計算方便，所以被廣泛應(yīng)用于工程實際中。但船舶碰撞問題是十分復(fù)雜的問題，而這些簡化公式本質(zhì)上屬于靜力加載狀態(tài)下經(jīng)過部分修正而得到的經(jīng)驗公式，不能夠反映船舶與碼頭結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞時的經(jīng)時特性。此外，這些公式?jīng)]有全面考慮船舶質(zhì)量、撞擊速度、撞擊角度和載重量等多種因素的影響，存在一定的局限性，使計算結(jié)果或多或少偏離實際情況，導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計很難達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)。
1.2有限元仿真分析法
隨著計算機仿真技術(shù)的高速發(fā)展，通過有限元軟件可以建立精細(xì)化的船舶-碼頭有限元模型。在保證模型正確和計算控制合理的前提下，可以完整地反映撞擊過程中船舶與碼頭結(jié)構(gòu)的碰撞力、變形、接觸情況和能量分配等物理量的經(jīng)時變化，得到精度較高的計算結(jié)果，為研究船舶撞擊碼頭結(jié)構(gòu)提供行之有效的辦法。范云生等通過應(yīng)用ANSYS軟件中的LS-DYNA模塊，建立船舶-碼頭結(jié)構(gòu)-地基土的三維有限元模型，模擬船舶在不同影響因素下撞擊高樁碼頭的瞬態(tài)過程，得到不同工況下的撞擊變化規(guī)律，以完成非線性動力響應(yīng)的計算。
雖然有限元分析法可以就具體的問題進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值動態(tài)分析，獲取與實際情況相符的計算結(jié)果，但這是以能夠建立正確合理且能真實反映碼頭實際狀態(tài)的有限元模型為基礎(chǔ)的。所以，仿真難度還是很大的：一是建模過程中的簡化假設(shè)與實際情況有較大的區(qū)別;二是為了得到更為精確的模擬結(jié)果，需要建立足夠精細(xì)化的船舶模型，這需要分析者具備相應(yīng)的知識儲備。此外，利用有限元分析法研究船舶撞擊問題目前多應(yīng)用于橋梁行業(yè)中，在港口行業(yè)中的應(yīng)用還需要更多學(xué)者繼續(xù)探索。
1.3試驗分析法
通過試驗分析，可以為經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬提供輔助驗證依據(jù)，并且可以直接監(jiān)測到船舶與碼頭結(jié)構(gòu)碰撞過程中各物理要素的經(jīng)時變化，是1種有效的研究手段。因此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行許多模擬試驗。李焱等以某25萬噸級礦石碼頭為例，分別在單流、單流和浪流共同作用下，進(jìn)行系泊船舶撞擊力和系纜力試驗，分析在單因素和多因素情況下的船舶運動和動力情況。但是，一般船舶-碼頭原型試驗耗資巨大，可行性低，而縮尺試驗很難滿足模型與真實船型的比例關(guān)系，并且各式船型和碼頭結(jié)構(gòu)細(xì)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，試驗分析具有一定的局限性。
2船舶撞擊荷載對碼頭結(jié)構(gòu)損傷的影響
碼頭結(jié)構(gòu)在營運期間承受的荷載組合復(fù)雜，除了上部結(jié)構(gòu)自重荷載、使用荷載、海水靜載及波浪往復(fù)荷載等外，還會承受由于船舶運動產(chǎn)生的撞擊力和系纜力，雖然這些作用的頻率較小，但是其產(chǎn)生的應(yīng)力幅值卻非常大。因此，對船舶撞擊引起的碼頭結(jié)構(gòu)損傷應(yīng)格外重視。
2.1船舶撞擊荷載對結(jié)構(gòu)的損傷
碼頭結(jié)構(gòu)的損傷形式多種多樣，船舶撞擊造成的損傷主要包括：一是撞擊荷載直接引起的裂縫，尤其是像船舶撞擊這種疲勞荷載會加速裂紋擴(kuò)展，損傷能力更強;二是由于船舶撞擊引起結(jié)構(gòu)的局部位移變形，使結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生附加應(yīng)力，并隨位移變形的發(fā)展不斷積累而增大，當(dāng)應(yīng)力超過極限強度時，就會間接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。
2.2船舶撞擊荷載對結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展的影響
船舶反復(fù)撞擊碼頭使混凝土內(nèi)部損傷逐漸積累，結(jié)構(gòu)的裂紋發(fā)展從萌生、擴(kuò)展、連通到失效破壞。鐘銘等通過等幅疲勞荷載試驗，研究影響高強混凝土梁疲勞裂縫寬度的主要因素，并根據(jù)初始裂縫寬度和受壓區(qū)混凝土應(yīng)變增長系數(shù)建立疲勞荷載作用下高強混凝土梁的裂縫寬度計算公式，可以準(zhǔn)確地預(yù)測高強混凝土梁全壽命周期內(nèi)的裂縫寬度發(fā)展規(guī)律。
但是，由于運營期間船舶撞擊荷載各要素的隨機性和不確定性以及碼頭材料的非完全均質(zhì)性和結(jié)構(gòu)層次的模糊性，實際情況的疲勞裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象具有相當(dāng)?shù)碾x散性。鄒小理提出將隨機過程理論與傳統(tǒng)斷裂力學(xué)結(jié)合起來，建立隨機荷載下疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的統(tǒng)計模型，有效地表征實際工程結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展過程。
3船舶撞擊荷載對碼頭結(jié)構(gòu)耐久性的影響
3.1單一影響因素下的碼頭結(jié)構(gòu)耐久性
港口碼頭一般多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于其特殊的服役要求，常年處于多變復(fù)雜的外界環(huán)境中，多種因素可能會對其耐久性產(chǎn)生較大影響。對于近海海洋環(huán)境，總結(jié)已有的.研究成果，發(fā)現(xiàn)影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最主要的因素有混凝土的炭化、Cl-擴(kuò)散和鋼筋銹蝕等。
混凝土炭化是指水泥石中的水化產(chǎn)物與環(huán)境中的CO2發(fā)生反應(yīng)，這一過程改變混凝土的物理化學(xué)性質(zhì)。炭化反應(yīng)生成的主要產(chǎn)物CaCO3為不溶性鈣鹽，當(dāng)炭化不是很嚴(yán)重時，可以填充混凝土部分孔隙，使混凝土的密實度和強度有所提高;當(dāng)炭化進(jìn)一步加劇后，其產(chǎn)物在混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生不可忽視的膨脹應(yīng)力，進(jìn)而損傷混凝土結(jié)構(gòu)。另一方面，炭化過程降低混凝土的pH值，使內(nèi)部的鋼筋脫鈍，引發(fā)鋼筋銹蝕。
正常混凝土是呈強堿性的，能夠使內(nèi)部鋼筋周圍包裹1層致密的鈍化膜，阻止鋼筋與外部環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，保護(hù)鋼筋不被銹蝕。由于碼頭長期處于高氯環(huán)境中，Cl-能夠輕松通過混凝土孔隙進(jìn)入到鋼筋表面。當(dāng)鋼筋表面Cl-濃度達(dá)到一定閾值時，致密的鈍化膜就會遭到破壞。楊蔚為等通過對不同炭化深度下的Cl-擴(kuò)散系數(shù)測定的試驗進(jìn)行研究分析，得到炭化對于Cl-擴(kuò)散存在正反兩方面的影響：一方面，炭化增加混凝土密實度，阻礙Cl-擴(kuò)散;另一方面，炭化增加混凝土內(nèi)毛細(xì)孔數(shù)量且增加自由Cl-含量，促進(jìn)Cl-擴(kuò)散。在實際情況中，炭化對于Cl-擴(kuò)散系數(shù)的影響效應(yīng)取決于哪一方面的作用更具主導(dǎo)性。
在鈍化膜被破壞后，混凝土中鋼筋的銹蝕開始進(jìn)入第2階段———電化學(xué)腐蝕，反應(yīng)生成大量Fe(OH)2，進(jìn)而與O2又反應(yīng)生成Fe(OH)3，最后變成疏松的紅銹，體積膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，使混凝土保護(hù)層開裂，O2以及水分和Cl-等更加容易大量進(jìn)入混凝土內(nèi)部，鋼筋銹蝕進(jìn)一步加劇，結(jié)構(gòu)最終完全被破壞。
3.2船舶撞擊作用下的碼頭結(jié)構(gòu)耐久性分析
如果就單一因素影響而言，國內(nèi)外學(xué)者的研究較為廣泛，研究的結(jié)論合理成熟。但是，在船舶撞擊作用下混凝土結(jié)構(gòu)劣化損傷的過程要復(fù)雜得多，尚需要進(jìn)一步的探討研究。金祖權(quán)等[7]通過快速炭化試驗發(fā)現(xiàn)混凝土炭化深度隨荷載(率)的增大而增加，即在施加荷載后，混凝土的抗炭化能力顯著劣化。另有研究表明，在混凝土炭化早期并且外界荷載不足以使結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋的時候，作用在碼頭混凝土結(jié)構(gòu)上的壓荷載可以使混凝土內(nèi)部更加緊實，在一定程度上有效地阻止環(huán)境中的CO2進(jìn)入并在孔隙中存留，抑制炭化進(jìn)程。所以，實際情況的船舶撞擊作用對碼頭結(jié)構(gòu)炭化的影響是具有階段性的，并且船舶撞擊力和吸能裝置在碰撞過程中的時變特性也增加炭化過程的復(fù)雜性。
一些日本學(xué)者通過測定經(jīng)受不同幅值應(yīng)力和次數(shù)的循環(huán)壓荷載后的混凝土導(dǎo)電量，發(fā)現(xiàn)在靜載條件下，即使幅值荷載水平達(dá)到90%的極限強度，混凝土導(dǎo)電量變化也并不明顯，但在循環(huán)荷載作用下，當(dāng)幅值荷載水平達(dá)到60%~80%的極限強度時，混凝土導(dǎo)電量會有明顯變化;當(dāng)幅值荷載水平小于極限應(yīng)力的50%時，導(dǎo)電量的變化也很微弱。通過測定電通量反映混凝土的Cl-滲透性，進(jìn)而對比分析出靜態(tài)和循環(huán)壓荷載對混凝土中Cl-滲透性的影響。另有一些日本學(xué)者采用內(nèi)部掏空的混凝土試件，在試件內(nèi)注入氯鹽溶液，進(jìn)行不同應(yīng)力水平的循環(huán)壓荷載作用下混凝土中Cl-滲透性試驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著荷載水平不斷提高，Cl-在混凝土中的擴(kuò)散深度和濃度分布逐漸增加，但在荷載水平小于0.6fc(混凝土標(biāo)準(zhǔn)極限抗壓強度)時，Cl-參透性變化并不大;當(dāng)荷載水平大于0.6fc時，Cl-滲透性顯著提高。此外，陳偉等通過快速炭化試驗發(fā)現(xiàn)Cl-擴(kuò)散系數(shù)在荷載水平較小階段會有顯著下降趨勢，而在荷載水平達(dá)到60%fc以上時，呈現(xiàn)陡增的變化過程。這是因為混凝土中原本存在的孔隙或者微裂紋在低荷載水平壓縮狀態(tài)下可能會閉合，一定程度上抑制了Cl-的侵入，這個階段實質(zhì)上是荷載所引起的孔隙率變化對Cl-擴(kuò)散的影響。當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到一定級別時，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生新的裂紋并貫通成型后，裂縫則是Cl-擴(kuò)散滲透的主要因素。
4工程實例分析
根據(jù)已有的實測資料，整理出幾座高樁碼頭的損傷檢測資料
這些碼頭的裂縫、鋼筋銹蝕及外露等損傷的位置幾乎都是在承受主要荷載的構(gòu)件上，可見船舶撞擊等荷載對碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響還是很大的。
混凝土結(jié)構(gòu)一般在一定程度內(nèi)都是允許帶裂縫工作的，當(dāng)超過一定限值后需要進(jìn)行補修加固處理。針對上述碼頭中的蕪湖港某碼頭，根據(jù)其劣化現(xiàn)狀、營運要求以及碼頭結(jié)構(gòu)加固規(guī)范，確定裂縫修補寬度限制。
可以通過壓力將結(jié)構(gòu)膠液灌注到裂縫內(nèi)，漿液固化后將填充裂縫孔隙，阻止外界腐蝕介質(zhì)繼續(xù)侵入，并且將損傷的混凝土重新黏結(jié)成1個整體，提高受力性能，從而保證結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。同時，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計也需要為后續(xù)的檢修和加固設(shè)置相關(guān)設(shè)施，改善運維條件。
5結(jié)語
船舶撞擊荷載雖然頻率很小，但是，應(yīng)力幅值卻很大。它對碼頭結(jié)構(gòu)的損傷規(guī)律，尤其是船舶撞擊作用下的耐久性劣化機理必須由國內(nèi)外學(xué)者去探索研究。
(1)目前針對船舶撞擊問題的研究成果大多是基于靜力加載條件所得到的，與實際情況不相符�？紤]動力響應(yīng)的仿真分析是很好的研究方法，但怎樣建立與實際情況相吻合的模型和精確控制計算是難點，并且目前在港口行業(yè)中應(yīng)用較少，需要今后深入探索。
(2)船舶撞擊碼頭結(jié)構(gòu)的損傷主要包括撞擊直接產(chǎn)生的裂紋以及撞擊后結(jié)構(gòu)位移導(dǎo)致應(yīng)力重分布而產(chǎn)生的間接裂紋。但由于船舶撞擊荷載各要素的不確定性和隨機性，在實際情況中裂紋擴(kuò)展結(jié)果有很大的離散性�？茖W(xué)建立疲勞裂紋擴(kuò)展模型是值得研究的課題，并且可為碼頭消能設(shè)施的設(shè)計和耐久性設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。
(3)單因素的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究已經(jīng)相對成熟，但是，基于船舶撞擊碼頭結(jié)構(gòu)的耐久性問題更加復(fù)雜。對于撞擊荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響因素(炭化、Cl-擴(kuò)散等)的影響規(guī)律，一是現(xiàn)有的研究較少并各成一派，二是大部分研究是在脫離近海工程實際的工況下進(jìn)行的。
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