CN104614020B - 高桩码头水平承载力与静动力性状的原位整体检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高桩码头水平承载力与静动力性状的原位整体检测方法，是对已建高桩码头在水平动静荷载下工作状态的检测，包括水平荷载施加、橡胶护舷变形检测或水平荷载的量测、码头结构在水平荷载作用下的受力与变位变形检测、静动力性状等内容。并基于上述检测数据，结合原始勘察设计资料确定的码头设计船型、设计水位、码头荷载以及其他相关基础资料数据，确定高桩码头在水平荷载作用下的工作能力、结构动力性能，评估高桩码头结构质量和使用状况。是一种最直接最可靠的试验方法，它能较为准确地评估现役码头的实际水平承载能力与码头静动力工作特性，为码头检测、安全评估、修复加固以及升等改造工作提供科学依据。

Description

高桩码头水平承载力与静动力性状的原位整体检测方法

技术领域

本发明涉及一种水利工程中港口水工建筑物的检测方法，具体涉及一种对已建高桩码头水平承载力与与静动力性状进行整体检测的方法，是一种最直接最可靠的原位试验方法。

背景技术

高桩码头是一种常见并且重要的码头结构形式，在我国沿海及长江沿岸软土地区有广泛的应用。船舶荷载是高桩码头的重要水平荷载，有时甚至是控制性荷载。受气候和环境因素影响，我国海港码头使用7~25年，有高达89%的码头遭受不同程度的腐蚀破坏；一般使用10年左右，普遍出现因高桩码头耐久性不足而过早失效甚至彻底损坏的现象。码头构件的劣化是港口建设大潮过后面临的严峻问题。对于已严重劣化的高桩码头而言，码头的健康水平能否达到安全服役的要求？已建或新建高桩码头水平承载力与工作性能水平能否满足使用要求或设计要求？影响高桩码头承载力的不确定因素很多，高桩码头承载力的下降通过码头构件检测往往无法准确确定，只有通过整体载荷试验才能对其承载力进行评估。目前，对于高桩码头性状的检测研究主要集中在码头单个构件上，尚无公知的对已建高桩码头在水平动静荷载下工作性状进行原位整体检测的方法。如何设计一种最直接最可靠的试验方法，以准确地评估现役码头的实际水平承载能力与码头静动力工作特性，为码头检测、安全评估、修复加固以及升等改造工作提供科学依据，已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种原位整体检测高桩码头水平承载力与静动力性状的方法，该方法能够在保证码头主体结构安全性和稳定性的前提下，对高桩码头整体结构水平承载力与静动力工作性状进行检测，评定高桩码头的工作能力、结构质量和使用状况，尤其是结构病害劣化与损伤后的高桩码头整体安全状态检测评估。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的高桩码头水平承载力与静动力性状的原位整体检测方法，包括码头测试结构段的选取，水平荷载的施加，码头基桩在水平荷载作用下受力与变形特性的检测，码头横梁在水平荷载作用下的应力、位移、最大动应力与动位移检测，码头结构动力性能的检测和橡胶护舷变形的检测，并基于上述检测数据，结合原始勘察设计资料确定的码头设计船型、设计水位、码头荷载以及其他相关基础资料数据，确定的高桩码头在水平荷载作用下的工作能力、结构动力性能，评估高桩码头结构质量和使用状况。

检测方法的具体实施步骤如下：

（1）检测调查

调查工作主要包括：①原码头勘察设计文件和竣工资料；②建筑物的历史资料；③建筑物检查和维护资料；④现场考察等内容，掌握码头结构设计资料和现场基本情况。

（2）码头测试结构段的选取

综合考虑地质条件最不利位置、结构设计认为荷载最大位置、有异常情况位置，结合测试环境条件、测试目的与要求，选取有代表性的结构段作为测试结构段。

测试前，将测试结构段与其他结构段变形缝的柔性填充材料去除，测试结束后恢复。

（3）水平荷载的施加

本检测包含的水平荷载有：

①码头长度方向（纵向）：沿码头纵向的水平纵向荷载。沿码头纵向的水平荷载通过一个拉力系统产生。该拉力系统设置在码头测试结构段相邻的另一个结构段上，并且固定在靠近码头结构缝的位置。受力系统设置在码头测试结构段。卷扬机通过缆绳施加拉力于受力系统钢板箱基础上的定滑轮。选用的卷扬机要求其电动机能够控制滚筒正反运转。

②码头横断面方向（横向）：沿码头横向的水平横向荷载。利用上述码头长度方向的拉力系统；在选取的码头测试结构段，利用测试结构段受力金属（箱）板中部设置的定滑轮（兼做导向定滑轮）；卷扬机的缆绳通过（导向）定滑轮与水中浮箱（或其他浮体）连接。如该定滑轮位置距码头前沿较远，影响浮箱靠泊测试位置，则在码头前沿需测试横向排架端部的码头面加设一个（导向）定滑轮，以控制缆绳作用位置。通过缆绳拉动浮箱以计算所得的（控制）速度驶向码头横向排架。在浮箱接近横向排架时停止拉动缆绳，浮箱依靠惯性继续驶向码头横向排架。

（4）橡胶护舷变形的检测

施加在码头横向排架的水平荷载，可采取大量程的位移传感器来测定橡胶护舷的变形量，或者采用激光测距仪来采集记录护舷变形量，进而确定作用于横向排架的水平荷载。

有条件时，水平荷载可用仪器直接量测。

（5）码头基桩在水平荷载作用下受力与变形特性的检测

码头基桩的检测主要选用倾角计，配合动态采集系统，检测内容包括桩身位移（记录测点至泥面距离）、桩身弯矩，桩身转角、最大位移。

有条件时，推荐采用光电图像式挠度检测仪（可进行远距离非接触式挠度检测）进行挠度检测。

（6）码头横梁在水平荷载作用下的应力、位移、最大动应力与动位移检测

采用振弦式应变计，动态位移传感器等配合动态采集系统。横梁内力的大小可根据各测点测出的应变，经计算求得。检测浮箱靠泊时码头横梁顶面、中和轴侧表面、横梁与桩帽连接处等部位的应力与位移、最大动应力与动位移。

（7）码头结构动力性能的检测

通过测定自然环境如潮汐和风或水流作用产生的微振动来确定码头结构的基本阻尼特性；利用拉力系统及受力系统使码头产生沿纵向或沿横向的水平位移，使用电子位移计等来获取码头的响应幅度，分析码头振动的频率及阻尼，以此评估不同情况下码头结构的动态性能。

（8）码头结构安全性计算评估

依据原始勘察设计资料确定的码头设计船型、设计水位、码头荷载以及其他相关基础资料数据，并结合以上检测过程确定高桩码头在水平荷载作用下的工作能力、结构动力性能，评估高桩码头结构质量和使用状况。

有益效果：

①提出了一种系统的原位整体检测高桩码头的水平承载力与与静动力性状的方法。该方法能够在保证码头主体结构安全性和稳定性的前提下，对码头结构水平承载力与静动力性状进行检测，评定高桩码头的工作能力、结构质量和使用状况。

②采用了卷扬机、振动及动态信号采集仪、数字动态应变仪、电阻应变片、倾角计、动态位移传感器、钢卷尺、数码相机等较为简单或常用的仪器，既可以准确检测评估高桩码头结构的整体安全性，又具有操作简便、经济的特点。

③高桩码头在水平荷载作用下工作性状的原位整体检测评估方法，解决了高桩码头改造升级过程中安全性检测评估困难的问题，尤其是结构病害劣化与损伤后的码头整体安全水平检测评估问题。本发明能较为准确地评估现役码头的实际水平承载能力与码头静动力工作特性，为码头检测、安全评估、修复加固以及升等改造等工作提供科学依据。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的高桩码头水平承载力与静动力性状的原位整体检测方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例中惯性速度传感器安装示意图；

图2是本发明实施例中拉力与受力系统安装平面示意图；

图3是图2的剖视图；

图4是图2中钢板箱基础的结构示意图；

图5是图2中螺栓的结构示意图；

图6是倾角计桩身安装示意图；

图7是应变计桩身安装示意图；

图8是应变计横梁侧表面安装示意图；

图9是动态位移传感器安装示意图；

图10是加速度计安装示意图；

图11是电子位移计安装示意图。

具体实施方式

实施例：

本实施例的检测方法包括以下步骤：

1、测定码头结构的基本阻尼特性

如图1所示，选取码头结构缝2之间的一个码头测试结构段1，在其面板上安装四个惯性速度传感器20，来检测自然环境如潮汐和风或水流作用下结构的动力学特性。其中，三个安装在横向，一个安装在纵向。

2、安装拉力与受力系统及施加水平荷载

如图2和图3所示，为了对码头分别施加沿码头纵向的水平纵向荷载和沿码头横向的水平横向荷载，在码头的两个结构段之间安装一个拉力与受力系统，包含拉力系统4和受力系统5。

①码头长度方向（纵向）：沿码头纵向的水平纵向荷载。沿码头纵向的水平荷载通过一个拉力系统4产生。拉力系统4由用螺栓10固定的钢垫板9、固定型钢11、卷扬机15构成，该拉力系统4设置在码头测试结构段1相邻的另一个结构段上，固定在靠近码头结构缝2的位置。受力系统5由用螺栓10固定的钢板箱基础12、固定型钢11、固定钢棒13、定滑轮14组成，设置在码头测试结构段1的面板8及横梁6和纵梁7交叉处的上方。卷扬机15通过缆绳施加拉力于受力系统钢板箱基础上的定滑轮14。其中钢板箱基础12的结构如图4所示，螺栓10的安装方式如图5所示。

②码头横断面方向（横向）：沿码头横向的水平横向荷载。在选取的码头测试结构段1，利用上述沿码头长度方向的受力系统5，利用受力钢板箱基础12中部的固定钢棒13上设置的定滑轮14（兼做导向定滑轮）。卷扬机15的缆绳通过（导向）定滑轮14与水中浮箱（或其他浮体）连接。如定滑轮14位置距码头前沿较远，影响浮箱靠泊测试位置，则在码头前沿需测试横向排架端部的码头面加设（导向）定滑轮，以控制缆绳作用位置。通过缆绳拉动浮箱以计算所得的（控制）速度驶向码头需测试横向排架。在浮箱接近横向排架（可取3～5米）时停止拉动缆绳，浮箱依靠惯性继续驶向码头横向排架。

浮箱内可放置沙包或土袋或其他重物。浮箱的质量，可根据浮箱作用于码头有效动能的估算需要，通过增减箱内重物来调整。

施加荷载的分级：根据设计荷载或有关规范预估极限荷载，一般取预估水平极限荷载的1/10～1/15作为每级荷载的加载增量。加载时间间隔15分钟。进行三次以上重复试验。

试验终止条件：在恒定荷载作用下，横向位移急剧增加，变形速率逐渐加快；或结构到达极限破坏状态；或已达到试验要求的最大荷载或最大位移。

3、检测橡胶护舷的变形

在施加沿码头横向的水平荷载时，可采取大量程的位移传感器来测定橡胶护舷的变形。将大位移计的测杆垂直横向排架端部设置、测杆伸至码头护舷外侧缘，固定位移计。当浮箱接触码头护舷以及测杆时，传感器即将测杆的机械位移变换成电量的变化，并输入动态应变仪放大，通过示波器记录出整个靠泊过程护舷的变形，通过波形分析浮箱与护舷的作用时间。或者采用激光测距仪来采集记录护舷变形量。如检测浮箱的运动状态，可采用靠泊仪进行检测。结合护舷反力-变形曲线可得水平荷载。

有条件时，水平荷载可用仪器直接量测。

4、检测码头基桩在水平荷载作用下受力与变形特性

码头基桩的检测主要包括桩身位移（记录测点至泥面距离）、桩身弯矩，桩身转角、最大位移。

①如图6所示，在单根桩上安装布置倾角计17。测前先将仪器17固定在桩身16上，测量传感器17到桩顶的距离。浮箱靠泊时，仪器17自动进行监测角度的变化，分析读出最大测试角度。桩身16转角测试时，在同一桩身16上布置两个倾角计17，能有效校核检测数据，进一步完善桩身16转角测试值。

②位移测试仪器的选型与桩身转角测试仪器相同。对基桩位移的检测拟在水面以上1.0D、桩顶部表面设置两个位移测点测定桩身位移。结合桩身转角测试值分析桩身挠曲变形。

③如图7所示，测点的布置选择水面以上可测试范围，测点应对称布置，沿桩长方向每隔1.0D粘贴应变计18，当浮箱靠泊码头时，该点沿应变计18方向产生应变ε时，通过导线接入动态采集系统中，自动记录各测点在整个靠泊过程中的应变变化曲线，通过分析计算得出桩身16对称位置的应力变化，根据桩身16的截面形状分析截面的弯矩值。

有条件时，推荐采用光电图像式挠度检测仪（可进行远距离非接触式挠度检测）进行挠度检测。

5、检测码头横梁在水平荷载作用下的应力、位移、最大动应力与动位移

检测浮箱靠泊时码头横梁6顶面、横梁6中和轴侧表面、横梁6与桩帽连接处的应力与位移、最大动应力与动位移。

①如图8所示，在横梁6侧表面安装应变计18。应变计采用振弦式应变计18，振弦式应变计18采用相应的专用仪器测试。在被测试横梁6侧表面、横梁6与桩帽连接处的位置布置测点，在每个测点粘贴应变片18，当浮箱靠泊码头时，该点沿应变片18方向产生应变ε时，应变片18也随之变形，通过导线接入动态采集系统中，自动记录各测点在整个靠泊过程中的应变变化曲线，通过分析计算得出横梁6在浮箱靠泊时产生的最大动应力。应变测试断面主要选靠泊过程应力响应较大的面，根据需要测出相邻断面的应变变化。

②如图9所示，位移测试现场采用动态位移传感器19。针对横梁6的位移测量，是将动态位移传感器19安装在测试横梁6（码头前沿）上，通过信号线接入动态采集系统。分两种工况（1、测试该排架及其相邻2个横向排架的桩与横梁；2、测试该排架及其上下游相邻各2个横向排架的桩与横梁），浮箱靠泊荷载作用在端部和中部排架时排架产生振动，仪器自动记录被测试排架在整个靠泊过程中的曲线，通过分析计算得出两种工况下排架在浮箱靠泊时产生的最大动位移。测点布置根据测试要求在码头前方平台中选取横向排架进行浮箱靠泊荷载作用下的位移测试。

6、检测码头结构动力性能

如图10所示，在码头测试结构段1的面板上安装五个加速度计21，其中，两个安装在横向，三个安装在纵向，并靠近码头结构缝2。

如图11所示，在码头测试结构段1的面板上安装五个电子位移计22，紧贴码头结构缝2内侧设置，其中，一个安装在横向，四个安装在纵向。

利用拉力与受力系统3使码头产生沿纵向或沿横向的初始水平位移，并释放水平荷载，使用电子位移计22来获取码头的响应幅度，分析码头振动的频率及阻尼，以此评估不同情况下码头结构的动态性能。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高桩码头水平承载力与静动力性状的原位整体检测方法，其特征在于：包括码头测试结构段的选取，水平荷载的施加，码头基桩在水平荷载作用下受力与变形特性的检测，码头横梁在水平荷载作用下的应力、位移、最大动应力与动位移检测，码头结构动力性能的检测和橡胶护舷变形的检测，并基于上述检测数据，结合原始勘察设计资料确定的码头设计船型、设计水位、码头荷载以及其他相关基础资料数据，确定高桩码头在水平荷载作用下的工作能力和结构动力性状，评估高桩码头结构质量和使用状况；

所述码头测试结构段的选取是从地质条件最不利位置、结构设计认为荷载最大位置、有异常情况位置中，结合测试环境条件、测试目的与要求，选取测试结构段；

所述水平荷载包括沿码头长度方向的纵向荷载和沿码头断面的横向荷载，采用拉力系统与受力系统进行施加；所述拉力系统设置在码头测试结构段相邻的另一个结构段上，并且靠近码头结构缝的位置，所述受力系统设置在码头测试结构段上；

所述拉力系统具有钢垫板，所述钢垫板上固定连接有卷扬机；

所述受力系统具有钢板箱基础，所述钢板箱基础上通过固定钢棒安装有定滑轮；

所述钢板箱基础和钢垫板通过螺栓固定安装于码头结构段横梁与纵梁交叉处上方的面板上。

2.根据权利要求1所述的高桩码头水平承载力与静动力性状的原位整体检测方法，其特征在于：所述纵向荷载通过卷扬机牵引缆绳施加拉力至钢板箱基础上的定滑轮；所述横向荷载是将卷扬机的缆绳通过受力系统的定滑轮与水中浮箱连接，拉动浮箱以特定速度驶向码头横向排架，在浮箱接近横向排架时停止拉动缆绳，使浮箱依靠惯性继续驶向码头横向排架。

3.根据权利要求1所述的高桩码头水平承载力与静动力性状的原位整体检测方法，其特征在于：所述码头基桩的检测采用倾角计，配合动态采集系统，检测内容包括桩身位移、桩身弯矩，桩身转角、最大位移；或采用光电图像式挠度检测仪进行远距离非接触式挠度检测。

4.根据权利要求1所述的高桩码头水平承载力与静动力性状的原位整体检测方法，其特征在于：所述码头横梁在水平荷载作用下的应力、位移、最大动应力与动位移检测采用振弦式应变计，动态位移传感器配合动态采集系统，检测浮箱靠泊时码头横梁顶面、横梁中和轴侧表面、横梁与桩帽连接处部位的应力与位移、最大动应力与动位移；横梁应力的大小根据各测点测出的应变计算求得。

5.根据权利要求1所述的高桩码头水平承载力与静动力性状的原位整体检测方法，其特征在于：所述码头结构动力性能的检测包括测定自然环境中潮汐、风、水流作用产生的微振动来确定码头结构的基本阻尼特性，利用拉力系统及受力系统使码头产生沿纵向或沿横向的水平位移，使用电子位移计来获取码头的响应幅度，分析码头振动的频率及阻尼，以此评估不同情况下码头结构的动态性能。