在役码头结构检测评估现状与展望

李沛，李东军

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

码头结构在使用过程中不断出现的材料劣化和功能降低现象，导致其原有靠泊能力堪忧，科学、合理地检测和评估在役码头结构的安全性、使用性和耐久性已是实际的工程需要。

工程结构的检测评估起源于20世纪四五十年代，在经历结构损伤缺陷原因及相应维护修缮解决办法研究和结构检测技术及评估方法研究的两阶段后，自20世纪80年代起，一系列检测与评估标准、规范相继制定并实施，知识工程被引入，工程结构的检测评估向智能化的方向迈进。码头结构是工程结构的一种，查阅相关文献资料，自20世纪70年代起，我国开始逐渐重视对码头结构的检测、评估[1]。直至2006年，国内首本涉及港口码头水工结构检测与评估的规范JTJ 302—2006《港口水工建筑物检测与评估技术规范》[2]颁布，并于2007年正式实施。

为适应经济发展需要，节约岸线资源，保证船舶靠泊安全，适应船舶大型化发展的要求[3]，交通运输部在2006—2008年前期试点的基础上，于2009年正式发布《关于沿海港口码头结构加固改造有关事宜的通告》[4]，通告规定截止2012年底对符合条件的码头泊位进行加固改造，通过靠泊能力论证后可靠泊不超过原泊位设计最大代表船型2级的船舶。

2013年，新版《港口设施维护技术规范》颁布实施，编号由JTJ/T 289—97更新为JTS 310—2013[5]，由推荐性标准提升为强制性标准，强调按照系统管理的理念，明确了港口设施维护的主要环节和重要管理内容，使得港口码头水工结构的检测评估更加有章可循，检测与评估活动呈现常态化，开始受到管理和运营部门的普遍重视。

文中从解决的实际问题、检测评估基本流程、检测内容和方法、检测与评估的关系、评估参数限值、评估方法6个方面分析和阐述码头结构检测与评估的研究现状，指出存在的问题并提出3点对其未来发展方向的思考，为码头结构检测与评估研究提供参考。

1 解决的实际问题

《港口水工建筑物检测与评估技术规范》中将检测与评估定义为检验已有结构在未来使用中的可靠性而开展的一系列活动，目的是通过采用检测手段及时掌握码头结构的运行状态，根据检测结果评估其在正常使用条件下，承受可能出现的各种作用而保持安全的性能（安全性）、满足预定使用要求的性能（使用性）和在规定的时间内随时间变化而仍能满足预定功能要求的性能（耐久性），其意义在于最终为管理和运营部门对其做出相应维护决策提供技术依据。

《港口水工建筑物检测与评估技术规范》和JTS 310—2013《港口设施维护技术规范》两本规范对维护策略的划分略有不同。前者根据A、B、C、D 4个评定等级依次划分为不必采取措施、可不采取措施、及时进行修复、补强和立即进行修复、补强或报废。而后者根据一类（好）、二类（较好）、三类（较差）、四类（差）、五类（危险）5种技术类别（状态）划分为保养、小修、中修、大修或报废、拆除。

2 检测与评估的基本流程

检测与评估的基本流程如图1所示。必须强调的是：

1）当码头结构的外观破损、结构构件变形与变位及其材料性能劣化影响到其安全和使用时，安全性和使用性评估分级是必须的。

2）应以检测与评估目的为最终目标开展相应的检测活动，并应符合相关标准、法律法规的要求，检测数据应能支撑得出相应的检测与评估结论。

3 检测现状

3.1 检测内容

在码头结构检测内容方面目前已经形成较为统一的认识，即主要关注码头结构的外观破损状况、结构变形与变位情况、结构材料性能的劣化状况及环境状况。

《港口设施维护技术规范》根据码头结构的不同形式，分别制定出不同的检测项目、内容。《港口码头结构安全性检测与评估指南》等[6-7]将码头结构检测参数具体划分为11项（构件外观、码头结构的整体变形与变位、钢筋混凝土各项性能参数、钢结构、地基与基础、接岸结构、后方回填工程、岸坡、轨道、停靠船及防护设施和码头前沿水深和冲淤）共计40个参数。

《港口水工建筑物检测与评估技术规范》、JTS 105-1—2011《港口建设项目环境影响评价规范》[8]和SL 59—2015《河流冰清观测规范》[9]等对码头前沿和设计水域的环境条件调查内容做了较为详细的制定，其具体检测参数亦不少于20个。

3.2 检测方法

检测方法与检测技术密切相关：外观破损检测主要以目测、敲击等方式探明检测构件的破损位置和破损形态，辅以显微镜、塞尺、钢尺、卷尺等仪器和测量工具以量化外观破损程度；结构的变形与变位检测主要采用全站仪/GPS、经纬仪、水准仪等测量仪器测量布置于结构表面特定测点的三维、平面、高程坐标，与码头特定时期（竣工验收期、某一观测期）的相应坐标比较，判断其变化程度和趋势，对于一般性水工建筑物，观测精度应至少满足三等观测等级[10]；结构材料性能检测主要包括钢筋、混凝土、混凝土保护层、钢材、钢材防腐涂层、地基土、回填土、土工合成材料等的物理、化学性能及其劣化/变化趋势，其涉及的检测方法多种多样，原位、无损检测应是首选；环境状况检测包括码头前沿设计水深和冲淤变化、码头设计水域的水文条件、码头设计水域的水质变化等，其检测方法同样多种多样。

4 评估现状

4.1 检测与评估的关系

码头结构检测与评估是一门涉及环境学、水力学、结构力学、建筑材料学、断裂力学、工程地质学等基础学科，同时与施工技术、检测技术、使用状况密切相关的综合性学科。王广德等[11]将检测具体定义为通过检查、测试等手段获得码头结构某些参数某一时刻现状的活动；以检测结果为依据对码头结构某些参数进行估量称为评估。

评估时，需将上述实测参数值（即反应码头结构的外观破损状况、结构的变形与变位情况、结构材料性能的劣化状况及环境状况的某一时刻实测参数值）直接与规范规定的参数限值（即实测参数值的设计值或规范规定的最大值）比较，或代入到某种评估方法中计算、分析得评估参数值（构件内力、稳定系数等）后再与规范规定的参数限值（即评估参数值的设计值或规范规定的最大值）比较。对于耐久性评估，可根据实测参数值与规范规定的参数限值直接比较评定其等级；对于安全性、使用性评估，可根据实测参数值/计算、分析得评估参数值与规范规定的参数限值的比值评定其等级。

4.2 评估参数限值

评估是将实测参数值与规范规定的参数限值相比较，规范规定的参数限值即为表征结构/材料某种状态的特征值，而此特征值亦是一重要研究课题，该特征值拟定的合理与否直接关系到码头结构评定的准确性和可信性。

《港口水工建筑物检测与评估技术规范》中将结构构件作用效应组合设计值定为安全性评估参数限值，将结构最大挠度、结构最大裂缝宽度、预应力混凝土拉应力限值定为使用性评估参数限值，将钢筋混凝土材料耐久性极限状态（一般为钢筋脱钝锈蚀、保护层锈胀开裂、保护层锈胀开裂达到限值）定义为耐久性评估参数限值。

4.3 评估方法

复核验算法是现行《港口水工建筑物检测与评估技术规范》使用的评估方法，其本质是以概率理论为基础的极限状态设计[12]验算，但需考虑水工结构的外观破损状况、结构变形与变位情况、结构材料性能的劣化状况及环境状况，其评估参数反应的是码头结构的实际状况。此外，荷载试验法[13-14]、专家系统法[15]、神经网络法[16]、模糊理论法[17]、层次分析法[18]、时序分析法[19]等都是常用的评估方法。对于荷载试验法，合理、有效地加载方式与测点布置是关键；对于其它评估方法，评估模型的合理、准确性是关键。

5 存在的问题

纵观上述码头结构的检测评估现状，其方法体系已较为完整，事实证明，该方法体系是可行的，亦切实满足了部分当前码头设施运营维护的迫切需要。但是，无异于其它工程结构，若要求检测、评估结果更加准确可信，许多关键问题仍待突破：

1）“重一次性投入，轻运营维护”是我国工程建设多年来的历史通病。如图1所示，检测评估项目由具备资质的检测单位承担实施，管理和运营部门作为委托方需提供一定数额的资金购买此项技术服务，所以通常是码头结构出现“显著问题”或靠泊需要时才进行检测评估，从而导致检测评估的滞后性。

2）目前码头结构检测方案中检测项目、检测内容和检测方法较为系统和完整，但关键检测部位、检测断面、检测频率和数量的确定仍依赖有经验的检测人员，尚没有统一的规定，从而导致对发生撞损等偶然事故的码头结构检测评估时“因人而异”或偏于保守。

3）不论是复核验算法或者上述除荷载试验法以外的间接评估方法，如何正确、充分考虑水工结构的外观破损状况、结构变形与变位情况、结构材料性能的劣化状况及环境状况，仍需要更加深入的基础理论和试验研究，其过程需要整个土木工程学科的进步。

4）环境检测是港口码头水工结构使用状况检测的一项重要内容，其反映的是结构所处的实际使用环境，使用环境不同，结构的材料劣化和功能降低规律亦会有所差别。然而，目前国内大多数从事检测评估的单位尚不具备环境检测能力，导致评估时相关数据的获取多以查阅资料为主。

5）裂缝是混凝土结构破损的显著特征，裂缝形态、长度、表观宽度尚且容易测得，但裂缝深度检测目前仍是技术难题，导致混凝土结构承载力、变形、耐久性等评估时如何充分考虑裂缝因素仍有待深入研究。

6）检测时需要对检测对象间接或直接“看得见或者摸得着”。对于高桩码头而言，其所有主要结构构件是“暴露”的，对于重力式或者板桩码头，其主要结构构件是“半暴露”或者隐蔽的，若要进行检测，针对性的开挖不可避免，其不仅消耗较大的人力、物力，影响生产，同时“扰动”了码头结构的整体性。所以，隐蔽工程检测技术亟待开发、提高。

7）由于基桩完整性检测仍以一维纵波传播理论为基础，而高桩码头上部结构梁或板的存在导致检测信号的激振、收集和分辨的复杂化，使得在役码头基桩完整性检测成为行业技术难题。

8）位于水面以下泥面以上的结构，外观破损检测只能人工进行，而变形与变位情况、材料性能劣化状况检测目前较难实施。与隐蔽工程检测一样，此部位结构检测是在役港口码头水工检测的“短板”，间接的检测技术亟待开发。

9）与以往不同，混凝土结构的耐久性问题已经得到很大重视，从原材料到凝结硬化后的混凝土实体，与耐久性相关的检验检测伴随施工全过程。同时，为满足施工需要，高性能混凝土等特殊混凝土技术不断发展，导致在原来普通混凝土基础上建立起来的钢筋混凝土材料物理本构模型、劣化机理、评定指标等都不一定适用。所以，针对新材料、新技术条件下的钢筋混凝土材料耐久性劣化研究是一项重要的基础课题。

6 研究展望

2011年以来，我国沿海港口建设高潮趋缓，进入平稳发展建设期[20]。同时，我国已有大量的码头运营多年，作为重要的固定资产，对码头结构进行定期的检测评估将是管理和运营部门未来的重要工作。上述码头结构检测评估存在的问题可概括为：合理、有效的检测技术仍需不断探索，检测信息往往有限、随机、间断且无动态反馈，评估方法经验色彩浓重。在此，结合现阶段土木工程研究热点，提出3点发展方向：

1）荷载试验法是最直接、最直观的检测评估方法，由于其试验过程中通常会影响码头作业，现在较少采用，但其评估结果是最为可靠的。

2）钢筋混凝土结构学科发展至今，其基本理论体系已经完整，如今的发展方向已转变为考虑具体使用条件和使用环境的钢筋混凝土结构基本理论运用的完善。正是由于目前码头结构检测数据较少，收集和累积还有待更加系统化，导致现有评估方法经验色彩浓重。所以，科学的、海量的检测数据收集和积累仍是前提，且应将检测数据逐渐系统化，分门别类。一切理论或者技术进步均离不开相关数据的支撑和验证。此项工作是基础的、繁重的，但也是最关键的。同时，应重视应用雷达、红外成像、冲击反射、电磁与电测等新的测试手段[21]。

3）随着计算机与互联网技术的飞跃进步，基于BIM+大数据分析的码头结构检测评估时代已经来临，即通过三维建模、现场和试验室实测检测数据实时传输、基于算法的大数据统计分析，实现检测评估结果的实时终端显示。2018年，国内首套码头全寿命健康监测系统已经建立[22]。天津港南疆27号通用码头工程结构健康监测系统运用全寿命周期质量安全理念，将互联网+光纤传感技术+BIM信息化技术与传统结构健康监测技术有机融合，实现对船舶撞击力、水工结构的应变、变形变位、振动特性、耐久性能、环境温度等性能指标的实时监测，为优化设计、准确判断结构破坏原因、加强运营期码头设施维护等方面提供有力支撑。