高桩码头结构健康监测指标分析及应用综述

胡 皓，叶 蕾,田 浩

(1.浙江省交通运输科学研究院，杭州 311305; 2.浙江省港航管理局，杭州 310005)

高桩码头结构健康监测指标分析及应用综述

胡 皓1，叶 蕾2,田 浩1

(1.浙江省交通运输科学研究院，杭州 311305; 2.浙江省港航管理局，杭州 310005)

根据文献及实地调研资料，分析高桩码头的病害形式及机理，结合码头业主实际需求，提出了监测的指标。同时整理了目前国内外高桩码头结构健康监测系统的目前应用情况，并对影响高桩码头结构健康监测系统推广应用两方面的关键问题(成本和监测效果)进行了简要分析。

高桩码头；损伤机理；监测指标；结构健康监测

0 引 言

码头按照结构型式可分为重力式、板桩式和高桩式三类形式。高桩码头的结构形式是透空式，其组成部分包括上部结构、桩基结构和接岸结构[1]，其主要适用于软土地基，在我国沿海和河口地区被广泛采用。以浙江省为例，到2008年底，拥有海港生产性泊位1042个，内河港口泊位4175个，其中高桩码头占整体比例达91%，在2008至2016年新增的1315个泊位中，绝大部分也是高桩码头。

在浙江省“十三五”实行海洋强省战略的建设背景下，沿海高桩码头的建设以深水化、大型化为特征，且有一批的老旧码头已建水工建筑物已出现材料劣化和功能降低等现象，面临着升级改造。当大部分码头投入运行一定年限后，会由于腐蚀、老化、超载等因素出现结构劣化损坏，危害码头结构安全，影响其使用寿命，很多海港高桩码头在投产后十多年甚至不到十年就产生腐蚀损坏现象。而传统码头检测由于作业频率较低(规范并无强制规定检测频率)，并不能满足码头安全运营、维修及加固升级的需求，所以开展码头的健康监测工作己成为必要[2]。

在查阅大量相关文献和实地调研基础上，本文整理并分析了高桩码头的核心病害及损伤机理，结合码头使用者的需求，提出了高桩码头的监测项目。更进一步，本文对高桩码头的结构健康监测系统现状进行了梳理，并对影响高桩码头结构健康监测系统推广应用两方面的关键问题(成本和监测效果)进行了简要分析。

1 高桩码头结构损伤及监测指标分析

高桩码头通常由桩基和上部结构组成[1]，上部结构一般为梁板式结构。高桩码头由于常年受到波浪、潮汐、水流、泥沙等动力因素的作用，特别是强台风时的冲刷磨损，以及水上移动物体不同程度的撞击和环境的腐蚀，再加上设计和施工中留下的缺陷与隐患，其结构损伤破坏形式包括：混凝土局部开裂、剥落；钢筋外露、锈蚀甚至断裂；整体不均匀沉降、水平位移、平面扭转等[3]。

1.1 主要病害损伤机理分析

造成高桩码头损坏的主要原因有[3]：①钢筋锈蚀；②超载；③桩-土体系作用失衡。

高桩码头结构损伤破坏主要形式包括混凝土剥落、钢筋外露锈蚀等，都属于混凝土耐久性范畴。由于高桩梁板式结构码头因其是敞开式结构，几乎所有构件都完全暴露于严酷的海洋环境中，有些构件多个面同时遭受氯离子侵蚀影响[6]。锈蚀主要因其钢筋截面变小、体积增大，继而产生裂缝，保护层剥落进而导致钢筋与混凝土之间粘结力下降[4]。

超载是高桩码头结构损伤的另一个重要原因，因其会直接影响到结构的安全。另外，超载作用同时也在扩大已有的裂缝，加剧钢筋锈蚀。一般堆货荷载和汽车荷载的超载会导致梁板构件的破损，在目前阶段码头操作较为规范的情况下发生较为少见。超载更为严重的是船只撞击力超载，可能导致桩基的损伤甚至断裂。

高桩码头桩-土体系作用失衡包括边坡滑动失稳、码头后方回填沉降、土场水平推力。高桩码头运营期间桩坡体系不均匀沉降可能会导致码头整体滑动失稳，或对码头近岸部分桩基产生负摩擦力，导致桩基拉断[5]。

1.2 病害监测需求

通过以上损伤机理分析可知，应针对高桩码头的三大核心病害(钢筋锈蚀、超载、桩土体系失衡)进行监测。其中，钢筋锈蚀应为高桩码头的监测指标之一。高桩码头使用中的荷载超载(堆货荷载、汽车荷载、船只撞击等)也是监测指标之一[2]。桩-土体系作用失衡造成的桩坡整体不均匀沉降、桩身排架水平位置改变可通过位移变化进行监测[2]。

此外，高桩梁板式码头的结构形式与普通桥梁结构相近，所以高桩码头结构健康监测的指标设置可以参考较为成熟完善的桥梁健康监测[2]。从结构安全角度，应对荷载、响应、结构劣化(腐蚀、缺陷)等大类监测需求进行指标设置。

船只撞击力超载发生，有时是因为船只靠泊操作不规范或者靠泊时速过大，角度过大造成桩基损伤甚至断裂[5]，然而并不是每次船只碰撞事件都会记录上报并检查桩基受损情况，存在瞒报碰撞情况。所以从码头运营管理角度，有必要对船只碰撞事件进行实时监测记录。另外，一旦由于船只撞击力超载造成高桩码头结构严重受损，需要就该损伤做特定的桩基检测以给出损伤责任鉴定报告，例如水下桩身探摸等。该类检测耗时耗力，亦不能在第一时间给出初步诊断报告，所以存在着对桩基损伤的实时监测需求。

1.3 监测指标分析

根据上述需求分析，高桩码头的结构健康监测指标应该包括三类响应监测指标(位移、应变、结构动力特征)，以及氯离子侵蚀程度、荷载等指标。

位移应包括码头结构的横向和竖向位移；应变指码头结构关键构件(包含面板、轨道梁、纵梁、横梁、桩帽、桩基)的应变状态；结构动力特征指结构的固有频率、振型和阻尼比。在这三类响应监测指标中，位移和应变是结构对外荷载的直接响应，其对结构损伤破坏造成的刚度变化反应灵敏，因此是响应监测指标中的直接指标。此外，结构动力特性作为结构物固有属性，应通过对其动力响应进行数据分析及损伤识别，分析结构损伤位置及损伤程度[3-4]。因此码头动力特征是监测指标中的间接指标。

传统的氯离子侵蚀采用的检测方法是对混凝土进行现场取样，将混凝土试样磨细，再进行化学分析，测出Cl-离子在混凝土中的含量。该法较为成熟，但其工作量大，操作过程繁杂，属于破损性测试，无法应用于一些重大工程中[6]。随着技术的进步，混凝土氯盐侵蚀已可以通过在混凝土中预埋长效性的氯离子传感器实现实时在线监测[6]，例如光纤氯离子传感器和Ag/AgCl电极型氯离子传感器。

另外还应该对高桩码头受到的风、潮汐等荷载进行监测。技术条件允许情况下，建议对船只撞击力、系缆力、挤靠力等进行监测。

2 高桩码头健康监测现状

2.1 码头结构健康监测系统

码头结构健康监测是指利用实时的无损监测方式获得结构内部信息，分析包括结构反映在内的结构特征，诊断结构是否受到损伤[7]以及损伤位置、损伤程度等。

码头结构健康监测系统通常由四大模块构成：传感器模块、数据采集与传输模块、数据处理与分析模块、结构状态预警评估模块。传感器模块由不同类型的传感器将待测的物理量转变成便于记录及再处理的电压、电流或光等信号。数据采集与传输子系统，负责完成监测数据的采集、预处理及通讯。数据处理与分析子系统，对采集及传输到基站的现场监测数据进行处理和分析，并以一定的形式存储起来。结构状态预警评估子系统，将现场监测数据、瞬时或长期获取的码头水工构造物结构信息进行综合处理，实现数据的分析与解释、安全预警、健康状况评估及科学管理。

2.2 高桩码头结构健康监测系统应用现状

2.2.1 应用现状

由于测试系统、数据处理技术以及数据传输技术的进步，长期的结构健康监测成为评估结构安全性能的重要手段。长期的健康监测系统已被大量的运用在超高层建筑、高墩大跨桥梁等领域，如在广州塔、深圳证券交易中心总部大楼、香港的青马大桥[10]。但港口工程结构健康监测技术发展较晚，所以目前国内外码头水工领域成功应用的实例极少，见诸文献的仅包括大连新港30万t级原油码头的沉箱式靠船墩上的长期健康监测系统[8]，天津港五公司22-24#泊位码头上布设的结构健康监测系统[9]，天津港某高桩码头承台结构上布设的结构健康监测系统[10]。国外对码头结构进行健康监测相较于国内更少，见诸文献的仅有加拿大Hall’s 码头采用光纤光栅传感器建立了健康监测系统[11]。

现有码头结构绝大多数没有预先设计或安装预埋健康监测系统，如要对现有码头进行结构健康监测，则需要在结构表面设置传感器并集成监测系统， 但此时传感器及线路都暴露于较为恶劣的海洋环境中，容易损伤老化，增加监测系统维护成本。所以需要针对特殊的海洋高盐高湿环境选用传感器及设置相应保护措施。

2.2.2 光纤光栅技术的应用情况

基于光纤(Bragg)光栅(FBG)的光纤光栅传感器已在桥梁、建筑等结构的健康监测系统中得到了大量应用，其原理是通过光信号传输，能抗电磁干扰，具有高精度性、强防水能力，耐腐蚀性佳，特别适合海洋环境等对传感器耐久性要求高的测试环境。

在为数不多的码头健康监测系统应用中，基于光纤光栅传感器的结构健康监测技术被逐渐运用到了码头结构及附属设施的安全监测方面，如大连港某油码头沉箱采用了基于光纤光栅的光纤传感器对其外壁、底板等部位的应力及温度进行了长期监测[8]，这也是光纤光栅监测技术在国内首次运用到码头混凝土主体结构中。刘现鹏等人[10]首次针对高桩码头构建了基于光纤光栅传感器的健康监测系统，并在依托天津港某高桩码头承台结构上实施应用。加拿大Hall’s 码头(高桩梁板式)是世界上第一个采用光纤光栅传感器进行监测的码头结构，此项目上的传感器设计使用寿命达到了80年[11]。

2.3 高桩码头结构健康监测系统推广应用的关键问题

2.3.1 监测系统建设维护成本及使用寿命

码头身处的环境恶劣，特别是高桩梁板码头，受到外力作用随机性较大[12]，所以需要定期或不定期对码头进行观测，以便有针对性地进行检测、评估与维修、加固[12]。在意外事故发生时，船只撞击力超载、台风或风暴潮等影响下，码头机构或构件可能受损[12]。这种情况就必须对码头进行相应的检测评估工作。但检测工作项目繁杂，耗时较久，常规检测根据检测项目种类不同成本不一，单次成本一般都在10万元以上，专项检测例如桩身完整性(桩基动测等)价格则更高，因此除国有和大型码头有投入资金进行检测维护外，个人承包或所有的码头对检测维护基本不予重视。

高桩码头结构健康监测系统安装实施费用根据系统规模的不同，可在20万元至40万元之间，如针对恶劣海洋环境，其设计寿命最高可达80年[11]，远高于目前海港码头30年的一般使用寿命。后期进行定期维护可确保监测系统使用寿命，且传感器可进行更换。相较检测而言，健康监测系统的年投入成本实际上要低的多，且其实时监测的巨大优势，对于码头运营期全寿命管理养护来说，具有重要意义。

2.3.2 监测系统使用效果

健康监测系统凭借先进的传感器+互联网技术，通过对高桩码头核心监测项如荷载、响应(位移、应变、动力特征)、氯离子等的实时在线监测，能够反映核心病害如船只撞击、土场作用、腐蚀对于高桩码头结构的损伤影响，并能够实现预警功能。

但是目前高桩码头健康监测技术仍存在不足之处，主要在结构损伤识别和预警评估技术上。对于结构损伤识别，结构动力特征作为高桩码头结构响应监测指标之一。由于结构固有频率的变化对结构损伤程度不敏感，且对于高桩码头结构、振型、阻尼比及应变模态难以精确测量，导致以结构动力特征变化判定结构损伤的方法应用受到限制[10]。对预警评估技术而言，目前仍缺乏对高桩码头结构使用年限内长期性能变化的系统认识，难以建立统一的结构状态评估标准对其进行灾变预警[10]。

3 结 语

健康监测系统凭借先进的传感器+互联网技术，通过对高桩码头核心监测项如荷载、响应(位移、应变、动力特征)、氯离子等的实时在线监测，能够反映核心病害如船只撞击、土场作用、腐蚀对于高桩码头结构的损伤影响，并能够实现预警功能。由于沿海码头结构所处环境较为恶劣，对监测设备的耐久性要求较高，光纤光栅技术在码头结构健康监测上的应用前景很广。在成本上，码头健康监测系统一次建成，长年使用，年投入成本远小于目前码头的常规检测。高桩码头健康监测技术虽然起步晚，但是发展潜力和市场应用潜能极大。

检测与监测是互补的。未来码头的检测将更往专项化、技术化发展，检测中简单的一些项目如码头位移将由健康监测取代；健康监测中应变、位移、动力特性等响应通过分析能够进行初步损伤识别，确定损伤可能发生位置、损伤程度，给专项检测缩小范围，例如用监测技术大致确定缺陷位置，指导检测，如水下摸桩。

结构损伤识别技术需进一步发展，需要建立标准统一的结构状态评估体系，以对高桩码头全寿命结构性能变化进行预警和评估。

[1]王元战.港口与海岸水工建筑物[M]．北京:人民交通出版社, 2013.

[2]黄长虹,韦灼彬.海港码头结构健康监测[J]．水运工程，2009,(4)：106-109.

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[8]刘向前.30万吨级原油码头主体结构健康监测系统建设及应用研究[D]．大连：大连理工大学，2011.

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[12]杨会来.高桩码头的检测与评估[D]．重庆：重庆交通大学，2009.

ReviewofDetectionIndexesAnalysisandApplicationofHigh-pileWharf’sStructuralHealth

HU Hao1, YE Lei2，TIAN Hao1

(1. Zhejiang Scientific Research Institute of Transport, Hangzhou 311305, China; 2. Zhejiang Port and Waterway Administration，Hangzhou 310005, China)

Current article concluded the form and the mechanism of common structural diseases that affect the performance of the high-pile wharf based on the literature review andthe investigation. The monitor indexes were proposed based on previous conclusion and practical demand from users of high-pile wharves. The global application of Structural Health Monitoring (SHM) on high-pile wharves were summarized in this article. Furthermore, acost-and-effect analysis regarding the popularization and application of SHM on high-pile wharves was provided.

high pile wharf;damage mechanism;monitor index;structural health monitoring

U656.113

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2017.03.005

1671-234X(2017)03-0023-04

2017-06-06

胡 皓(1988-)，男，浙江温州人，工程师， E-mail：haohu1988@163.com。