赵 艺 孙克俐 朱福明

（1.天津大学建筑工程学院 天津 300072； 2.天津港建设公司 天津 300461）

由于板桩码头结构简单、用料省、工程造价低、施工方便等优点，在我国港口工程大规模发展的早期建造了很多，而今其中许多已服役数十年，并存在着不同程度的病损，其耐久性较差的特点日益显露出来。

鉴于目前国内外的研究成果多集中在对单个钢筋混凝土构件的结构耐久性及使用寿命的理论、试验及有限元分析等，将码头作为一个整体进行承载能力及使用寿命的分析，具有针对性的理论和应用价值，是破损和老旧板桩码头能否继续安全运行，以及升级改造与降级使用的重要而有效的参考依据，也为现役板桩码头的风险评估给予了时间概念上的数据支持。

笔者基于前人研究的各功能构件的承载能力及性能退化模型、公式、试验成果等，建立板桩码头桩土接触二维模型，研究单锚板桩墙的时变受力状态及其变化规律。

1 钢筋性能退化模型的建立

钢筋混凝土构件的旧损形式主要有：①由锈蚀导致的钢筋截面损失、屈服强度损失、弹性模量降低等；②混凝土保护层剥落等原因造成的混凝土截面损失；③锈蚀导致的钢筋与混凝土之间粘结性能的退化。本文不考虑由于钢筋锈蚀导致的钢筋与混凝土粘结性能的退化，即假定板桩墙经过合理修复后与混凝土粘结完好。

1.1 钢筋截面损失速率的推导

影响钢筋锈蚀速率的因素很多，其锈蚀机理也比较复杂，本文依据前人的试验分析结论，选取以混凝土锈胀裂缝宽度为中间变量的钢筋锈蚀率－时间关系公式，得出钢筋截面损失速率计算方法。

锈蚀裂缝宽度与时间的关系见文献［1］。钢筋锈蚀率与裂缝宽度的关系见文献［2］。

基于上述文献，在给定一个初始条件的情况下，即可推导出钢筋截面损失率与时间的关系，即钢筋的锈蚀速率。后续推导和有限元建模计算即建立在此基础上。

1.2 锈蚀钢筋的屈服强度

取最不利情况下，即海水浪溅区环境条件下，二级钢筋锈蚀率与屈服强度、极限强度的关系见文献［3］。

1.3 锈蚀钢筋的弹性模量

选取人工气候环境加速条件下试验所得的钢筋弹性模量与锈蚀率关系见文献［4］。

基于上述推导，设从刚刚开裂到锈胀裂缝扩展到0.1 mm所用的时间为1年，即可推导出不同年份下的钢筋锈蚀率及对应的钢筋性能参数。由于在实际工程锈蚀条件下的相关试验统计结果显示，直径较大的变形钢筋屈服平台消失的临界锈蚀率为20%［5］，故本文仅考虑在此范围内的钢筋性能退化数据。据此钢筋性能退化模型对后续的单锚板桩码头桩土接触二维模型进行旧损处理。

2 板桩墙时变受力状态计算

2.1 单锚板桩码头桩土接触二维模型的建立

首先建立初始状态下的单锚板桩码头模型，其几何尺寸见图1，相应土层参数见表1，各构件物理性质见表2。取一个结构段（1.2 m）进行建模，即以拉杆为中心，向两侧分别延伸0.6 m。

图1 板桩码头断面简图

表1 有限元计算土层参数表

表2 有限元计算材料参数表

2.1.1 网格划分及边界条件

为便于控制网格划分位置及网格疏密分布，先采用线网格控制方式，扫掠生成六面体网格。

本模型为静态分析，边界条件的设置为土体左右两侧约束水平位移和土体底部约束全部位移，模型前后界面设置为对称约束［6］。

2.1.2 码头荷载

模型主要考虑码头面堆载、最不利情况下的波吸力［7］以及结构与土体的自重荷载［8］，并设置不同荷载分步加载。假定板桩墙部分设置了排水孔，故不考虑剩余水压力。

2.2 基于钢筋性能退化的计算结果

基于钢筋锈蚀速率及性能退化模型，选取10年为间隔，考察板桩墙在钢筋锈蚀开裂后不同旧损情况下的受力状态变化规律。各年份钢筋锈蚀情况下板桩墙水平变形曲线，海侧钢筋轴向应变曲线，最大弯矩截面混凝土应变、应力曲线见图2～图5。

图2 板桩墙水平变形曲线

图3 板桩海侧钢筋轴向应变曲线

图4 板桩最大弯矩截面混凝土正应变曲线

图5 板桩最大弯矩截面混凝土正应力曲线

由图2可见，随着钢筋锈蚀程度随年份增加，板桩墙水平最大位移逐渐向海侧增大，且随时间增速加快。板桩底端几乎无位移，仍处于弹性嵌固状态。板桩顶端由于拉杆力的牵引，在一定范围内向陆侧移动。板桩整体变形幅度增大，且受拉区混凝土开裂程度加剧。

由图3可见，随着钢筋锈蚀性能退化，板桩墙钢筋正应变有所增加，这是因为钢筋性能退化造成板桩墙整体刚度减小，变形程度加剧。而混凝土开裂后开裂区的拉力主要由钢筋承担，故开裂后钢筋应变的增幅也有所提高。

由图4可见，板桩墙最大弯矩截面的混凝土拉、压应变随着钢筋锈蚀及板桩墙混凝土拉裂逐渐增加且增幅加大；而在同一钢筋性能情况内，海侧拉裂区的混凝土拉应变较其他区域增长较慢。前者是由于超过屈服状态后的混凝土，拉应变随应力增长加快，而后者是由于拉裂后开裂区混凝土的应力相比其余区域相对得到释放，这从图5中也可以明显看出。此外，图5还表明，当板桩墙跨中开裂后，截面的中和轴随开裂加剧向陆侧移动，且在开裂区附近的混凝土应力集中现象增大，未裂区域的混凝土最大拉、压应力仍随钢筋性能退化而逐渐增大。

图6给出了跨中最大弯矩截面钢筋与其周围混凝土正应变随着结构旧损时间的变化曲线。从曲线的变化趋势可以看出，随着钢筋锈蚀程度加重，钢筋与混凝土最大正应变均呈增长趋势，且增幅逐渐增大。虽然本文solid65单元采用的是弥散裂缝模型，不能精确计算拉裂处裂缝宽度值，但通过拉裂后对应区域混凝土与钢筋的应变差值，可以定性地判断对应拉裂区的裂缝宽度的变化趋势。比较跨中最大弯矩截面钢筋与混凝土正应变可以发现，在开裂后混凝土最大应变值一直大于钢筋，且差值随着时间逐渐增大，可见随着钢筋性能退化进而板桩墙的变形幅度增大，开裂区的裂缝宽度总体呈增长趋势。这不仅对码头整体安全不利，更会加剧钢筋的局部锈蚀，使钢筋易出现应力集中，结构整体延性有所减低。

图6 板桩最大弯矩截面混凝土、钢筋正应变对比图

图7 最大弯矩截面、拉杆截面钢筋处混凝土正应变

结合图7及模型运算结果可以发现，在板桩墙整体受力状态变化的过程中，最大弯矩截面及拉杆作用区域的混凝土均不同程度地拉裂，且跨中拉裂区混凝土应变及其增幅均大于拉杆处。这说明在板桩墙旧损过程中，主要破坏发生在跨中最大弯矩截面附近拉裂区。但由于拉杆处的应力集中程度较大，故该处混凝土后期开裂速率较自身前期开裂速率增幅很大的现象不容忽视，也应在板桩墙旧损过程中对此进行观察监测。

3 结论

（1）随钢筋锈蚀性能退化，板桩墙变形程度逐渐增大，且在跨中混凝土拉裂出现横向裂缝之后板桩墙变形增幅加大。这反映出，随着锈蚀开裂后年份的增加，板桩墙抗弯能力逐渐下降，应注意对跨中拉裂区域的位移进行监测，以防结构出现位移失效。还需考虑由于不同结构段板桩的不均匀锈蚀导致其变形幅度不同，不利于板桩间的相互连接，造成锁扣脱节、漏沙等不利于码头整体稳定的现象。

（2）随着板桩墙整体受力状态的变化，主要受拉区域钢筋、混凝土的轴向应变均不同程度地增大，且在跨中混凝土拉裂后，钢筋正应变的增速明显加快，而跨中最大弯矩截面混凝土与钢筋对应处的差值也明显增加。可见混凝土开裂后，拉应力主要由钢筋承担，且随着钢筋性能退化，跨中混凝土裂缝逐渐扩展并增大。

（3）板桩墙跨中最大弯矩截面的混凝土拉裂及裂缝扩展随钢筋性能退化的变化最为明显，应作为主要破坏予以关注。但在钢筋锈蚀加重的后期，由于板桩整体刚度降低，拉杆力作用处的受拉区域也产生了一定程度的开裂，且应变增幅较自身前期变化明显。所以，在后期对板桩墙拉杆锚定部位的检查和修复需要注意。

（4）综合以上分析可见，板桩墙的受力状态在钢筋性能退化过程中是有所变化的，且随着旧损加重其受力状态变化幅度更加明显，结构的破坏形态也会增加。因此，应考虑在设计初期优化板桩结构设计或连接部位处理等，使板桩受力分布状态不会随结构旧损而产生大幅度的变化和应力集中，这将帮助延长板桩码头在锈蚀开裂后的使用寿命，提高旧损板桩码头安全度。

［1］ 惠云玲.混凝土结构钢筋锈蚀耐久性损伤评估及寿命预测方法［J］.工业建筑，1997，27（6）：19-22.

［2］ 惠云玲.混凝土结构中钢筋锈蚀程度评估和预测试验研究［J］.工业建筑，1997，27（6）：6-9.

［3］ 沈德建.海水浪溅下混凝土中锈蚀钢筋性能试验研究及仿真分析［J］.工业建筑，2005，35（3）：58-61.

［4］ 吴 庆，袁迎曙.锈蚀钢筋力学性能退化规律试验研究［J］.土木工程学报，2008，41（12）：42-47.

［5］ 张伟平，商登峰，顾祥林.锈蚀钢筋应力应变关系研究［J］.同济大学学报，2004，34（5）：586-591.

［6］ 蒋国栋.板桩码头的ANSYS有限元分析［J］.中国水运，2009（9）：81-83.

［7］ JTJ213－98海港水文规范［S］.北京：人民交通出版社，1998.

［8］ JTJ215－98港口工程荷载规范［S］.北京：人民交通出版社，1998.