為保證基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)物在全壽命周期內(nèi)的安全性、適用性和耐久性，以合理設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化施工獲得結(jié)構(gòu)物良好初始狀態(tài)的同時(shí)，營(yíng)運(yùn)階段的定期健康診斷和維護(hù)也十分重要。健康診斷的全面性、準(zhǔn)確性對(duì)維護(hù)措施的針對(duì)性、有效性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。

健康診斷方式包括定期檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。相對(duì)于定期檢測(cè)，監(jiān)測(cè)無(wú)需破壞結(jié)構(gòu)物，監(jiān)測(cè)點(diǎn)可設(shè)置在人員無(wú)法進(jìn)入的區(qū)域，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更為全面并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取，對(duì)營(yíng)運(yùn)影響較小，可做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷。健康監(jiān)測(cè)在公路、橋梁領(lǐng)域已得到較為廣泛的應(yīng)用，但在港口碼頭領(lǐng)域，相關(guān)應(yīng)用及研究較少。

高樁碼頭是港口碼頭中的一種，由樁基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)組成，樁可為鋼管樁或混凝土樁，上部結(jié)構(gòu)多采用混凝土梁板形式。下面就以珠海高欄港某集裝箱碼頭工程為例，介紹其耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工，以期為開(kāi)展海洋環(huán)境中高樁碼頭結(jié)構(gòu)的耐久性監(jiān)測(cè)提供一定的工程指導(dǎo)。

01 海洋環(huán)境高樁碼頭監(jiān)測(cè)指標(biāo)

實(shí)施健康監(jiān)測(cè)應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)類型及其所處環(huán)境，從結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)和可能出現(xiàn)的破損形式出發(fā)，優(yōu)選監(jiān)測(cè)方法，合理布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，才能充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)效果，并提高經(jīng)濟(jì)性。

高樁碼頭上部結(jié)構(gòu)耐久性受到破壞主要由鋼筋銹蝕、載荷作用和樁坡體系不均勻沉降造成。其中氯離子侵入引發(fā)的鋼筋銹蝕是海洋環(huán)境中高樁碼頭上部結(jié)構(gòu)耐久性降低的最主要原因。我國(guó)于20世紀(jì)80年代前建成的海港高樁碼頭，僅5~10年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕。1987~1996年期間建成的碼頭，在使用13~17年后，多數(shù)構(gòu)件表面出現(xiàn)銹蝕痕跡，部分出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的銹蝕開(kāi)裂現(xiàn)象。

隨著建造水平的提高，碼頭壽命大幅提升，但耐久性問(wèn)題依然較為突出。不同區(qū)域發(fā)生銹蝕的嚴(yán)重程度從大到小依次為：浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)、大氣區(qū)、水下區(qū)。

高樁碼頭上部結(jié)構(gòu)基本處在浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)，混凝土暴露在腐蝕發(fā)生最為嚴(yán)重的區(qū)域。已有調(diào)查顯示，樁帽、縱橫梁、面板等構(gòu)件破損影響上部結(jié)構(gòu)的耐久性。因而在健康監(jiān)測(cè)中，應(yīng)以耐久性為主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

研究表明載荷作用影響氯離子的滲透，特定載荷條件有利于氯離子滲透，加速構(gòu)件破損導(dǎo)致耐久性劣化。另一方面，高樁碼頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其對(duì)船舶、風(fēng)浪、堆載等各種載荷作用的敏感度。因此，在實(shí)施耐久性監(jiān)測(cè)的同時(shí)也應(yīng)實(shí)施載荷監(jiān)測(cè)。

02 耐久性監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前，混凝土耐久性監(jiān)測(cè)主要采用半電池電位技術(shù)、宏電池電流技術(shù)、線性極化電阻技術(shù)等電化學(xué)方法。另外還有多功能耐久性監(jiān)測(cè)技術(shù)，如中交四航工程研究院自主研發(fā)的基于多功能耐久性監(jiān)測(cè)技術(shù)的傳感器，可實(shí)現(xiàn)氯離子濃度、pH的測(cè)量；鋼筋電極、輔助電極和參比電極組成的三電極體系可實(shí)現(xiàn)鋼筋電位、線性極化電阻的測(cè)量。

不同監(jiān)測(cè)技術(shù)各具特點(diǎn)，半電池電位技術(shù)監(jiān)測(cè)鋼筋銹蝕只可定性判定鋼筋銹蝕狀態(tài)，無(wú)法定量測(cè)量腐蝕速率，也無(wú)法對(duì)鋼筋銹蝕進(jìn)行預(yù)測(cè)。采用半電池電位技術(shù)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部氯離子濃度，可通過(guò)監(jiān)測(cè)值的實(shí)時(shí)變化，推算鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到臨界值的時(shí)間，但影響測(cè)量結(jié)果的因素較多，分析評(píng)價(jià)時(shí)需要綜合判斷。基于宏電池電流技術(shù)的陽(yáng)極梯系統(tǒng)目前應(yīng)用較廣泛，可以預(yù)測(cè)鋼筋銹蝕的起始時(shí)間，但無(wú)法監(jiān)測(cè)導(dǎo)致鋼筋銹蝕的氯離子濃度。線性極化電阻技術(shù)主要用于計(jì)算銹蝕開(kāi)始后鋼筋的腐蝕速率，也可通過(guò)極化電阻大小定性判斷鋼筋是否發(fā)生銹蝕。目前除半電池電位技術(shù)監(jiān)測(cè)鋼筋銹蝕有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)之外，其他技術(shù)均未有相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

03 碼頭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

珠海高欄港某碼頭工程包括一個(gè)100000t的泊位和三個(gè)50000t的泊位，碼頭岸線長(zhǎng)1700m、寬42m，碼頭為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為鋼管樁，上部結(jié)構(gòu)包括現(xiàn)澆樁帽、現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制/現(xiàn)澆縱梁、預(yù)制/現(xiàn)澆面板。

工程設(shè)計(jì)水位為：極端高水位3.90m；設(shè)計(jì)高水位2.76m；設(shè)計(jì)低水位0.33m；極端低水位-0.39m。根據(jù)JTS 153-2015《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，計(jì)算該工程的環(huán)境劃分區(qū)域?yàn)椋?gt;4.26m為大氣區(qū)，4.26~1.76m為浪濺區(qū)，1.76~-0.67m為水位變動(dòng)區(qū)，<-0.67m為水下區(qū)。該工程碼頭頂面高程4.95m，樁帽底高程1.0m，可見(jiàn)，上部結(jié)構(gòu)基本都處在發(fā)生腐蝕最為嚴(yán)重的浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)。

總體設(shè)計(jì)原則

根據(jù)高樁碼頭的特點(diǎn)及工程環(huán)境特征，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則如下：

1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取腐蝕最為嚴(yán)重的位置。高樁碼頭上部結(jié)構(gòu)多處在腐蝕惡劣的浪濺區(qū)，在干濕循環(huán)作用下，該區(qū)域氯離子滲透最快，氧氣、水分充足，腐蝕最為嚴(yán)重。

2 考慮傳感器的使用壽命，同時(shí)為了便于作平行對(duì)比分析，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更可信，監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均分布于碼頭三個(gè)不同的斷面中。

3 不同種類構(gòu)件由于自身結(jié)構(gòu)不同，受力狀態(tài)不一樣，耐久性劣化過(guò)程也有所區(qū)別，對(duì)于同一類構(gòu)件，預(yù)制與現(xiàn)澆的混凝土質(zhì)量不一致，因此選擇的監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要涵蓋不同種類混凝土構(gòu)件，并能反映不同的施工工藝。

4 高樁碼頭海側(cè)受到較多的海浪沖擊、船體碰撞等動(dòng)載荷，故監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要位于碼頭海側(cè)。由于拉應(yīng)力對(duì)混凝土耐久性有不利影響，構(gòu)件中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在受拉應(yīng)力最大的區(qū)域。

5 為降低測(cè)量結(jié)果的干擾，減小電纜長(zhǎng)度，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面均設(shè)置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置在碼頭146排架（19結(jié)構(gòu)段）、178排架（23結(jié)構(gòu)段）以及199排架（25結(jié)構(gòu)段）。每個(gè)斷面布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于樁帽、現(xiàn)澆橫梁、縱梁、預(yù)制面板和現(xiàn)澆面板上。現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制縱梁的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于梁跨中底部，預(yù)制面板的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于底部中心位置。

監(jiān)測(cè)傳感器選擇

高樁碼頭破損主要由混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化造成，因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要以耐久性監(jiān)測(cè)為主。該工程選用了基于不同技術(shù)的參比電極、陽(yáng)極梯和多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器，通過(guò)綜合分析不同監(jiān)測(cè)傳感器得到的結(jié)果，獲得更為準(zhǔn)確的耐久性監(jiān)測(cè)結(jié)果。基于宏電池電流技術(shù)的陽(yáng)極梯傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕鋒線位置的確定和跟蹤，推算其到達(dá)鋼筋表面的時(shí)間。多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器可通過(guò)監(jiān)測(cè)特定深度的氯離子濃度隨時(shí)間的變化，對(duì)結(jié)構(gòu)物壽命進(jìn)行推算。兩種監(jiān)測(cè)傳感器同時(shí)埋在同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)兩種監(jiān)測(cè)方法的對(duì)比分析。預(yù)埋參比電極，一方面對(duì)陽(yáng)極的銹蝕情況作進(jìn)一步核實(shí)，同時(shí)可對(duì)多功能監(jiān)測(cè)傳感器自帶參比電極進(jìn)行校核。

由于構(gòu)件耐久性受載荷作用的影響，因此在監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)埋應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)構(gòu)件的受力情況，為后續(xù)荷載作用下的耐久性演化規(guī)律的研究提供必要條件，考慮到長(zhǎng)久性與經(jīng)濟(jì)性，選用鋼弦式應(yīng)變計(jì)。

數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)

圖1 遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集與傳輸示意圖

如圖1所示，數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)由采集模塊和傳輸模塊兩部分組成。前者實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取及模數(shù)轉(zhuǎn)換，后者通過(guò)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

每個(gè)采集模塊與一個(gè)傳感器連接。多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器的采集模塊可進(jìn)行腐蝕電位、氯離子電位、pH等參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)可對(duì)傳感器中鋼筋電極、不銹鋼輔助電極、參比電極組成的三電極體系施加電位擾動(dòng)，記錄不同電位擾動(dòng)下的電流。陽(yáng)極梯的采集模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)各陽(yáng)極與陰極間的電壓和短接電流、混凝土電阻、溫度等參數(shù)的測(cè)量。采集模塊將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并通過(guò)RS485接口和Modbus通信協(xié)議與傳輸模塊連接。

傳輸模塊可同時(shí)與多個(gè)采集模塊連接，識(shí)別采集模塊的類型，定時(shí)向各采集模塊發(fā)送采集指令及數(shù)據(jù)回傳指令，獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)協(xié)議封裝后發(fā)送到4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至部署在云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的無(wú)線連接。連上互聯(lián)網(wǎng)的客戶端電腦可以通過(guò)Web網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)，獲取結(jié)構(gòu)物耐久性數(shù)據(jù)。

04 碼頭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建

陽(yáng)極梯傳感器安裝

用扎帶將陽(yáng)極梯傳感器固定在鋼筋籠外側(cè)、混凝土保護(hù)層中，固定后調(diào)整其傾斜角度，并測(cè)量各陽(yáng)極與模板的距離。陰極必須與鋼筋絕緣，安裝接觸點(diǎn)間采用橡膠墊隔離，連接鋼筋通過(guò)焊接固定在鋼筋籠上，保證其與鋼筋的電連接。傳感器先于模板安裝的情況下，應(yīng)在傳感器周圍放置墊塊，并在模板安裝后和混凝土澆筑前測(cè)量傳感器監(jiān)測(cè)面與模板的距離，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)澆面層陽(yáng)極梯傳感器安裝圖

多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器安裝

多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器的安裝固定借助特制不銹鋼支架，支架由兩組U形鋼棒和鋼片組成，如圖3所示，U形鋼棒中間部分用于支撐傳感器，兩腿帶螺紋，穿過(guò)鋼片的兩個(gè)預(yù)留孔。

圖3 用于安裝多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器的不銹鋼支架

如圖4所示，傳感器先安裝在支架上，再整體固定在鋼筋上。調(diào)節(jié)U形鋼棒與鋼片的相對(duì)位置，確定傳感器監(jiān)測(cè)面的埋深，最后用螺母固定U形鋼棒與鋼片。傳感器先于模板安裝的情況下，應(yīng)在傳感器周圍放置墊塊，并在模板安裝后混凝土澆筑前測(cè)量傳感器監(jiān)測(cè)面與模板的距離。

圖4 多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器安裝圖

參比電極及應(yīng)變計(jì)的安裝

如圖5所示，參比電極和應(yīng)變計(jì)采用扎帶固定在鋼筋籠上。參比電極在澆筑混凝土前應(yīng)去掉蓋帽，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝兩個(gè)應(yīng)變計(jì)，沿主筋和箍筋兩個(gè)垂直方向。

（a）參比電極

（b）應(yīng)變計(jì)

圖5 參比電極及應(yīng)變計(jì)的安裝

電纜鋪設(shè)

在安裝前，對(duì)所有電纜進(jìn)行穿軟管處理，保護(hù)電纜在施工期間不受損壞。電纜始終沿鋼筋鋪設(shè)。每隔50cm用扎帶將電纜固定在鋼筋上。同一監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)所有電纜鋪設(shè)在混凝土內(nèi)部，統(tǒng)一引到碼頭海側(cè)，并從碼頭面引出，引出處用PVC管保護(hù)，并在引出處上方安裝采集電箱。

采集電箱安裝

工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)兼具遠(yuǎn)程采集及現(xiàn)場(chǎng)采集的功能。現(xiàn)場(chǎng)采集點(diǎn)安裝電箱，電箱采用不銹鋼制作，外加涂層保護(hù)，用膨脹螺栓安裝于碼頭面軌道梁外側(cè)。同一斷面所有監(jiān)測(cè)傳感器的電纜統(tǒng)一匯集到碼頭面海側(cè)，并在電纜引出處安裝電箱。匯總的電纜從底部進(jìn)入電箱內(nèi)部。

圖6 電箱內(nèi)門中測(cè)試終端的布置

如圖6所示，電箱設(shè)置內(nèi)門，同一監(jiān)測(cè)斷面中有5個(gè)陽(yáng)極梯傳感器、5個(gè)多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器以及5個(gè)參比電極的測(cè)量終端，應(yīng)變數(shù)采儀安裝在內(nèi)門，便于現(xiàn)場(chǎng)采集。同時(shí)電箱內(nèi)預(yù)留無(wú)線采集單元安裝的位置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。

結(jié)論

1 耐久性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建遵從以下原則：監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取在腐蝕最為嚴(yán)重的位置，平均分布于碼頭三個(gè)不同的斷面中；監(jiān)測(cè)點(diǎn)涵蓋不同的構(gòu)件和施工工藝，在同一構(gòu)件受拉應(yīng)力影響最大的區(qū)域設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)置在碼頭頂面，每個(gè)斷面設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。

2 每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)埋陽(yáng)極梯傳感器、參比電極和多功能耐久性監(jiān)測(cè)傳感器，可對(duì)宏電池電流、半電池電位、氯離子電位、pH、鋼筋銹蝕速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)多種監(jiān)測(cè)結(jié)果的原位對(duì)比。

3 數(shù)據(jù)采集采用現(xiàn)場(chǎng)采集與無(wú)線采集并行的方式，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置采集電箱，滿足現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的需要。同時(shí)，電箱中安放監(jiān)測(cè)采集儀可實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程、無(wú)人、自動(dòng)化采集。