探究船舶撞擊對(duì)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(yùn)輸?shù)臉屑~，對(duì)促進(jìn)資源全球性調(diào)動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(yàn)公式法
自20世紀(jì)60年代起，各國學(xué)者對(duì)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(jì)算方便，所以被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)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(yàn)公式，不能夠反映船舶與碼頭結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞時(shí)的經(jīng)時(shí)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(jì)算結(jié)果或多或少偏離實(shí)際情況，導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)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(shí)變化，得到精度較高的計(jì)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(dòng)力響應(yīng)的計(jì)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(dòng)態(tài)分析，獲取與實(shí)際情況相符的計(jì)算結(jié)果，但這是以能夠建立正確合理且能真實(shí)反映碼頭實(shí)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(shí)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(shí)儲(chǔ)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(yàn)分析法
通過試驗(yàn)分析，可以為經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬提供輔助驗(yàn)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(shí)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(yàn)。李焱等以某25萬噸級(jí)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(yàn)，分析在單因素和多因素情況下的船舶運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力情況。但是，一般船舶-碼頭原型試驗(yàn)耗資巨大，可行性低，而縮尺試驗(yàn)很難滿足模型與真實(shí)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(yàn)分析具有一定的局限性。
2船舶撞擊荷載對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)損傷的影響
碼頭結(jié)構(gòu)在營運(yùn)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(huì)承受由于船舶運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(huì)加速裂紋擴(kuò)展，損傷能力更強(qiáng);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(qiáng)度時(shí)，就會(huì)間接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。
2.2船舶撞擊荷載對(duì)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(yàn)，研究影響高強(qiáng)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(qiáng)混凝土梁的裂縫寬度計(jì)算公式，可以準(zhǔn)確地預(yù)測高強(qiáng)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(yùn)營期間船舶撞擊荷載各要素的隨機(jī)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(shí)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(jī)過程理論與傳統(tǒng)斷裂力學(xué)結(jié)合起來，建立隨機(jī)荷載下疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的統(tǒng)計(jì)模型，有效地表征實(shí)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(duì)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(huì)對(duì)其耐久性產(chǎn)生較大影響。對(duì)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(shí)，可以填充混凝土部分孔隙，使混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)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(huì)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(qiáng)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(shí)，致密的鈍化膜就會(huì)遭到破壞。楊蔚為等通過對(duì)不同炭化深度下的Cl-擴(kuò)散系數(shù)測定的試驗(yàn)進(jìn)行研究分析，得到炭化對(duì)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(shí)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(shí)際情況中，炭化對(duì)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(yàn)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(shí)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(shí)，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(shí)際情況的船舶撞擊作用對(duì)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)度時(shí)，混凝土導(dǎo)電量會(huì)有明顯變化;當(dāng)幅值荷載水平小于極限應(yīng)力的50%時(shí)，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(duì)比分析出靜態(tài)和循環(huán)壓荷載對(duì)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(yàn)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(qiáng)度)時(shí)，Cl-參透性變化并不大;當(dāng)荷載水平大于0.6fc時(shí)，Cl-滲透性顯著提高。此外，陳偉等通過快速炭化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Cl-擴(kuò)散系數(shù)在荷載水平較小階段會(huì)有顯著下降趨勢，而在荷載水平達(dá)到60%fc以上時(shí)，呈現(xiàn)陡增的變化過程。這是因?yàn)榛炷林性敬嬖诘目紫痘蛘呶⒘鸭y在低荷載水平壓縮狀態(tài)下可能會(huì)閉合，一定程度上抑制了Cl-的侵入，這個(gè)階段實(shí)質(zhì)上是荷載所引起的孔隙率變化對(duì)Cl-擴(kuò)散的影響。當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到一定級(jí)別時(shí)，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(shí)例分析
根據(jù)已有的實(shí)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(duì)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(bǔ)修加固處理。針對(duì)上述碼頭中的蕪湖港某碼頭，根據(jù)其劣化現(xiàn)狀、營運(yùn)要求以及碼頭結(jié)構(gòu)加固規(guī)范，確定裂縫修補(bǔ)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(gè)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(shí)，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)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(duì)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(jī)理必須由國內(nèi)外學(xué)者去探索研究。
(1)目前針對(duì)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(shí)際情況不相符�？紤]動(dòng)力響應(yīng)的仿真分析是很好的研究方法，但怎樣建立與實(shí)際情況相吻合的模型和精確控制計(jì)算是難點(diǎn)，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(jī)性，在實(shí)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(jì)和耐久性設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(shí)際的工況下進(jìn)行的。
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