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探究船舶撞擊對碼頭結構耐久性影響

作者:2017-06-26 17:04文章來源:未知
  0引言
  港口作為國際經濟文化合作交流的窗口和交通運輸的樞紐,對促進資源全球性調動配置以及區域發展發揮著至關重要的作用。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,隨著中國經濟開放度不斷提升,對外貿易不斷增長,我國港口行業迎來新一輪的高速發展,全國港口貨物吞吐量已連續多年穩居世界第一。
  我國港口絕大部分為混凝土結構的碼頭,由于常年處在海水環境之中,其耐久性問題比在大氣環境下更加復雜、嚴峻。目前,國內外對碼頭結構耐久性的研究主要集中在混凝土炭化、Cl-侵蝕、凍融破壞、堿-集料反應和鋼筋銹蝕等因素上,鮮有從外部荷載出發研究其與耐久性之間的關聯性。隨著港口規模的不斷擴大,碼頭結構所承受的船舶撞擊荷載對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構疲勞損傷入手,分析總結船舶撞擊作用對碼頭結構耐久性的影響原理。
  1船舶撞擊問題研究方法現狀
  1.1經驗公式法
  自20世紀60年代起,各國學者對船舶撞擊問題展開研究,目前國際上應用較為廣泛的有Woisin公式、AASHTO規范公式、Pedersen公式和Heins-Derucher理論等。由于這些公式參數設置簡單、計算方便,所以被廣泛應用于工程實際中。但船舶碰撞問題是十分復雜的問題,而這些簡化公式本質上屬于靜力加載狀態下經過部分修正而得到的經驗公式,不能夠反映船舶與碼頭結構發生碰撞時的經時特性。此外,這些公式沒有全面考慮船舶質量、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,使計算結果或多或少偏離實際情況,導致碼頭結構設計很難達到最優化狀態。
  1.2有限元仿真分析法
  隨著計算機仿真技術的高速發展,通過有限元軟件可以建立精細化的船舶-碼頭有限元模型。在保證模型正確和計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構的碰撞力、變形、接觸情況和能量分配等物理量的經時變化,得到精度較高的計算結果,為研究船舶撞擊碼頭結構提供行之有效的辦法。范云生等通過應用ANSYS軟件中的LS-DYNA模塊,建立船舶-碼頭結構-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過程,得到不同工況下的撞擊變化規律,以完成非線性動力響應的計算。
  雖然有限元分析法可以就具體的問題進行相應的數值動態分析,獲取與實際情況相符的計算結果,但這是以能夠建立正確合理且能真實反映碼頭實際狀態的有限元模型為基礎的。所以,仿真難度還是很大的:一是建模過程中的簡化假設與實際情況有較大的區別;二是為了得到更為精確的模擬結果,需要建立足夠精細化的船舶模型,這需要分析者具備相應的知識儲備。此外,利用有限元分析法研究船舶撞擊問題目前多應用于橋梁行業中,在港口行業中的應用還需要更多學者繼續探索。
  1.3試驗分析法
  通過試驗分析,可以為經驗公式和數值模擬提供輔助驗證依據,并且可以直接監測到船舶與碼頭結構碰撞過程中各物理要素的經時變化,是1種有效的研究手段。因此,國內外學者進行許多模擬試驗。李焱等以某25萬噸級礦石碼頭為例,分別在單流、單流和浪流共同作用下,進行系泊船舶撞擊力和系纜力試驗,分析在單因素和多因素情況下的船舶運動和動力情況。但是,一般船舶-碼頭原型試驗耗資巨大,可行性低,而縮尺試驗很難滿足模型與真實船型的比例關系,并且各式船型和碼頭結構細部結構復雜,試驗分析具有一定的局限性。
  2船舶撞擊荷載對碼頭結構損傷的影響
  碼頭結構在營運期間承受的荷載組合復雜,除了上部結構自重荷載、使用荷載、海水靜載及波浪往復荷載等外,還會承受由于船舶運動產生的撞擊力和系纜力,雖然這些作用的頻率較小,但是其產生的應力幅值卻非常大。因此,對船舶撞擊引起的碼頭結構損傷應格外重視。
  2.1船舶撞擊荷載對結構的損傷
  碼頭結構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加速裂紋擴展,損傷能力更強;二是由于船舶撞擊引起結構的局部位移變形,使結構上產生附加應力,并隨位移變形的發展不斷積累而增大,當應力超過極限強度時,就會間接導致結構開裂。
  2.2船舶撞擊荷載對結構裂紋擴展的影響
  船舶反復撞擊碼頭使混凝土內部損傷逐漸積累,結構的裂紋發展從萌生、擴展、連通到失效破壞。鐘銘等通過等幅疲勞荷載試驗,研究影響高強混凝土梁疲勞裂縫寬度的主要因素,并根據初始裂縫寬度和受壓區混凝土應變增長系數建立疲勞荷載作用下高強混凝土梁的裂縫寬度計算公式,可以準確地預測高強混凝土梁全壽命周期內的裂縫寬度發展規律。
  但是,由于運營期間船舶撞擊荷載各要素的隨機性和不確定性以及碼頭材料的非完全均質性和結構層次的模糊性,實際情況的疲勞裂紋擴展現象具有相當的離散性。鄒小理提出將隨機過程理論與傳統斷裂力學結合起來,建立隨機荷載下疲勞裂紋擴展壽命的統計模型,有效地表征實際工程結構的疲勞裂紋擴展過程。
  3船舶撞擊荷載對碼頭結構耐久性的影響
  3.1單一影響因素下的碼頭結構耐久性
  港口碼頭一般多采用鋼筋混凝土結構。由于其特殊的服役要求,常年處于多變復雜的外界環境中,多種因素可能會對其耐久性產生較大影響。對于近海海洋環境,總結已有的研究成果,發現影響混凝土結構耐久性最主要的因素有混凝土的炭化、Cl-擴散和鋼筋銹蝕等。
  混凝土炭化是指水泥石中的水化產物與環境中的CO2發生反應,這一過程改變混凝土的物理化學性質。炭化反應生成的主要產物CaCO3為不溶性鈣鹽,當炭化不是很嚴重時,可以填充混凝土部分孔隙,使混凝土的密實度和強度有所提高;當炭化進一步加劇后,其產物在混凝土內部會產生不可忽視的膨脹應力,進而損傷混凝土結構。另一方面,炭化過程降低混凝土的pH值,使內部的鋼筋脫鈍,引發鋼筋銹蝕。
  正?;炷潦浅蕪妷A性的,能夠使內部鋼筋周圍包裹1層致密的鈍化膜,阻止鋼筋與外部環境發生反應,保護鋼筋不被銹蝕。由于碼頭長期處于高氯環境中,Cl-能夠輕松通過混凝土孔隙進入到鋼筋表面。當鋼筋表面Cl-濃度達到一定閾值時,致密的鈍化膜就會遭到破壞。楊蔚為等通過對不同炭化深度下的Cl-擴散系數測定的試驗進行研究分析,得到炭化對于Cl-擴散存在正反兩方面的影響:一方面,炭化增加混凝土密實度,阻礙Cl-擴散;另一方面,炭化增加混凝土內毛細孔數量且增加自由Cl-含量,促進Cl-擴散。在實際情況中,炭化對于Cl-擴散系數的影響效應取決于哪一方面的作用更具主導性。
  在鈍化膜被破壞后,混凝土中鋼筋的銹蝕開始進入第2階段———電化學腐蝕,反應生成大量Fe(OH)2,進而與O2又反應生成Fe(OH)3,最后變成疏松的紅銹,體積膨脹產生應力,使混凝土保護層開裂,O2以及水分和Cl-等更加容易大量進入混凝土內部,鋼筋銹蝕進一步加劇,結構最終完全被破壞。
  3.2船舶撞擊作用下的碼頭結構耐久性分析
  如果就單一因素影響而言,國內外學者的研究較為廣泛,研究的結論合理成熟。但是,在船舶撞擊作用下混凝土結構劣化損傷的過程要復雜得多,尚需要進一步的探討研究。金祖權等[7]通過快速炭化試驗發現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構內部產生微裂紋的時候,作用在碼頭混凝土結構上的壓荷載可以使混凝土內部更加緊實,在一定程度上有效地阻止環境中的CO2進入并在孔隙中存留,抑制炭化進程。所以,實際情況的船舶撞擊作用對碼頭結構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變特性也增加炭化過程的復雜性。
  一些日本學者通過測定經受不同幅值應力和次數的循環壓荷載后的混凝土導電量,發現在靜載條件下,即使幅值荷載水平達到90%的極限強度,混凝土導電量變化也并不明顯,但在循環荷載作用下,當幅值荷載水平達到60%~80%的極限強度時,混凝土導電量會有明顯變化;當幅值荷載水平小于極限應力的50%時,導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,進而對比分析出靜態和循環壓荷載對混凝土中Cl-滲透性的影響。另有一些日本學者采用內部掏空的混凝土試件,在試件內注入氯鹽溶液,進行不同應力水平的循環壓荷載作用下混凝土中Cl-滲透性試驗研究,發現隨著荷載水平不斷提高,Cl-在混凝土中的擴散深度和濃度分布逐漸增加,但在荷載水平小于0.6fc(混凝土標準極限抗壓強度)時,Cl-參透性變化并不大;當荷載水平大于0.6fc時,Cl-滲透性顯著提高。此外,陳偉等通過快速炭化試驗發現Cl-擴散系數在荷載水平較小階段會有顯著下降趨勢,而在荷載水平達到60%fc以上時,呈現陡增的變化過程。這是因為混凝土中原本存在的孔隙或者微裂紋在低荷載水平壓縮狀態下可能會閉合,一定程度上抑制了Cl-的侵入,這個階段實質上是荷載所引起的孔隙率變化對Cl-擴散的影響。當應力水平達到一定級別時,混凝土內部產生新的裂紋并貫通成型后,裂縫則是Cl-擴散滲透的主要因素。
  4工程實例分析
  根據已有的實測資料,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件上,可見船舶撞擊等荷載對碼頭結構產生的不利影響還是很大的。
  混凝土結構一般在一定程度內都是允許帶裂縫工作的,當超過一定限值后需要進行補修加固處理。針對上述碼頭中的蕪湖港某碼頭,根據其劣化現狀、營運要求以及碼頭結構加固規范,確定裂縫修補寬度限制。
  可以通過壓力將結構膠液灌注到裂縫內,漿液固化后將填充裂縫孔隙,阻止外界腐蝕介質繼續侵入,并且將損傷的混凝土重新黏結成1個整體,提高受力性能,從而保證結構的整體性和耐久性。同時,碼頭結構設計也需要為后續的檢修和加固設置相關設施,改善運維條件。
  5結語
  船舶撞擊荷載雖然頻率很小,但是,應力幅值卻很大。它對碼頭結構的損傷規律,尤其是船舶撞擊作用下的耐久性劣化機理必須由國內外學者去探索研究。
  (1)目前針對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,與實際情況不相符??紤]動力響應的仿真分析是很好的研究方法,但怎樣建立與實際情況相吻合的模型和精確控制計算是難點,并且目前在港口行業中應用較少,需要今后深入探索。
  (2)船舶撞擊碼頭結構的損傷主要包括撞擊直接產生的裂紋以及撞擊后結構位移導致應力重分布而產生的間接裂紋。但由于船舶撞擊荷載各要素的不確定性和隨機性,在實際情況中裂紋擴展結果有很大的離散性??茖W建立疲勞裂紋擴展模型是值得研究的課題,并且可為碼頭消能設施的設計和耐久性設計提供理論基礎。
  (3)單因素的混凝土結構耐久性研究已經相對成熟,但是,基于船舶撞擊碼頭結構的耐久性問題更加復雜。對于撞擊荷載作用下混凝土結構耐久性影響因素(炭化、Cl-擴散等)的影響規律,一是現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際的工況下進行的。
 

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