高桩码头作为船舶靠泊的基础设施, 船舶碰撞事故时有发生, 天津港某三突堤堤头码头受5万t散货船撞击, 造成撞击区域的基桩、面板、靠船构件都出现严重破坏。浙江省舟山某散货码头受6.35万t船舶撞击造成码头受撞区域部分排架的上部结构和基桩受损严重。码头上部结构和基桩受损, 不同程度降低了码头的承载力和耐久性, 因此对受损码头进行加固修复, 保证码头承载力和耐久性不低于原设计要求十分必要。高桩码头混凝土结构的损伤修复技术主要有常规的受损构件更换法、加大截面加固法、粘贴钢板加固法和粘贴碳纤维复合材料加固法。现有码头结构加固修复研究多是针对码头结构某单一构件修复, 由于各高桩码头结构形式、船舶撞击位置、撞击速度和方向等差异, 结构的损伤部位和损伤程度差异更大。以长江下游某高桩码头的船损修复加固为例, 综合阐述船舶碰撞事故下码头护轮坎、靠船构件、水平撑等受损构件的修复方法。

长江下游某5万t 级高桩码头建成于2003年, 2017年2月因进港船舶操作失误, 靠泊时与码头发生碰撞。码头为高桩梁板结构, 被撞结构段长66.0m、宽31.0m, 排架间距6.6m。每榀排架设7根600mm×600mm钢筋混凝土空心方桩 (桩长34.3～36.0m) 和2根ϕ1 000钻孔灌注桩 (桩长36.8m) ;现浇倒T形钢筋混凝土横梁, 下横梁宽1.30m、高1.10m, 上横梁宽0.66m, 横梁总高2.69m;采用预制钢筋混凝土纵梁、钢筋混凝土叠合板;受损靠船构件宽1.40m、高2.30m、厚0.70～1.50m, 前沿竖向布置TD-B300H标准反力型橡胶护舷。预制钢筋混凝土水平支撑宽0.50m、高0.50m;前沿护轮坎高0.30m、宽0.25～0.30m。船舶碰撞区域如图1所示, 码头结构如图2所示。

事故船长134.5m, 型宽22.0m, 型深9.6m, 总吨位8 317t, 净吨位4 657t, 靠泊时装货12 876t。

2017年2月事故船靠泊码头时, 因操作失误以近似垂直方向与码头碰撞, 撞击点位于码头39号排架附近。事故船与码头有2处碰撞点:①船艏上部与码头前沿护轮坎, 该处船体严重受损, 钢板凹陷、局部破损;②船艏球鼻上部与39号排架靠船构件底部, 此处船体上有擦痕但无明显破损。

通过现场全面检测, 被撞码头横梁、纵梁、轨道梁、面板和桩基等构件完好, 无明显损伤, 其他部分损伤如下。

1) 护轮坎 撞击区域7.9m范围内护轮坎严重破损, 护角角钢脱落、钢筋断裂或变形外露 (见图3) 。

2) 靠船构件 39号排架靠船构件与横梁连接处0.50m范围内混凝土粉碎性开裂。江侧主要裂缝10条, 最大缝宽5.0mm, 最大裂缝长1.40m;上游侧主要裂缝5条, 最大缝宽4.2mm, 最大裂缝长度1.45m;下游侧主要裂缝6条, 最大缝宽3.5mm, 最大裂缝长1.40m。39号排架靠船构件下部有1处长1.0m、高0.40m破损, 钢筋外露。39号排架下游侧2层系缆平台底部混凝土破损开裂 (见图4) 。

3) 水平支撑 38～39号排架水平支撑断裂。水平支撑顶面距上游端0.40～0.85m有2条斜裂缝, 最大裂缝长0.60m、宽0.20mm;岸侧面距上游端0.40～0.60m有1条斜裂缝, 裂缝长0.53m、宽0.15mm;水平支撑顶面距下游端1.0～1.2m有1条斜裂缝, 裂缝长0.61m、宽0.30mm;岸侧面距下游端0.60～1.05m有2条斜裂缝, 最大裂缝长0.32m、宽0.25mm;39～40号排架水平支撑在39号排架连接处有1处长0.30m、宽0.20m的局部破损。

4) 卸船机轨道明显变形, 岸侧卸船机轨道接头处错位约7mm。

根据船损事故中受损构件类型、损伤位置和损伤程度, 分析其对码头安全运行的影响。

1) 从伸缩缝处错位、门机轨道变形和靠船构件的断裂情况看, 码头出现过载, 进入塑性阶段。

2) 根据现场检查和检测结果, 本次船损事故的影响仅限于被撞结构段, 明显损伤仅限于撞击区域的码头上部结构。

3) 靠船构件和安装其上的橡胶护舷是码头主要消能设施, 对保障码头安全运行至关重要。

4) 结构段伸缩缝处错位对码头整体安全运行影响不大, 但对结构耐久性有一定影响。

因此, 事故造成的结构损伤对码头安全运行有局部、严重影响, 应尽快修复。损伤修复前严禁在事故位置直接靠泊。

根据受损构件类型、结构特点、损伤位置和损伤程度以及环境条件, 结构损伤加固的主要特点与难点如下。

1) 由于码头是原料进口主要通道, 若采用常规方法对受损构件进行更换, 需要拆除部分上部面板、纵梁和横梁结构, 不仅造价高、工期长, 更可能造成工厂停工待料。

2) 修复处理的构件种类多, 涉及的修补技术多, 修复工序复杂, 单项工作量小。

3) 靠船构件结构断面不规则, 各结构间互相连接。

4) 为了安装橡胶护舷, 需要预埋大量螺栓。

5) 加固施工全部为水上作业, 需要一定数量的机械与船舶配合, 辅助工作量大。

6) 施工时间受码头净空与长江潮位影响, 可作业时间短, 施工效率低。

7) 施工期间码头正常作业, 施工受到一定干扰。

结合本工程损伤特点和工程现场条件, 提出受损构件修复方案如下 (见图5) 。

1) 靠船构件修复时先拆除现有橡胶护舷。

2) 凿除江侧、上游侧和下游侧所有断裂区域松散混凝土, 处理高度≥0.60m, 凿除深度超过表层钢筋50mm。

3) 松散混凝土处理后裂缝宽度仍>0.20mm时, 进行压力灌浆加固。

4) 用高强度丙乳砂浆或丙乳混凝土对凿除区充填至原设计断面。

5) 分别在靠船构件江侧、上游侧和下游侧种植化学锚杆或预埋螺栓, 施工时用于固定钢板, 施工后可加强钢板与原靠船构件整体性和固定橡胶护舷。

6) 清除靠船构件表面砂浆层, 截面棱角打磨, 保持混凝土表面基本平整。

7) 按靠船构件的实际断面制作钢板, 水面拼装焊接成型。

8) 外包钢板与靠船构件之间灌结构胶, 包钢板范围:江侧从靠船构件底部至上部横梁牛腿下方约4.0m, 靠船构件上、下游侧的侧面全部, 靠船构件上方横梁的加厚部分长约2.0m;靠船构件的全部岸侧面, 靠船构件上方横梁加厚部分。包钢厚度除江侧为20mm外, 其他部位均为10mm。种植化学锚杆直径16mm, 锚杆间距0.30～0.35m。

9) 恢复橡胶护舷。

10) 靠船构件下部破损处理 凿除破损区域松散混凝土直至完好基层, 用高强度丙乳砂浆或丙乳混凝土修复至原设计断面。

先将破损处疏松混凝土剔除至完好部位, 裂缝宽度>0.20mm时压力灌浆加固, 用高强度丙乳砂浆修复至原设计断面。表面和棱角打磨清理后外包钢板, 灌结构胶加固。2层系缆平台修复施工要与靠船构件的修复一起进行。

38～39号排架水平撑加固时先对宽度>0.20mm的裂缝进行压力注胶, 再对混凝土表面、截面棱角进行处理, 通长粘贴碳纤维布进行加固。39～40 号排架水平撑开裂处, 先剔凿开裂处疏松混凝土, 再用丙乳砂浆修复。

凿除破损区域松散混凝土直至完好基层, 矫正弯曲变形钢筋, 对断裂钢筋用焊接方式修复, 并新植抗剪短筋, 采用C40混凝土重新浇筑护轮坎至原设计断面。

对有明显变形和错位的钢轨进行拆除更换。

宽度>0.20mm的裂缝用灌浆法加固, 根据“缝窄应密, 缝宽可稀”的原则布置进浆孔和排气孔。灌缝材料为改性环氧树脂胶, 抗拉强度≥20MPa, 抗压强度≥50MPa, 抗弯强度≥30MPa, 正拉黏结强度≥2.5MPa且为混凝土破坏。浆液凝固时间要根据灌浆施工速度确定。灌浆前用压缩空气将孔道和裂缝内的粉尘吹净, 灌浆后待缝内浆液初凝不外流时, 拆除灌浆嘴, 用环氧胶泥封口并抹平。

修复用丙乳砂浆抗压强度≥40MPa, 抗拉强度≥7MPa, 与混凝土的黏结强度≥3MPa。破损区松散混凝土应凿除至完好部位, 混凝土表面凹凸不平>6mm。对裸露锈蚀钢筋应进行除锈, 并涂刷阻锈剂。

丙乳砂浆修复时先在清理并湿润好的基面涂刷1层丙乳净浆, 净浆配合比为1∶1 (丙乳∶水泥) 。要在净浆硬化前进行丙乳砂浆抹面, 抹面根据设计厚度分层施工, 每层厚4～5mm, 刮抹向同一方向, 不得来回多次刮抹和手触涂层。待不黏手时进行下层施工, 前后2遍刮抹方向垂直呈十字交叉, 丙乳砂浆铺到设计位置后用力压实并随即出面, 表面略干后用喷雾养护, 24h后洒水养护7d。拌制的砂浆应在30min内使用完毕。

加固使用Q235B钢材, 对应焊条为E43系列。粘贴型钢、钢板配套用粘接材料选用A级胶, 其胶体抗拉强度≥40MPa, 受拉弹性模量≥2.5×10³MPa, 伸长率≥1.5%, 抗弯强度≥50MPa且不得呈脆性破坏, 抗压强度≥70MPa;钢-钢拉伸抗剪强度标准值≥14MPa, 钢-钢不均匀扯离强度≥20kN/m, 与混凝土正拉黏结强度≥max{2.5, f_tk}MPa且为混凝土内聚破坏。

外粘型钢加固前, 对混凝土表面打磨至露出坚硬混凝土新面, 截面棱角打磨成半径≥7mm圆角。外粘型钢胶缝厚度控制在3～5mm;局部允许长度>300mm、厚度≤8mm胶缝, 但不得出现在端部600mm范围内。外粘型钢的注胶应在型箍构架焊接完成后进行, 粘贴钢板完工后钢板表面应做防腐处理。

植筋及化学螺杆锚固部位混凝土若有缺陷应补强或加固处理后再植筋, 要避开原结构主筋, 植筋深度>15d (d为钢筋直径) , 化学植筋及长螺杆不出现混凝土基材破坏及拔出破坏。

植筋时钢筋应先焊接后种植, 否则焊点距基材混凝土表面应>15d, 且需用冰水浸渍的湿毛巾包裹植筋外露部分的根部。

结构加固用300g/m²高强Ⅰ级碳纤维布, 厚0.167mm, 配A级胶粘贴。碳纤维布抗拉强度≥3 400MPa, 受拉弹性模量≥2.4×10⁵MPa, 伸长率≥1.7%, 弯曲强度≥700MPa, 层间剪切强度≥45MPa。粘贴胶胶体抗拉强度≥30MPa, 抗弯强度≥30MPa且不得呈脆性破坏, 与混凝土正拉黏结强度≥max{2.5, f_tk}MPa且为混凝土内聚破坏。

被加固混凝土表层应打磨1～2mm, 平整度达到5mm/m, 截面棱角打磨成圆弧状, 圆弧半径≥20mm, 表面如有缺损处应用结构胶修复。保持混凝土表层干燥、清洁, 若混凝土表层含水率>4%时应将混凝土烘干。

粘贴时片材中心线与梁中心线重合, 偏差≤10mm, 角度偏差≤5°。粘贴碳纤维布有效黏结面积>95%。粘贴完成后48h内不得扰动粘贴材料和加固构件, 加固结束后表面抹25mm厚1∶2水泥砂浆作为防护层。

通过长江下游某高桩梁板码头船损事故的调查和检测, 针对受损护轮坎、靠船构件、2层系缆平台、水平撑和卸船机轨道的损伤位置和损伤程度, 分析其损伤对码头安全的影响, 考虑构件受力特点、现场水位和环境条件等, 结合国内现有技术水平, 在确保工程修复后不降低使用功能前提下, 提出了护轮坎现浇、靠船构件在裂缝灌浆后包钢、水平撑粘碳纤维布、卸船机轨道局部调整的修复方案。工程实例表明, 方案对船损构件的修复处理技术可靠、施工方便、经济合理、效果良好, 有效消除了船损事故产生的不利影响, 确保了码头的安全运行。