在海港碼頭結(jié)構(gòu)生命過程的3個階段中，老化期是平均風(fēng)險率較大的一個階段。在碼頭服役期，由于荷載和環(huán)境因素的影響，其結(jié)構(gòu)與類似水工結(jié)構(gòu)相比，耐久性差。出于碼頭運(yùn)營安全及維修優(yōu)化的需要，對海港碼頭進(jìn)行監(jiān)測，及時提供其健康信息已成為必要。

重力式碼頭的工作原理主要是利用結(jié)構(gòu)自身的重力抵抗以墻后土壓力為主的各種荷載作用，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定"。重力式碼頭的常用型式為重力式方塊碼頭和沉箱碼頭，由于重力式碼頭一般為實(shí)體結(jié)構(gòu)，其抗沖擊荷載、集中荷載和超載的能力均較強(qiáng)，據(jù)近10年本系統(tǒng)的檢測資料顯示，重力式碼頭破損很少，僅有3例，且均接近設(shè)計(jì)使用年限。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，重力式碼頭破壞主要為碼頭向前滑移失穩(wěn)；碼頭傾覆失穩(wěn)；墻體構(gòu)件破損；胸墻開裂、破損；墻后填料流失(漏沙)造成碼頭后路面塌陷等。

  造成重力式碼頭損壞的主要原因有：拋石基床和地基的不均勻沉降；碼頭墻后填料或墻身內(nèi)部填料沉降；薄壁鋼筋混凝土墻身構(gòu)件老化破損；荷載和港池沖淤變化等因素導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)。

  其中最常見的因素是拋石基床和地基的不均勻沉降：沿碼頭長度方向的不均勻沉降會導(dǎo)致胸墻和墻身結(jié)構(gòu)的開裂破壞，垂直于碼頭長度方向的不均勻沉降會導(dǎo)致碼頭傾覆；碼頭墻后填料或墻身內(nèi)部填料沉降則是造成碼頭混凝土面層開裂、塌陷，影響碼頭適用性的主因。薄壁鋼筋混凝土墻身構(gòu)件老化破損多出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)的老化期，此時重力式碼頭往往已接近或超出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用期服役。在設(shè)計(jì)使用期，重力式碼頭結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)的情況非常罕見，但一旦發(fā)生造成的損失卻非常大。重力式碼頭發(fā)生此類失穩(wěn)前往往會出現(xiàn)碼頭后方一定范圍內(nèi)加速沉降、碼頭面后傾的前兆。

  通過以上分析可知，重力式碼頭的位移，尤其是豎向沉降位移能夠影響并反映結(jié)構(gòu)的健康狀況，因此對重力式碼頭的主要監(jiān)測指標(biāo)應(yīng)為重力式碼頭各關(guān)鍵點(diǎn)的位移值，尤其是豎向位移。

  板樁碼頭的工作原理是利用打入地基中的板樁形成擋土墻，墻后回填填料，從而在墻前形成碼頭臨水面。為減小板樁入土深度和樁頂位移，通常在板樁墻后設(shè)置拉桿，并由錨結(jié)構(gòu)錨固。板樁碼頭常見破損情況有以下幾種：板樁墻失穩(wěn)；拉桿斷裂；板樁破損，出現(xiàn)漏沙情況；導(dǎo)梁、帽梁(或胸墻)破損圖。造成板樁碼頭損壞的主要原因有： 碼頭前挖泥超深；碼頭后超荷堆載；海洋環(huán)境作用下，構(gòu)件腐蝕、老化、破損；4船舶撞擊力超載；拉桿的錨定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

  碼頭前挖泥超深可導(dǎo)致板樁墻入土深度不足，從而失穩(wěn)，此時板樁碼頭的帽梁或胸墻頂部會產(chǎn)生向岸的水平位移，同時導(dǎo)梁以下部分板樁會發(fā)生向海側(cè)水平位移。碼頭后超荷堆載則可能產(chǎn)生過大的板樁跨中，彎矩從而導(dǎo)致板樁破損，在此之前板樁墻在導(dǎo)梁和嵌固點(diǎn)之間的部分會產(chǎn)生向海側(cè)水平位移；堆貨荷載超載也會產(chǎn)生過大的拉桿力，從而可能導(dǎo)致拉桿斷裂，在此之前導(dǎo)梁會產(chǎn)生向海側(cè)水平位移，并且鋼拉桿會產(chǎn)生過大的應(yīng)力應(yīng)變。在環(huán)境因素作用下，構(gòu)件會發(fā)生腐蝕、材料劣化，從而導(dǎo)致破損和抗力降低，影響結(jié)構(gòu)安全，如鋼板樁的腐蝕和鋼筋混凝土板樁的鋼筋銹蝕。船舶撞擊力超載則常導(dǎo)致導(dǎo)梁、帽梁(或胸墻的破損。拉桿的錨碇結(jié)構(gòu)失穩(wěn)會導(dǎo)致板樁墻向海側(cè)傾覆，在此之前帽梁或胸墻頂部會產(chǎn)生向海側(cè)的較大的水平位移。

通過以上分析可知，若從安全性角度出發(fā)，板樁碼頭的監(jiān)測指標(biāo)應(yīng)為碼頭各關(guān)鍵點(diǎn)的位移值，尤其是導(dǎo)梁和帽梁(若為胸墻則取相應(yīng)位置)的水平位移；拉桿的應(yīng)力應(yīng)變值。

  高樁碼頭的工作原理是利用樁基將碼頭上部結(jié)構(gòu)所受荷載傳到地基深處較好的持力層上，其通常由樁基和上部結(jié)構(gòu)組成，上部結(jié)構(gòu)通常采用梁板結(jié)構(gòu)，高樁碼頭一般為透空式結(jié)構(gòu)。高樁碼頭結(jié)構(gòu)損傷破壞的表現(xiàn)形式主要包括：混凝土局部開裂、剝落；鋼筋外露、銹蝕甚至斷裂；碼頭存在整體不均勻沉降、水平位移、平面扭轉(zhuǎn)等。造成高樁碼頭損壞的主要原因有：鋼筋銹蝕；使用荷載超載；樁坡體系不均勻沉降。

鋼筋銹蝕對安全性的影響主要有兩個方面：是銹蝕引起的鋼筋截面減小，二是因?yàn)殇P蝕引起的體積增大、順筋裂縫、保護(hù)層剝落而導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力下降。而且結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)銹脹裂縫就會迅速惡化，承載力降低，安全性下降。國內(nèi)海港調(diào)查資料顯示，鋼筋銹蝕是導(dǎo)致高樁碼頭混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的主要形式。相比于重力式和板樁碼頭，高樁碼頭對超載的反應(yīng)敏感：一方面，超載會直接影響結(jié)構(gòu)的安全；另一方面，超載往往會造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大裂縫，鋼筋出現(xiàn)塑性變形，并且裂縫會加劇鋼筋銹蝕，降低構(gòu)件承載力，從而影響結(jié)構(gòu)的安全性。一般堆貨荷載和汽車荷載的超載會導(dǎo)致高樁碼頭梁板構(gòu)件的破損，撞擊力超載往往導(dǎo)致高樁碼頭樁基斷裂。高樁碼頭運(yùn)營期間樁坡體系不均勻沉降可能導(dǎo)致高樁碼頭整體滑動失穩(wěn)，或?qū)Υa頭近岸部分樁基產(chǎn)生負(fù)摩擦力，導(dǎo)致樁基拉斷。對樁臺較短，岸坡較陡的高樁碼頭，其不均勻沉降也是重點(diǎn)監(jiān)測內(nèi)容之一。通過以上分析可知，構(gòu)件鋼筋銹蝕程度應(yīng)為高樁碼頭的主要監(jiān)測指標(biāo)。使用荷載超載可能造成的結(jié)構(gòu)損傷也必須實(shí)施監(jiān)測，由于高樁碼頭為透空式，與一般的橋梁結(jié)構(gòu)有很多的相似之處，因而此項(xiàng)健康監(jiān)測內(nèi)容的指標(biāo)選取與一般橋梁結(jié)構(gòu)大致相同。對樁坡體系的不均勻沉降可通過樁臺的位移變化實(shí)施監(jiān)測。

碼頭健康監(jiān)測系統(tǒng)對碼頭結(jié)反映在內(nèi)的結(jié)構(gòu)各種特征，以了解結(jié)構(gòu)因損傷或者退化造成的改變。健康監(jiān)測的一個主要目標(biāo)就是在結(jié)構(gòu)損傷能夠危及其安全性能的臨界點(diǎn)，并在此之前提早監(jiān)測出結(jié)構(gòu)的損傷，這是個實(shí)時在線監(jiān)測過程。

碼頭結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)包括傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)和監(jiān)控中心。其中傳感系統(tǒng)包括感知元件的選擇和傳感網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)中的布置方案；數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)一般由強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，能實(shí)現(xiàn)多種信息源、不同物理信號的采集與預(yù)處理，并根據(jù)系統(tǒng)功能要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、變換以獲取所需要的參數(shù)，以一定的形式存儲起來；監(jiān)控中心能夠及時預(yù)警結(jié)構(gòu)的異常行為，能利用可實(shí)現(xiàn)診斷功能的各種軟硬件對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，包括結(jié)構(gòu)是否受到損傷以及損傷位置、損傷程度等。傳感器監(jiān)測到的實(shí)時信號，經(jīng)過采集與處理，由通信系統(tǒng)傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行分析和判斷，從而對結(jié)構(gòu)的健康狀況作出評估。若結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常行為，則由監(jiān)控中心發(fā)出預(yù)警信號，并對檢測出來的損傷進(jìn)行定性、定位和定量分析，同時提供維修建議。這里重點(diǎn)探討對海港碼頭主要監(jiān)測項(xiàng)目的實(shí)施和診斷方法。構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測是指利用現(xiàn)場的無損的監(jiān)測方式獲得結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，分析包括結(jié)構(gòu)反映在內(nèi)的結(jié)構(gòu)各種特征，以了解結(jié)構(gòu)因損傷或者退化造成的改變。健康監(jiān)測的一個主要目標(biāo)就是在結(jié)構(gòu)損傷能夠危及其安全性能的臨界點(diǎn)，并在此之前提早監(jiān)測出結(jié)構(gòu)的損傷，這是個實(shí)時在線監(jiān)測過程。

  對于海港碼頭，結(jié)構(gòu)位移是健康監(jiān)測的重要項(xiàng)目。對于3種形式碼頭位移的監(jiān)測，可選擇的監(jiān)測方法較多，如全站儀即可實(shí)施位移監(jiān)測。在碼頭結(jié)構(gòu)豎向位移監(jiān)測中，考慮到碼頭運(yùn)營對光學(xué)測量方法通視條件的影響和限制，可采用光電式靜力水準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)。

  由于海港碼頭的沉降等位移發(fā)展緩慢，對其實(shí)施全過程實(shí)時在線監(jiān)測成本高，而且無必要，因此可以利用定期監(jiān)測配合重點(diǎn)時期實(shí)時監(jiān)測的方法對其實(shí)施健康監(jiān)測，以板樁碼頭為例，平時可以季度或半年為期對碼頭關(guān)鍵點(diǎn)位移進(jìn)行測量，當(dāng)出現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)位移異常(如沉降加速)時，或?qū)Υa頭進(jìn)行挖泥等施工作業(yè)時進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測。對于高樁碼頭的樁-坡體系的不均勻沉降監(jiān)測。由于采用樁基，在造成破壞之前，岸坡不均勻沉降產(chǎn)生的高樁碼頭的樁臺的垂直位移很小，不易測量，可通過間接方法監(jiān)測。鑒于岸坡的不均勻沉降往往導(dǎo)致碼頭近岸樁受負(fù)摩擦力，可以通過監(jiān)測高樁碼頭近岸樁基軸力長期變化來監(jiān)測診斷岸坡不均勻沉降。

兆時，應(yīng)及時預(yù)警，并采取加強(qiáng)監(jiān)測措施?？刹捎没瑒邮剿欧铀俣葴y斜技術(shù)，可通過監(jiān)測岸坡不同深度位置的側(cè)向變形，確定潛在滑動面和碼頭的整體滑移穩(wěn)定性。

對于碼頭結(jié)構(gòu)高樁碼頭的梁板樁等構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變和振動測量等可應(yīng)用的傳感器很多，如壓電式力傳感器、加速度傳感器、阻抗傳感器、應(yīng)變片等，它們已廣泛應(yīng)用于各類工程結(jié)構(gòu)的實(shí)測中，這里不再贅述。近些年，光纖傳感器得到了較多的研究和應(yīng)用，由于其具有信息量大可測多種信號、無電磁干擾、耐腐蝕性好、耐久性好等特點(diǎn)，特別適用于海港碼頭健康監(jiān)測。

目前，對混凝土中鋼筋的銹蝕程度主要采用半電池電位法檢測，該方法是基于鋼筋在混凝土中的銹蝕是一種電化學(xué)過程，此時在鋼筋表面形成陽極區(qū)和陰極區(qū)。在這些具有不同電位的區(qū)域之間，混凝十的內(nèi)部將產(chǎn)生電流。鋼筋和混凝十的電化學(xué)活性可以看作是半個弱電池組，即鋼筋的作用是一個電極，混凝土是電解質(zhì)。鋼筋表面層上某一點(diǎn)的電位可以通過和硫酸銅參考電極的電位作比較來確定鋼筋的銹蝕活動程度。但該方法應(yīng)用于健康監(jiān)測則存在較多問題：一方面高樁碼頭健康監(jiān)測是一個長期的過程，半電池電位法監(jiān)測系統(tǒng)的耐久性往往達(dá)不到要求；另一方面，受海洋環(huán)境影響，高樁碼頭工作處的空氣潮濕并含有大量的鹽分，半電池電位法測鋼筋銹蝕受此影響較大。有鑒于此，本文提出了一種新方法對海港碼頭鋼筋混凝土構(gòu)件實(shí)施鋼筋銹蝕監(jiān)測。該方法監(jiān)測原理如下。選取鋼筋混凝土構(gòu)件鋼筋開始銹蝕至因混凝土保護(hù)層出現(xiàn)銹脹裂縫這一時段為鋼筋銹蝕預(yù)警時間。在預(yù)警時間內(nèi)，鋼筋截面損失率不大，鋼筋和混凝土的粘滯力不減反增，構(gòu)件可靠性降低很少。而在此期間鋼筋銹蝕量隨時間累積增加，銹蝕產(chǎn)物氧化后體積膨脹，引起高樁碼頭構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力改變，通過對構(gòu)件因銹蝕產(chǎn)生的應(yīng)力分布和應(yīng)力大小的研究，可以利用應(yīng)力傳感器實(shí)施對構(gòu)件鋼筋銹蝕的監(jiān)測。

  對碼頭結(jié)構(gòu)健康診斷主要以設(shè)計(jì)文件、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、相關(guān)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)、碼頭多年運(yùn)營以及管理維護(hù)方面的信息為依據(jù)，利用監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)對碼頭的運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行評價，分析碼頭的安全性、耐久性。

  對重力式碼頭，根據(jù)監(jiān)測到的關(guān)鍵點(diǎn)的位移變化情況，可根據(jù)土力學(xué)原理診斷出碼頭的破損形式和破損位置。

  對板樁碼頭，根據(jù)監(jiān)測到的關(guān)鍵點(diǎn)的位移變化情況，板樁墻的變形及拉桿的應(yīng)力應(yīng)變狀況，根據(jù)豎向彈性地基梁模型可診斷出碼頭的破損形式和破損位置。

  對高樁碼頭損傷的整體健康診斷方法，從研究和應(yīng)用的角度看，可采用動力指紋分析法、模型修正與系統(tǒng)識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法。本文推薦采用動力指紋分析法(模式識別法)和重點(diǎn)位置強(qiáng)化監(jiān)測診斷結(jié)合的方法進(jìn)行。動力指紋分析法要尋找與結(jié)構(gòu)動力特性相關(guān)的動力指紋，若高樁碼頭結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，則結(jié)構(gòu)參數(shù)如剛度、質(zhì)量、阻尼會發(fā)生變化，從而引起相應(yīng)的動力指紋的變化?？捎玫膭恿χ讣y有頻率、振型、振型曲率、應(yīng)變、應(yīng)變模態(tài)、曲率模態(tài)等。利用動力指紋方法在一定程度上能識別損傷，并定位，同時針對叉樁和碼頭前排樁及碼頭前沿的橫、縱梁等易損構(gòu)件，需進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的重點(diǎn)監(jiān)測。兩者結(jié)合能達(dá)到很好的高樁碼頭健康診斷效果。

  另外，在實(shí)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的同時，應(yīng)采集碼頭荷載信息，以用于碼頭結(jié)構(gòu)可靠性評估。

  對重力式碼頭和板樁碼頭等實(shí)體結(jié)構(gòu)，健康監(jiān)測的主要指標(biāo)應(yīng)為各關(guān)鍵點(diǎn)的位移；對高樁碼頭的健康監(jiān)測則主要應(yīng)為鋼筋混凝土構(gòu)件的銹蝕監(jiān)測和結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)監(jiān)測，后者與橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測類同。

  由于現(xiàn)有碼頭結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)未預(yù)先設(shè)計(jì)安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)，故對現(xiàn)有碼頭進(jìn)行健康監(jiān)測常于結(jié)構(gòu)表面設(shè)置傳感器，集線形成健康監(jiān)測系統(tǒng)，但此時傳感器和線路暴露于海洋環(huán)境中，易老化損壞，造成系統(tǒng)失效，增加監(jiān)測成本。因此應(yīng)將傳統(tǒng)檢測方法和實(shí)時監(jiān)測結(jié)合，即利用檢測手段預(yù)判結(jié)構(gòu)損壞臨界點(diǎn)，重點(diǎn)時期進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，例如本文所述的碼頭位移監(jiān)測。

  本文提出了一種全新的鋼筋混凝土構(gòu)件鋼筋銹蝕監(jiān)測方法，即通過監(jiān)測混凝土截面的銹脹應(yīng)力來實(shí)施鋼筋銹蝕監(jiān)測，并進(jìn)行了簡單的算例討論，證明了該方法的可行性。

當(dāng)應(yīng)用動力指紋分析法進(jìn)行高樁碼頭損傷的整體健康診斷時，必須考慮土體和海水對樁基的阻尼作用，并且若要實(shí)現(xiàn)高樁碼頭健康實(shí)時診斷，必須計(jì)入潮汐造成的海水阻尼變化。