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探究船舶撞击对码头结构耐久性影响

作者2019-03-25 11:34未知
 0引言
  港口作为国际经济文化合作交流的窗口和交通运输的枢纽,对促进资源全球性调动配置以及区域发展发挥着至关重要的作用。我国海岸资源丰富,是世界上海岸线最长的国家之一。改革开放以来,随着中国经济开放度不断提升,对外贸易不断增长,我国港口行业迎来新一轮的高速发展,全国港口货物吞吐量已连续多年稳居世界第一。
  我国港口绝大部分为混凝土结构的码头,由于常年处在海水环境之中,其耐久性问题比在大气环境下更加复杂、严峻。目前,国内外对码头结构耐久性的研究主要集中在混凝土炭化、Cl-侵蚀、冻融破坏、碱-集料反应和钢筋锈蚀等因素上,鲜有从外部荷载出发研究其与耐久性之间的关联性。随着港口规模的不断扩大,码头结构所承受的船舶撞击荷载对耐久性能造成的不良影响日益凸显。本文从船舶撞击荷载引起的结构疲劳损伤入手,分析总结船舶撞击作用对码头结构耐久性的影响原理。
  1船舶撞击问题研究方法现状
  1.1经验公式法
  自20世纪60年代起,各国学者对船舶撞击问题展开研究,目前国际上应用较为广泛的有Woisin公式、AASHTO规范公式、Pedersen公式和Heins-Derucher理论等。由于这些公式参数设置简单、计算方便,所以被广泛应用于工程实际中。但船舶碰撞问题是十分复杂的问题,而这些简化公式本质上属于静力加载状态下经过部分修正而得到的经验公式,不能够反映船舶与码头结构发生碰撞时的经时特性。此外,这些公式没有全面考虑船舶质量、撞击速度、撞击角度和载重量等多种因素的影响,存在一定的局限性,使计算结果或多或少偏离实际情况,导致码头结构设计很难达到最优化状态。
  1.2有限元仿真分析法
  随着计算机仿真技术的高速发展,通过有限元软件可以建立精细化的船舶-码头有限元模型。在保证模型正确和计算控制合理的前提下,可以完整地反映撞击过程中船舶与码头结构的碰撞力、变形、接触情况和能量分配等物理量的经时变化,得到精度较高的计算结果,为研究船舶撞击码头结构提供行之有效的办法。范云生等通过应用ANSYS软件中的LS-DYNA模块,建立船舶-码头结构-地基土的三维有限元模型,模拟船舶在不同影响因素下撞击高桩码头的瞬态过程,得到不同工况下的撞击变化规律,以完成非线性动力响应的计算。
  虽然有限元分析法可以就具体的问题进行相应的数值动态分析,获取与实际情况相符的计算结果,但这是以能够建立正确合理且能真实反映码头实际状态的有限元模型为基础的。所以,仿真难度还是很大的:一是建模过程中的简化假设与实际情况有较大的区别;二是为了得到更为精确的模拟结果,需要建立足够精细化的船舶模型,这需要分析者具备相应的知识储备。此外,利用有限元分析法研究船舶撞击问题目前多应用于桥梁行业中,在港口行业中的应用还需要更多学者继续探索。
  1.3试验分析法
  通过试验分析,可以为经验公式和数值模拟提供辅助验证依据,并且可以直接监测到船舶与码头结构碰撞过程中各物理要素的经时变化,是1种有效的研究手段。因此,国内外学者进行许多模拟试验。李焱等以某25万吨级矿石码头为例,分别在单流、单流和浪流共同作用下,进行系泊船舶撞击力和系缆力试验,分析在单因素和多因素情况下的船舶运动和动力情况。但是,一般船舶-码头原型试验耗资巨大,可行性低,而缩尺试验很难满足模型与真实船型的比例关系,并且各式船型和码头结构细部结构复杂,试验分析具有一定的局限性。
  2船舶撞击荷载对码头结构损伤的影响
  码头结构在营运期间承受的荷载组合复杂,除了上部结构自重荷载、使用荷载、海水静载及波浪往复荷载等外,还会承受由于船舶运动产生的撞击力和系缆力,虽然这些作用的频率较小,但是其产生的应力幅值却非常大。因此,对船舶撞击引起的码头结构损伤应格外重视。
  2.1船舶撞击荷载对结构的损伤
  码头结构的损伤形式多种多样,船舶撞击造成的损伤主要包括:一是撞击荷载直接引起的裂缝,尤其是像船舶撞击这种疲劳荷载会加速裂纹扩展,损伤能力更强;二是由于船舶撞击引起结构的局部位移变形,使结构上产生附加应力,并随位移变形的发展不断积累而增大,当应力超过极限强度时,就会间接导致结构开裂。
  2.2船舶撞击荷载对结构裂纹扩展的影响
  船舶反复撞击码头使混凝土内部损伤逐渐积累,结构的裂纹发展从萌生、扩展、连通到失效破坏。钟铭等通过等幅疲劳荷载试验,研究影响高强混凝土梁疲劳裂缝宽度的主要因素,并根据初始裂缝宽度和受压区混凝土应变增长系数建立疲劳荷载作用下高强混凝土梁的裂缝宽度计算公式,可以准确地预测高强混凝土梁全寿命周期内的裂缝宽度发展规律。
  但是,由于运营期间船舶撞击荷载各要素的随机性和不确定性以及码头材料的非完全均质性和结构层次的模糊性,实际情况的疲劳裂纹扩展现象具有相当的离散性。邹小理提出将随机过程理论与传统断裂力学结合起来,建立随机荷载下疲劳裂纹扩展寿命的统计模型,有效地表征实际工程结构的疲劳裂纹扩展过程。
  3船舶撞击荷载对码头结构耐久性的影响
  3.1单一影响因素下的码头结构耐久性
  港口码头一般多采用钢筋混凝土结构。由于其特殊的服役要求,常年处于多变复杂的外界环境中,多种因素可能会对其耐久性产生较大影响。对于近海海洋环境,总结已有的研究成果,发现影响混凝土结构耐久性最主要的因素有混凝土的炭化、Cl-扩散和钢筋锈蚀等。
  混凝土炭化是指水泥石中的水化产物与环境中的CO2发生反应,这一过程改变混凝土的物理化学性质。炭化反应生成的主要产物CaCO3为不溶性钙盐,当炭化不是很严重时,可以填充混凝土部分孔隙,使混凝土的密实度和强度有所提高;当炭化进一步加剧后,其产物在混凝土内部会产生不可忽视的膨胀应力,进而损伤混凝土结构。另一方面,炭化过程降低混凝土的pH值,使内部的钢筋脱钝,引发钢筋锈蚀。
  正常混凝土是呈强碱性的,能够使内部钢筋周围包裹1层致密的钝化膜,阻止钢筋与外部环境发生反应,保护钢筋不被锈蚀。由于码头长期处于高氯环境中,Cl-能够轻松通过混凝土孔隙进入到钢筋表面。当钢筋表面Cl-浓度达到一定阈值时,致密的钝化膜就会遭到破坏。杨蔚为等通过对不同炭化深度下的Cl-扩散系数测定的试验进行研究分析,得到炭化对于Cl-扩散存在正反两方面的影响:一方面,炭化增加混凝土密实度,阻碍Cl-扩散;另一方面,炭化增加混凝土内毛细孔数量且增加自由Cl-含量,促进Cl-扩散。在实际情况中,炭化对于Cl-扩散系数的影响效应取决于哪一方面的作用更具主导性。
  在钝化膜被破坏后,混凝土中钢筋的锈蚀开始进入第2阶段———电化学腐蚀,反应生成大量Fe(OH)2,进而与O2又反应生成Fe(OH)3,最后变成疏松的红锈,体积膨胀产生应力,使混凝土保护层开裂,O2以及水分和Cl-等更加容易大量进入混凝土内部,钢筋锈蚀进一步加剧,结构最终完全被破坏。
  3.2船舶撞击作用下的码头结构耐久性分析
  如果就单一因素影响而言,国内外学者的研究较为广泛,研究的结论合理成熟。但是,在船舶撞击作用下混凝土结构劣化损伤的过程要复杂得多,尚需要进一步的探讨研究。金祖权等[7]通过快速炭化试验发现混凝土炭化深度随荷载(率)的增大而增加,即在施加荷载后,混凝土的抗炭化能力显著劣化。另有研究表明,在混凝土炭化早期并且外界荷载不足以使结构内部产生微裂纹的时候,作用在码头混凝土结构上的压荷载可以使混凝土内部更加紧实,在一定程度上有效地阻止环境中的CO2进入并在孔隙中存留,抑制炭化进程。所以,实际情况的船舶撞击作用对码头结构炭化的影响是具有阶段性的,并且船舶撞击力和吸能装置在碰撞过程中的时变特性也增加炭化过程的复杂性。
  一些日本学者通过测定经受不同幅值应力和次数的循环压荷载后的混凝土导电量,发现在静载条件下,即使幅值荷载水平达到90%的极限强度,混凝土导电量变化也并不明显,但在循环荷载作用下,当幅值荷载水平达到60%~80%的极限强度时,混凝土导电量会有明显变化;当幅值荷载水平小于极限应力的50%时,导电量的变化也很微弱。通过测定电通量反映混凝土的Cl-渗透性,进而对比分析出静态和循环压荷载对混凝土中Cl-渗透性的影响。另有一些日本学者采用内部掏空的混凝土试件,在试件内注入氯盐溶液,进行不同应力水平的循环压荷载作用下混凝土中Cl-渗透性试验研究,发现随着荷载水平不断提高,Cl-在混凝土中的扩散深度和浓度分布逐渐增加,但在荷载水平小于0.6fc(混凝土标准极限抗压强度)时,Cl-参透性变化并不大;当荷载水平大于0.6fc时,Cl-渗透性显著提高。此外,陈伟等通过快速炭化试验发现Cl-扩散系数在荷载水平较小阶段会有显著下降趋势,而在荷载水平达到60%fc以上时,呈现陡增的变化过程。这是因为混凝土中原本存在的孔隙或者微裂纹在低荷载水平压缩状态下可能会闭合,一定程度上抑制了Cl-的侵入,这个阶段实质上是荷载所引起的孔隙率变化对Cl-扩散的影响。当应力水平达到一定级别时,混凝土内部产生新的裂纹并贯通成型后,裂缝则是Cl-扩散渗透的主要因素。
  4工程实例分析
  根据已有的实测资料,整理出几座高桩码头的损伤检测资料
  这些码头的裂缝、钢筋锈蚀及外露等损伤的位置几乎都是在承受主要荷载的构件上,可见船舶撞击等荷载对码头结构产生的不利影响还是很大的。
  混凝土结构一般在一定程度内都是允许带裂缝工作的,当超过一定限值后需要进行补修加固处理。针对上述码头中的芜湖港某码头,根据其劣化现状、营运要求以及码头结构加固规范,确定裂缝修补宽度限制。
  可以通过压力将结构胶液灌注到裂缝内,浆液固化后将填充裂缝孔隙,阻止外界腐蚀介质继续侵入,并且将损伤的混凝土重新黏结成1个整体,提高受力性能,从而保证结构的整体性和耐久性。同时,码头结构设计也需要为后续的检修和加固设置相关设施,改善运维条件。
  5结语
  船舶撞击荷载虽然频率很小,但是,应力幅值却很大。它对码头结构的损伤规律,尤其是船舶撞击作用下的耐久性劣化机理必须由国内外学者去探索研究。
  (1)目前针对船舶撞击问题的研究成果大多是基于静力加载条件所得到的,与实际情况不相符。考虑动力响应的仿真分析是很好的研究方法,但怎样建立与实际情况相吻合的模型和精确控制计算是难点,并且目前在港口行业中应用较少,需要今后深入探索。
  (2)船舶撞击码头结构的损伤主要包括撞击直接产生的裂纹以及撞击后结构位移导致应力重分布而产生的间接裂纹。但由于船舶撞击荷载各要素的不确定性和随机性,在实际情况中裂纹扩展结果有很大的离散性。科学建立疲劳裂纹扩展模型是值得研究的课题,并且可为码头消能设施的设计和耐久性设计提供理论基础。
  (3)单因素的混凝土结构耐久性研究已经相对成熟,但是,基于船舶撞击码头结构的耐久性问题更加复杂。对于撞击荷载作用下混凝土结构耐久性影响因素(炭化、Cl-扩散等)的影响规律,一是现有的研究较少并各成一派,二是大部分研究是在脱离近海工程实际的工况下进行的。
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