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、標準化施工獲得結(jié)構(gòu)物良好初始狀態(tài)的同時，營運階段的定期健康診斷和維護也十分重要。健康診斷的全面性、準確性對維護措施的針對性、有效性和經(jīng)濟性至關(guān)重要。

健康診斷方式包括定期檢測和監(jiān)測。相對于定期檢測，監(jiān)測無需破壞結(jié)構(gòu)物，監(jiān)測點可設(shè)置在人員無法進入的區(qū)域，監(jiān)測數(shù)據(jù)更為全面并可實現(xiàn)遠程獲取，對營運影響較小，可做到實時監(jiān)測、診斷。健康監(jiān)測在公路、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)測系統(tǒng)的設(shè)計和施工，以期為開展海洋環(huán)境中高樁碼頭結(jié)構(gòu)的耐久性監(jiān)測提供一定的工程指導(dǎo)。

01 海洋環(huán)境高樁碼頭監(jiān)測指標

實施健康監(jiān)測應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)類型及其所處環(huán)境，從結(jié)構(gòu)薄弱點和可能出現(xiàn)的破損形式出發(fā)，優(yōu)選監(jiān)測方法，合理布設(shè)監(jiān)測點，才能充分發(fā)揮監(jiān)測效果，并提高經(jīng)濟性。

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。我國于20世紀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)了較為嚴重的銹蝕開裂現(xiàn)象。

隨著建造水平的提高，碼頭壽命大幅提升，但耐久性問題依然較為突出。不同區(qū)域發(fā)生銹蝕的嚴重程度從大到小依次為：浪濺區(qū)、水位變動區(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)和水位變動區(qū)，混凝土暴露在腐蝕發(fā)生最為嚴重的區(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)測中，應(yīng)以耐久性為主要監(jiān)測指標。

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)特點決定了其對船舶、風(fēng)浪、堆載等各種載荷作用的敏感度。因此，在實施耐久性監(jiān)測的同時也應(yīng)實施載荷監(jiān)測。

02 耐久性監(jiān)測技術(shù)

目前，混凝土耐久性監(jiān)測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)測技術(shù)的傳感器，可實現(xiàn)氯離子濃度、pH的測量；鋼筋電極、輔助電極和參比電極組成的三電極體系可實現(xiàn)鋼筋電位、線性極化電阻的測量。

不同監(jiān)測技術(shù)各具特點，半電池電位技術(shù)監(jiān)測鋼筋銹蝕只可定性判定鋼筋銹蝕狀態(tài)，無法定量測量腐蝕速率，也無法對鋼筋銹蝕進行預(yù)測。采用半電池電位技術(shù)監(jiān)測混凝土內(nèi)部氯離子濃度，可通過監(jiān)測值的實時變化，推算鋼筋表面氯離子濃度達到臨界值的時間，但影響測量結(jié)果的因素較多，分析評價時需要綜合判斷。基于宏電池電流技術(shù)的陽極梯系統(tǒng)目前應(yīng)用較廣泛，可以預(yù)測鋼筋銹蝕的起始時間，但無法監(jiān)測導(dǎo)致鋼筋銹蝕的氯離子濃度。線性極化電阻技術(shù)主要用于計算銹蝕開始后鋼筋的腐蝕速率，也可通過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)測鋼筋銹蝕有相應(yīng)標準之外，其他技術(shù)均未有相應(yīng)的評價標準。

03 碼頭監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

珠海高欄港某碼頭工程包括一個100000t的泊位和三個50000t的泊位，碼頭岸線長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)計水位為：極端高水位3.90m；設(shè)計高水位2.76m；設(shè)計低水位0.33m；極端低水位-0.39m。根據(jù)JTS 153-2015《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標準》，計算該工程的環(huán)境劃分區(qū)域為：>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，上部結(jié)構(gòu)基本都處在發(fā)生腐蝕最為嚴重的浪濺區(qū)和水位變動區(qū)。

總體設(shè)計原則

根據(jù)高樁碼頭的特點及工程環(huán)境特征，監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原則如下：

1 監(jiān)測點選取腐蝕最為嚴重的位置。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，腐蝕最為嚴重。

2 考慮傳感器的使用壽命，同時為了便于作平行對比分析，使監(jiān)測結(jié)果更可信，監(jiān)測點平均分布于碼頭三個不同的斷面中。

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，耐久性劣化過程也有所區(qū)別，對于同一類構(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)測點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、船體碰撞等動載荷，故監(jiān)測點主要位于碼頭海側(cè)。由于拉應(yīng)力對混凝土耐久性有不利影響，構(gòu)件中的監(jiān)測點應(yīng)設(shè)置在受拉應(yīng)力最大的區(qū)域。

5 為降低測量結(jié)果的干擾，減小電纜長度，每個監(jiān)測斷面均設(shè)置數(shù)據(jù)采集點。

監(jiān)測點設(shè)置

3個監(jiān)測斷面設(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）。每個斷面布置5個監(jiān)測點，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)測點位于梁跨中底部，預(yù)制面板的監(jiān)測點位于底部中心位置。

監(jiān)測傳感器選擇

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)測系統(tǒng)主要以耐久性監(jiān)測為主。該工程選用了基于不同技術(shù)的參比電極、陽極梯和多功能耐久性監(jiān)測傳感器，通過綜合分析不同監(jiān)測傳感器得到的結(jié)果，獲得更為準確的耐久性監(jiān)測結(jié)果。基于宏電池電流技術(shù)的陽極梯傳感器可實現(xiàn)對腐蝕鋒線位置的確定和跟蹤，推算其到達鋼筋表面的時間。多功能耐久性監(jiān)測傳感器可通過監(jiān)測特定深度的氯離子濃度隨時間的變化，對結(jié)構(gòu)物壽命進行推算。兩種監(jiān)測傳感器同時埋在同一監(jiān)測點，可實現(xiàn)兩種監(jiān)測方法的對比分析。預(yù)埋參比電極，一方面對陽極的銹蝕情況作進一步核實，同時可對多功能監(jiān)測傳感器自帶參比電極進行校核。

由于構(gòu)件耐久性受載荷作用的影響，因此在監(jiān)測點預(yù)埋應(yīng)變計，監(jiān)測構(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，考慮到長久性與經(jīng)濟性，選用鋼弦式應(yīng)變計。

數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)

圖1 遠程無線數(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。前者實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動獲取及模數(shù)轉(zhuǎn)換，后者通過4G無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸。

每個采集模塊與一個傳感器連接。多功能耐久性監(jiān)測傳感器的采集模塊可進行腐蝕電位、氯離子電位、pH等參數(shù)的測量，同時可對傳感器中鋼筋電極、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，記錄不同電位擾動下的電流。陽極梯的采集模塊可實現(xiàn)對各陽極與陰極間的電壓和短接電流、混凝土電阻、溫度等參數(shù)的測量。采集模塊將獲得的數(shù)據(jù)進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并通過RS485接口和Modbus通信協(xié)議與傳輸模塊連接。

傳輸模塊可同時與多個采集模塊連接，識別采集模塊的類型，定時向各采集模塊發(fā)送采集指令及數(shù)據(jù)回傳指令，獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議封裝后發(fā)送到4G無線網(wǎng)絡(luò)，通過無線網(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)，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的無線連接。連上互聯(lián)網(wǎng)的客戶端電腦可以通過Web網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進行訪問，獲取結(jié)構(gòu)物耐久性數(shù)據(jù)。

04 碼頭監(jiān)測系統(tǒng)的搭建

陽極梯傳感器安裝

用扎帶將陽極梯傳感器固定在鋼筋籠外側(cè)、混凝土保護層中，固定后調(diào)整其傾斜角度，并測量各陽極與模板的距離。陰極必須與鋼筋絕緣，安裝接觸點間采用橡膠墊隔離，連接鋼筋通過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量傳感器監(jiān)測面與模板的距離，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)澆面層陽極梯傳感器安裝圖

多功能耐久性監(jiān)測傳感器安裝

多功能耐久性監(jiān)測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，穿過鋼片的兩個預(yù)留孔。

圖3 用于安裝多功能耐久性監(jiān)測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位置，確定傳感器監(jiān)測面的埋深，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量傳感器監(jiān)測面與模板的距離。

圖4 多功能耐久性監(jiān)測傳感器安裝圖

參比電極及應(yīng)變計的安裝

如圖5所示，參比電極和應(yīng)變計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)測點安裝兩個應(yīng)變計，沿主筋和箍筋兩個垂直方向。

（a）參比電極

（b）應(yīng)變計

圖5 參比電極及應(yīng)變計的安裝

電纜鋪設(shè)

在安裝前，對所有電纜進行穿軟管處理，保護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，并在引出處上方安裝采集電箱。

采集電箱安裝

工程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集點兼具遠程采集及現(xiàn)場采集的功能。現(xiàn)場采集點安裝電箱，電箱采用不銹鋼制作，外加涂層保護，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入電箱內(nèi)部。

圖6 電箱內(nèi)門中測試終端的布置

如圖6所示，電箱設(shè)置內(nèi)門，同一監(jiān)測斷面中有5個陽極梯傳感器、5個多功能耐久性監(jiān)測傳感器以及5個參比電極的測量終端，應(yīng)變數(shù)采儀安裝在內(nèi)門，便于現(xiàn)場采集。同時電箱內(nèi)預(yù)留無線采集單元安裝的位置，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集。

結(jié)論

1 耐久性監(jiān)測系統(tǒng)搭建遵從以下原則：監(jiān)測點選取在腐蝕最為嚴重的位置，平均分布于碼頭三個不同的斷面中；監(jiān)測點涵蓋不同的構(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)測點。數(shù)據(jù)采集點設(shè)置在碼頭頂面，每個斷面設(shè)置一個數(shù)據(jù)采集點。

2 每個監(jiān)測點預(yù)埋陽極梯傳感器、參比電極和多功能耐久性監(jiān)測傳感器，可對宏電池電流、半電池電位、氯離子電位、pH、鋼筋銹蝕速率進行監(jiān)測，實現(xiàn)多種監(jiān)測結(jié)果的原位對比。

3 數(shù)據(jù)采集采用現(xiàn)場采集與無線采集并行的方式，在現(xiàn)場設(shè)置采集電箱，滿足現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的需要。同時，電箱中安放監(jiān)測采集儀可實現(xiàn)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程、無人、自動化采集。