框架结构码头承重分析及破损修复

　　[摘要]:随着我国海上运输、对外贸易需求的不断加大，经济的高速发展和船舶建造技术的明显提高，许多现有码头已不能满足现代高运输量、高运输效率的需求。新港口的建设和对已有港口的改造、加固和修复，对沿岸地区的经济增长具有十分重要的战略意义。本文通过对某旧千吨级框架码头的承重性能进行了PUSH-OVER分析，并对其破损原因进行了分析;根据码头的实际地质情况、老化程度以及破损状况等具体情况进行考察研究后，提出了修复方案。

　　[关键词]:框架码头，承重分析，破损修复

　　前言

　　我国1800km的海岸线基线，为扩大海洋运输提供了天然的港口运输保障。而大型港口的建设，对我国的海上运输、对外贸易、经济繁荣具有十分重要的战略意义。随着经济的高速发展和船舶建造技术的明显提高，许多现有码头已不能满足现代高运输量、高运输效率的需求。沿岸地区经济的持续健康发展离不开新港口的建设和对已有港口的改造、加固和修复。

　　由于框架码头承载量大，结构稳定系数高、使用寿命长等优点，目前新建港口多采用高桩框架式码头的设计方案。但其所需资金大、投资周期长、规划设计与当地的自然环境、经济基础等因素息息相关;因此，对旧框架码头的加固、修复，达到运输要求也是目前常常采用的方法。同时也可以使原有资源得到合理利用，提高经济效益。在原框架码头的加固修复过程中，应根据码头的实际地质情况、老化程度以及破损状况、破损原因等具体情况进行考察研究后，才能进行施工修复，以保证码头日后使用的安全。本文通过对某旧千吨级框架码头的承重性能进行了PUSH-OVER分析，并对其破损原因进行了分析，提出了修复方案。该框架结构码头为离岸式设计，长150m，宽14.5m，高桩116根(0.5m×0.5×20m，每4根高桩为一组，共29组)，桩帽87个(1.0m×1.0m×0.5m58根;1.8m×1.0m×0.8m29根)，主横梁29条(0.8m×0.8m×14.5m)，纵梁84条(0.8m×0.8m×5.2m)，排架3层;破损状况主要有桩帽损坏、部分钢筋腐蚀、混凝土出现不同程度裂缝等。

　　1.框架码头各项性能分析计算理论

　　框架码头承重分析方法主要有动力分析和静力分析。目前，结构弹塑性动力分析最可靠的方法是弹塑性时程分析。它能计算处码头在受到震动时，结构内力和形变的状况、结构的开裂和屈服顺序等。PUSH-OVER分析方法是框架码头的结构、性能、抗震设计理论的重要组成部分。PUSH-OVER分析法可以通过计算构件的内力与变形、结构的承载力与变形，得到静力分析结果和动力分析结果。本文针对某框架结构码头的结构、破损原因、破损机理进行了分析研究，下面为本文应用的部分分析计算理论：

　　(1).直接刚度计算法：[K]{δ}={P}••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••(1-1)

　　式中[K]为总刚度矩阵，{δ}为位移矩阵，{P}为荷载矩阵。

　　(2).多自由度结构体系动力微分方程：

　　••••••••••••••••••••••••••••••(1-2)

　　式中[M]为结构质量矩阵，[C]为结构阻尼矩阵，为顶点结构位移，为震动形状向量，{Q}为结构层间恢复力向量，为地面加速度时程。

　　(3).多自由度结构体系力——位移关系式：

　　•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••(1-3)

　　式中为结构位移，[M]为结构质量矩阵，为震动形状向量，为顶点结构位移。

　　(4).水平载荷计算方程：

　　•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••(1-4)

　　式中为第j周期的振动系数，为第j振型的参与系数，为第j振型第i质点的相对水平位移，

　　为第i层的重力荷载，n为框架结构码头的总层数，为各层剪力。

　　2.PUSH-OVER模拟计算该码头的承载性能

　　实验采用缩尺模型，在保证模型的几何尺寸、质量、荷载、边界条件、初始条件与原码头的同等条件下，对模型的各项承载性能进行了检测。其所应用理论为相似理论，在此不再重复。测试结果如下：

　　表1.顶部不同水平载荷下桩帽、第一层排架、第二层排架混凝土裂缝检测

　　载荷(kN) 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

　　编号单位

　　1 mm 0.2 0.2 0.2 0.24 0.24 0.24 0.31 0.32 0.37 0.39 0.40

　　2 mm 0 0 0 0 0 0.21 0.32 0.38 0.42 0.48 0.54

　　3 mm 0 0 0 0 0 0 0 0.45 0.49 0.52 0.59

　　表2.模拟靠船时各层面的撞击力和位移

　　作用位置无破损最大水平推力(kN) 各层位移(mm)&n

　　最大水平推力(kN) 各层位移(mm)

　　顶层 90 19.1 205 45.6

　　第一层排架 145 18.9 312 42.7

　　第二层排架 163 17.7 355 38.4

　　第三层排架 189 16.6 408 31.1

　　由表1和表2可知，当传播靠岸时，其撞击力小于90kN时，不会对码头造成损伤。该码头采用V型橡胶护弦材料，抗击力为40kN，反力270kN，通过实验数据可知，该码头可以满足5000吨级船舶的日常停靠需要。当对左侧正中桩基面板施加120kN的负载时，桩帽出现破损，180kN时桩基开始出现裂纹，说明该码头的载重设计方面考虑不足，为对其未来使用留下足够的空间，这与该码头目前的破损状况相符合。通过模拟分析得出，该码头的水平抗撞击性能能够满足现有船舶的停靠需求，但其载重性能需要进行加固后才能保证日常的安全运行。

　　3.该框架结构码头受损原因分析及修复方案

　　3.1该框架结构码头受损原因分析

　　通过实地考察分析，该框架码头的破损状况主要有桩帽开裂、掉角等现象;部分钢筋因混凝土开裂出现了轻度腐蚀;桩基无断桩，但有13根桩基出现开裂，无明显的水平位移，其中两根因某次撞击事故损伤较为严重，桩帽基本破损，桩基顶部露出两根钢筋，由顶部至下方三米处均有较大裂纹，最大处1.5cm，位移偏差2.3cm，其余桩基基本无太大裂缝。排架共有15处出现破损，8处破损较为严重，主要是由同上述某次撞击事故造成的。面板因长时间高负荷运营，部分面板混凝土裂缝较大，开始出现下沉，最大下沉处约2cm，表面混凝土磨损严重。高载荷也是桩帽出现受损，未发现因海水腐蚀造成的重要破损和地面沉降引起的破损。通过以上破损状况和对现场工人的查询笔录可知，由于该码头单次运输量较大、运输任务重，使其每天在超负荷的运营环境中进行，该码头的破损原因主要为人为使用不当造成的破损。

　　3.2该框架结构码头设计修复方案

　　(1).桩帽损坏修复方案

　　3个损坏较为严重的桩帽，因其位置在靠近中部外侧的位置，有利于采取凿除再浇筑的办法，建议对其进行凿除再浇筑;再浇筑时，在面板对应出钻孔灌注，同时采用高标号速凝混凝土，以防止面板的下沉出现新的裂缝，影响日后码头的使用和寿命的缩短。对于损伤较轻的桩帽，采用外层包裹新混凝土的办法，为防止新旧混凝土能够很好的结合在一起，对旧桩帽表面进行部分凿除，使其露出1/4的钢筋数，再焊接新的直径8mm的钢筋网，外补混凝土厚度为15cm，以防止桩帽继续破损。

　　(2).钢筋腐蚀修复方案

　　因混凝土开裂而腐蚀的钢筋，其腐蚀程度较轻，只需进行简单的防护处理一下即可。对桩帽处和桩基处的腐蚀，可采用水泥喷枪发进行修补。面板处的处理将在下文针对具体情况进行修补。

　　(3).桩基修补及添加叉桩

　　对于3个出现较大裂纹的桩基，除对其进行必要水泥喷枪修补外，在距其1m处分别补加一新的桩基。由于该码头日常负荷较重，两侧桩帽均出现不同程度破损的状况，为提高其承载能力，在两侧桩基处每隔两个桩基添加一对叉桩(0.5m×0.5m)。

　　(4).排架修复方案

　　出现裂缝的7处排架，为防止裂缝继续扩大，对其裂缝处进行加固，加过措施为凿除裂缝周围50cm的混凝土构件，打孔添加而外钢筋6根(Φ25mm)，并重新浇筑添有U型混凝土膨胀剂的混凝土。

　　(5).面板修复方案

　　由于部分面板出现沉降，对其采取凿除再浇注的方法进行修补。同时添加一层8mm(10cm×10cm)钢筋网进行加固处理。由于其他面板表面存在一定程度的磨损，在不影响码头承载性能的前提下，为减少码头面板的自重，采用凿除面板表面混凝土3~5cm，重新浇注5cm混凝土的方法进行修补。为防止新旧混凝土不能很好的结合，在混凝土中添加U型混凝土膨胀剂，防止或减少新旧混凝土的不合引起的开裂。

　　小结

　　由于新建框架码头所需资金大、投资周期长，规划设计与当地的自然环境、经济基础等因素有十分紧密的联系，对已有码头的加固、修复，达到运输要求是目前较为经济的方法。在使现有资源得到合理利用的同时，也可以在短期内显著提高经济效益。对已破损的桩帽桩基进行修复，可以提高框架结构码头的使用寿命;添加叉桩，可以显著提高码头桩基的承载能力，最终达到满足现有运输需求的目的;改善面板的表面状况以及对已经发生沉降部位的修补，可以避免码头在日常使用中出现重大安全事故，避免不必要的经济损失，保障工作人员人身安全。在进行新的叉桩混凝土浇筑时，应根据现有浇注技术，使入口尺寸尽量的小一点，以提高叉桩的承载作用，但不能提高其抗撞击的性能。在码头内部添加叉桩可以提高抗撞击力，本文针对码头停泊船舶吨位的实际情况，未提出此方面的加固方案。

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