高桩码头结构整体耐久性简易评估方法

高桩码头结构整体耐久性简易评估方法
詹广才
【摘要】针对高桩码头结构整体的耐久性评定方法,进行系统性的研究和论述.采用非线性有限元作为计算工具,基于当前比较成熟的钢筋混凝土材料耐久性的衰退模型,得出一种简易的高桩码头整体耐久性的评估方法.%The paper gives a systematic explanation and research on the whole structural durability assessment of high pipe dock.Based on the mature study for the durability of reinforced concrete structure in material,the paper develops a three-dimensional solid finite element model for research.The model which is used for simple durability evaluation of the whole structure,works out the structure internal force responses and deformation.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2017(000)007
【总页数】5页(P113-117)
【关键词】高桩码头结构;材料衰减;承载力;结构变形;耐久性;评估
【作者】詹广才
【作者单位】中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广东广州510230
【正文语种】中文
【中图分类】U656.1+13
目前对于钢筋混凝土材料层次和构件层次的耐久性研究比较成熟，但对于结构整体的耐久性评估尚没有具体的规范对其进行评定[1]，对于港口工程中耐久性比较差的高桩码头[2-4]更加亟待提出一种简单实用的整体结构耐久性评估方法。

当前,对于钢筋混凝土结构耐久性的分析方法主要有:可靠度分析方法[5]、不确定数学分析法[6-7]、传统专家经验法[8]等。

其中，可靠度分析方法和不确定数学分析方法对于数学的要求极高，普通的工程设计人员难以达到并用于实际；专家经验法难以对结构整体的耐久性进行系统准确的评估。

本文依托国内外比较成熟的钢筋混凝土材料及构件的耐久性研究成果，并结合我国海港码头的相关规范[9-11]，通过工程中比较常用的有限元分析，将结构构件的承载力和变形作为表征结构耐久性的评定指标，提出结构整体的耐久性评定体系。

本文采用以钢筋混凝土材料耐久性为基点，将钢筋混凝土的材料性能随时间的衰减进行时间点的离散；在单个离散的时间点，分析当前材料衰减的情况下，结构各主要构件的承载力衰减度以及相对满足正常使用要求的变形衰减度；再将单个离散时间点的构件承载力衰减度和变形衰减度进行时变包络汇总，得到设计寿命范围内的时变衰减度包络曲线，即为整个结构的全寿命耐久性评定曲线。

最后当衰减度小于1时，即可认为结构当前已经无法满足使用要求。

本工程1个结构段共7个横向排架，相邻排架间距为7.4 m，码头结构端有0.6 m 的悬臂段；码头横向宽度为14.5 m，海侧门机梁下设双直桩，陆侧门机纵梁下设双叉桩；普通纵梁和门机轨道梁取相同尺寸，纵梁高为1.2 m；横梁下部梁宽1.2 m、高0.8 m。

横梁上部高1.2 m、宽0.6 m；桩基采用0.6 m的预制方桩，叠合式面板厚度为0.4 m。

断面见图1。

本文采用solid65模拟结构的纵梁、横梁以及面板的混凝土结构；用link8模拟门机轨道梁和普通纵梁的上部、下部受拉钢筋；面板的配筋以及纵梁、横梁的构造钢筋均采用solid65自带的配筋率进行模拟；用beam189模拟码头的桩基础以及悬
臂梁式的双层靠船构件，桩的配筋和靠船构件的配筋通过折合的弹性模量附给beam189单元，所有的材料属性都考虑材料非线性[12]。

有限元模型见图2。

根据比较成熟的钢筋耐久性研究成果[13-16],得出主要受力钢筋的钢筋锈蚀率以及钢筋屈服强度随时间的变化(表1)。

本文用各主要受力构件的极限承载力状态下的表征参数与最不利荷载作用状态下相应构件的表征参数的比值来表示构件的承载力衰减度和正常使用变形的衰减度。

其中，纵梁的极限状态为上部混凝土达到极限压应力或者下部钢筋达到极限拉应力状态；横梁的极限状态以梁的位移-荷载曲线进行判定。

在分析各个受力构件时，在各构件上施加产生最大内力的相应最不利荷载组合，并以此为荷载增量的初始受力状态，通过不断的累加荷载，最终使结构整体破坏，得到极限状态下相应的构件表征值。

各构件的承载力表征参数为相应状态下受力钢筋的应力值或者弯矩值。

纵梁最不利荷载作用下的钢筋应力用fS表示，当前结构构件承载力极限状态下的钢筋应力用fR表示；横梁最不利荷载作用下的跨中弯矩值用MS表示，承载力极限状态下横梁的跨中弯矩值为MR；结构的承载力耐久性评定指标用DA表示(图3)。

当前结构构件变形极限状态下的钢筋应力用fRU表示；变形极限状态下横梁的跨中弯矩值为MRU；l0为梁的计算跨度；结构的变形耐久性评定指标用DS表示(图4)。

根据门机轨道纵梁、普通纵梁和横梁的构件承载力耐久性指标(表2)，得出三者承载力时变耐久性曲线的汇总结果(图5a))，并最后得出码头结构所有受力构件的承载力耐久性最小值包络曲线(图5b))，即码头结构整体的承载力时变耐久性评定曲线。

根据门机轨道纵梁、普通纵梁和横梁的变形耐久性指标(表3)，得出三者变形耐久性曲线的汇总结果(图6a))，并最终得出码头结构所有受力构件的变形耐久性最小
值包络曲线(图6b))，即码头结构整体的变形时变耐久性评定曲线。

根据图6，将两条曲线进行汇总(图7a))，做出两条曲线的最小值包络曲线(图7b))，即为高桩码头结构整体的时变耐久性评定曲线，并以码头的耐久性评定指标为1
作为码头结构整体破坏的标准。

通过图7可知，在使用年限内，结构的承载力和变形不断衰减；在接近使用年限时，码头的变形和耐久性都急速下降，本文算例中的结构最终因承载力不足而发生破坏。

1)对比国内外的各类钢筋混凝土材料耐久性研究文献，找到一种比较适合港口工程结构的钢筋混凝土材料耐久性评估方法。

2)以钢筋混凝土材料耐久性为依托，通过对三维结构中结构的承载力和变形进行研究，提出一种简易的钢筋混凝土结构整体的耐久性评估系统。

该方法比较巧妙的将结构整体的耐久性评定这个比较抽象难以具体化的问题，量化成结构承载力衰减评定和结构的变形衰减评定。

该方法和实际的工程相结合，不再是以高深的数学理论研究和繁杂理论计算为主体，便于普通工程设计人员掌握和运用，对当前结构整体的耐久性评定指明了新的方向。

3)算例比较合理地评估出某现役码头的结构耐久性随时间的变化，证明了本文方法的可行性。