上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2023, 57(S1): 87-93 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.11

坞墙组合钢板桩锈蚀损伤应力分析

田吟雪,1, 金国龙1, 王勇1, 李华梅1, 周东荣2, 戴青2, 朱小东2, 唐继蔚2

1.中船第九设计研究院工程有限公司,上海 200063

2.交通运输部上海打捞局,上海200090

Analysis of Corrosion Damage Stress of Composite Steel Sheet Pile for Dock Wall

TIAN Yinxue,1, JIN Guolong1, WANG Yong1, LI Huamei1, ZHOU Dongrong2, DAI Qing2, ZHU Xiaodong2, TANG Jiwei2

1. China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd., Shanghai 200063, China

2. Shanghai Salvage of the Ministry of Transport, Shanghai 200090, China

收稿日期: 2023-06-7   修回日期: 2022-07-25   接受日期: 2022-08-22  

Received: 2023-06-7   Revised: 2022-07-25   Accepted: 2022-08-22  

作者简介 About authors

田吟雪(1994-),工程师,从事岩土及水运工程研究.E-mail:tianyx1226@163.com.

摘要

原上海船厂1#船坞在船厂搬迁后年久失修,组合钢板桩坞墙结构出现一定程度的锈蚀损伤,墙后减压排水设施失效.为探究锈蚀后的组合钢板桩坞墙在近期古船进坞及后续博物院建设中的承载性能,分别建立船坞与钢板桩坞墙的数值模型,得到其位移、内力,以及锈蚀区局部应力,得出以下结论:①组合钢板桩暂处于强度安全状态,短期内可承受古船进坞产生的荷载;②随着钢板桩锈蚀程度的发展,当锈坑深度达到4.6 mm时,钢板桩将难以满足承载力要求;③建议在锈蚀检测后的7年内补强修复钢板桩,重新建立防锈体系,以保证后续工程建设时船坞结构的安全.

关键词： 组合钢板桩; 锈蚀损伤; 应力验算

Abstract

Dry Dock No. 1 of Shanghai Shipyard has been in disrepair after the relocation of the shipyard. The composite-steel-sheet-pile dock walls have been corroded to a certain extent, and the under-drained system behind the wall failed. In order to explore the bearing performance of the corroded composite steel sheet pile dock wall during the recent docking of ancient ships and the subsequent construction of the museum, numerical models of the dock and steel sheet pile dock wall were established, and their displacements, internal forces, and local stresses in the corroded area were obtained. It is concluded that the composite steel sheet pile is temporarily in the strength safety state, and can withstand the load generated by the ancient ship docking in the short term. When the depth of rust pits reaches 4.6 mm, it will be difficult for steel sheet piles to meet the bearing capacity requirements. It is suggested that steel sheet piles should be reinforced and repaired within 7 years after rust detection, and the rust prevention system should be re-established to ensure the safety of the dock structure during subsequent engineering construction.

Keywords： composite steel sheet pile; corrosion damage; stress calculation

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本文引用格式

田吟雪, 金国龙, 王勇, 李华梅, 周东荣, 戴青, 朱小东, 唐继蔚. 坞墙组合钢板桩锈蚀损伤应力分析[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(S1): 87-93 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.11

TIAN Yinxue, JIN Guolong, WANG Yong, LI Huamei, ZHOU Dongrong, DAI Qing, ZHU Xiaodong, TANG Jiwei. Analysis of Corrosion Damage Stress of Composite Steel Sheet Pile for Dock Wall[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2023, 57(S1): 87-93 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.11

组合钢板桩坞墙最早应用于欧洲,如德国不莱梅港、荷兰鹿特丹港等[1],在巴基斯坦卡西姆港工程中也得到成功应用[2].由于组合钢板桩对船坞周边环境和水文地质条件具有较强的适应性,在软土中能够有效控制变形,现已广泛应用于国内大型船坞的坞壁结构.

原上海船厂浦西分厂修建有1#与2#两个船坞,由于船厂搬迁,船坞已空置8年.现为配合长江口2号古船整体迁移进1#船坞,并将重新启用,坞内灌水后使得环抱古船的奋力轮号进坞.1#船坞坞墙采用前板桩宽承台减载式高桩梁板式结构,前墙为CAZ26箱型组合钢板桩,具有抗弯强度高、结构受力合理、对荷载和地质适用性好的特点[3].

正常使用的船坞结构在运营期间会定期检修,保证结构安全.而1#船坞在船厂搬迁后年久失修,钢筋混凝土底板、帽梁、圈梁与钢板桩坞墙等结构均出现不同程度损伤,墙后减压排水设施失效,难以保证结构原有承载力.为保证坞墙结构安全并保持船坞原有历史风貌,以组合钢板桩坞墙结构作为研究重点,验算锈蚀后的钢板桩坞墙在重新启用过程中的工况,探究组合钢板桩锈蚀情况对结构安全的影响,并据此提出加固方案,为类似工程提供参考.

1 工程背景

1.1 项目概况

上海船厂位于杨浦滨江,两船坞并列.西侧为1#船坞,长205 m,坞内净宽36 m,坞深10.4 m;东侧为2#船坞,2座船坞之间的坞墙共用.工程所处地区为长江三角洲入海口东南前缘,场地土层按其成因可分为7层,主要为浅层软质黏性土和相对较深的粉性土或砂性土.场区水文为潜水与承压水,对钢板有弱腐蚀性.

根据工程所处的水文地质和周边环境条件,为有效减少作用在坞墙上的水土压力,本船坞在建设时期采用前板桩宽承台减载式高桩梁板式结构型式,为国内首次采用此结构的船坞工程[4].坞墙采用CAZ26组合箱形钢板桩结构,既作施工时的挡土止水墙,又作永久性坞壁结构.组合钢板桩长18.7 m,桩顶伸入帽梁0.5 m,桩顶通过焊接型钢与承台联成整体,船坞结构横断面如图1所示.组合钢板桩选用进口卢森堡钢AZ26型,钢号S355GP级,钢板桩的极限抗拉强度为410 MPa,屈服强度为270 MPa,迎土面采用国产II级船板焊接组合而成,组合钢板桩截面如图2所示.

图1

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图1   1#船坞横断面图(mm)

Fig.1   Cross sectional map of dry dock No. 1 (mm)


图2

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图2   CAZ组合钢板桩截面图(mm)

Fig.2   Section of CAZ composite steel sheet pile (mm)


1.2 原设计组合钢板桩强度

1#船坞原设计采用弹性地基梁法计算钢板桩.钢板桩结构与坞壁结构共同建模,坞室底板视作钢板桩的弹性支承,上部承台按刚性结构考虑.

1.2.1 计算参数与工况

据地勘资料及相关规范,原设计被动区地基基床比例系数m=3 MN/m4,组合钢板桩截面抵抗矩W=5.388×10-3 m3/m,入土深度t=13.8 m.

钢板桩计算荷载包含侧向土压力和水压力,在计算过程中按水、土分算进行,根据坞壁在施工和使用期不同的受力情况,计算分为施工工况和使用工况.施工工况下坞外地下水位-7.20 m,坞内水位-7.20 m;使用工况下坞外地下水位-0.30 m,坞内水位-5.70 m.

1.2.2 组合钢板桩强度计算

原设计各工况结构内力及位移计算结果如表1所示,组合钢板桩满足强度要求.

表1   钢板桩计算结果表

Tab.1  Calculation results of sheet pile

工况钢板桩最大弯矩/(kN·m)钢板桩最大位移/m
施工8240.021
使用6620.022

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2 组合钢板桩坞墙损伤检测

2.1 钢板桩坞墙损伤检测方法

为保证钢板桩坞墙的结构安全和历史风貌,钢结构检测需采用无损检测方法.近年来,常用的钢结构无损检测方法有射线检测法、超声波检测法、磁粉检测法、渗透检测法及涡流检测法等[5].结合工程特点及要求,采用超声波测厚法测量钢板桩坞墙钢板厚度,得出其锈蚀损伤情况.图3所示为1#船坞及钢板桩现状图片.

图3

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图3   1#船坞现状

Fig.3   Current status of Dry Dock No.1


2.2 钢板桩坞墙损伤检测结果

经检测,坞室底板以上0~0.5 m区段和钢板桩锁口缝渗水区锈蚀严重,锈蚀层大面积剥落,锈坑密布,锈坑深度达1.5~4.0 mm;坞室底板以上0.5 m至帽梁段,不含锁口缝渗水区,防腐涂层小面积脱落,钢板桩锈蚀深度小于1 mm.根据《水运工程水工建筑物检测与评估技术规范》(JTS 304—2019)规定,钢板桩锈蚀评定为B级,检测结果见表2.

表2   钢板桩锈蚀程度检测结果

Tab.2  Corrosion degree of steel sheet piles

范围锈坑深度/mm锈蚀等级评定
底板以上0~0.5 m区段1.5~4.0B级
底板以上0.5 m~桩顶帽梁区段<1.0

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根据以上检测结果,坞室底板以上0~0.5 m段锈蚀严重,钢板桩的有效截面相比原设计已有明显损失,需验算钢板桩目前的承载力,并根据计算结果,提出钢板桩修复加固措施,防止锈蚀进一步发展.

3 组合钢板桩损伤应力验算

根据检测结果,钢板桩锈蚀主要集中于坞内侧的外表面,深度为1.5~4.0 mm.为验证锈蚀损伤后的钢板桩是否满足古船进坞期间各工况所需的承载力要求,利用有限元软件建立船坞数值模型,分别计算钢板桩整体锈蚀与局部锈蚀损伤应力,探明锈蚀损伤对钢板桩结构强度的影响.

3.1 整体锈蚀钢板桩计算

3.1.1 模型建立

由于1#与2#船坞共用坞墙,在整体计算中建立两个船坞结构的数值模型.模型计算深度取60 m,东西方向宽度为200 m,南北宽度为260 m.坞内及周边土体采用实体单元模拟,船坞坞墙、底板等主体结构采用板单元,船坞桩基采用Embeded梁单元模拟,有限元模型如图4所示,其中左侧船坞为1#船坞.

图4

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图4   船坞有限元模型

Fig.4   Finite element model of dry dock


3.1.2 计算参数与工况

在整体计算中,将组合钢板桩锈蚀深度简化为2 mm,如图5所示,并通过折减断面刚度来模拟钢板桩的锈蚀情况,即对CAZ组合钢板桩进行截面计算,得到锈蚀后的截面积和塑性抵抗矩.

图5

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图5   CAZ组合钢板桩锈蚀断面示意图(mm)

Fig.5   Schematic diagram of corrosion section of CAZ composite steel sheet pile (mm)


模型土体选用HSS本构模型,土层参数如表3所示.

表3   各土层物理力学性质指标

Tab.3  Physical and mechanical properties of each soil layer

土层厚度/m重度/
(kN·m-3)		黏聚力/
kPa		内摩擦
角/(°)
粘质粉土1218.5827.6
淤泥质黏土617.11310.7
黏土417.81315.3
粉质黏土218.51921.2
粉质黏土519.94524.6
砂质粉土819.1732.7
粉砂2319.3434.6

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本项目古船进坞将经历船坞抽灌水、变位、平衡,船坞组合钢板桩结构的位移、内力计算需考虑整个施工过程,计算包含以下6个工况:①初始地应力计算;②船坞桩基与钢板桩施工;③地下水位降至坞底;④坞内土体开挖;⑤船坞底板施工;⑥钢板桩锈蚀,坞墙减压排水系统失效,坞外水位上升.

3.1.3 计算结果分析

根据上述模型计算得到钢板桩坞墙的变形与内力,计算结果如图6~9所示.

图6

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图6   船坞与土体整体变形网格

Fig.6   Overall deformation grid of dock and soil


图7

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图7   船坞结构位移

Fig.7   Displacement of dry dock structure


图8

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图8   1#坞墙弯矩图(单位延米)

Fig.8   Diagram of dock wall bending moment


图9

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图9   坞墙轴力图(单位延米)

Fig.9   Diagram of dock wall axis


根据以上计算结果可知,1#船坞两侧坞墙经过坞内土体开挖、底板施工及坞内注水等工况后,钢板桩呈向坞内弯曲变形的趋势,最大位移处位于船坞底板上方,位移约13.36 mm.船坞钢板桩弯矩最大值为983.7 kN·m,轴力最大值为671.5 kN.

基于有限元计算得到的组合钢板桩内力,利用《码头结构设计规范(JTS 167—2018)》对锈蚀损伤后的组合钢板桩进行验算.钢板桩的单宽强度验算公式为

γgq1 000NA+MmaxWz≤ft

式中:γgq为综合分项系数,取1.35;N为作用标准值产生的每米轴向力;Mmax为作用标准值产生的每米板桩墙最大弯矩;A为钢板桩的截面面积;Wz为钢板桩的弹性抵抗矩;ft为钢材的强度设计值.

将有限元计算得到的钢板桩内力和锈蚀后的组合钢板桩截面面积及抵抗矩代入式(1),得到钢板桩组合截面应力为246.2 MPa,尚未达到钢结构材料屈服强度,因此组合钢板桩在检测期间的锈蚀程度下仍能满足强度要求.

3.2 局部锈蚀钢板桩计算

3.2.1 模型建立

为探究局部锈坑对组合钢板桩承载力的影响,采用荷载结构法建立单根CAZ组合钢板桩模型,验算锈蚀区局部应力,如图10所示.钢板桩采用实体单元模拟,根据图11所示的实际锈蚀情况,在钢板桩模型的相应位置建立锈蚀区.在计算过程中钝化锈蚀区单元来模拟钢板桩截面锈蚀工况,锈坑深度4.0 mm,如图12所示.

图10

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图10   组合钢板桩实体单元模型

Fig.10   Solid element model of composite steel sheet pile


图11

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图11   钢板桩锈蚀情况

Fig.11   Corrosion of steel sheet pile


图12

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图12   局部锈坑模型

Fig.12   Model of local rust pit


3.2.2 计算参数与荷载

局部锈蚀钢板桩计算工况同3.1.2节,开挖工况钢板桩承受侧向水土压力,开挖面以下被动区设有土弹簧约束;锈蚀工况中钝化锈坑单元,同时在迎土侧,向钢板桩施加附加水压力,以模拟船坞减压排水系统失效后作用于钢板桩的水压力.钢板桩材料弹性模量E=206 GPa,泊松比ν=0.3,桩顶为固定约束,桩底仅约束竖向位移,计算简图如图13所示,锈坑单元分布于底板以上0.5 m范围内.

图13

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图13   组合钢板桩局部锈蚀计算简图

Fig.13   Diagram of local corrosion calculation of composite steel sheet pile


3.2.3 应力计算结果

对以上有限元模型进行计算,得出钢板桩局部锈坑处的应力计算结果,如图14所示.图例中红字为应力数值在这一区间内的单元所占比例.在钢板桩锈蚀工况下,钢板桩锈坑处局部应力最大值为262.7 MPa.该应力计算结果已超出钢构件材料的强度设计值,但未达到屈服强度270 MPa,因此,1#船坞锈蚀现状尚能承载奋力轮号及古船进坞时的强度要求.

图14

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图14   组合钢板桩锈坑处应力计算结果

Fig.14   Stress calculation result at rust pit of composite steel sheet pile


4 组合钢板桩锈蚀损伤发展影响探究

1#船坞钢板桩坞墙在短期内能够满足强度要求,但已接近钢结构材料强度临界值.随着时间发展,未经防锈蚀处理的钢板桩锈蚀程度将逐步加深,截面削弱将日益严重.为探究不同锈蚀深度对钢板桩承载力的影响,分别建立锈坑深度为4.0、4.2、4.4、4.6、4.8 mm的钢板桩模型,计算相应的钢板桩变形与应力,计算结果如图15所示.

图15

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图15   不同锈坑深度下组合钢板桩应力计算结果

Fig.15   Stress calculation results of composite steel sheet piles at different pit depths


根据以上计算结果可知,随着锈坑深度增加,钢板桩结构应力逐步增大.当锈坑深度为4.4 mm时,钢板桩局部应力最大值为268.4 MPa,未达到材料屈服强度.而当锈坑深度发展至4.6 mm时,钢板桩局部应力最大值为272.1 MPa,超出钢板桩材料屈服强度270 MPa,船坞结构难以保证后续古船博物院建设的安全.根据相关规范,淡水环境内钢结构平均锈蚀速度为0.06 mm/a.为保障船坞结构安全,需在7年内进行组合钢板桩结构的修复和补强;在全部清除原有涂层后,对钢板桩进行全面除锈,重新实施有效的防腐涂层体系.

5 结论

(1) 上海船厂1#船坞在空置8年后,组合钢板桩坞墙结构出现一定锈蚀损伤.经检测发现,锈蚀严重区域防腐涂层接近完全脱落,锈蚀层大面积剥落,锈坑密布,锈蚀深度达1.5~4 mm,钢板桩有效截面存在一定损失.

(2) 利用有限元计算得到组合钢板桩断面整体

锈蚀2 mm及局部锈坑损伤4 mm后的应力,计算结果满足强度要求,因此在短期内钢板桩坞墙具备古船进坞工作所需的承载力.

(3) 由于钢板桩锈蚀程度将继续发展,结构内力与应力逐步增大.根据计算结果及钢板桩材料强度,建议在7年内加强钢板桩的修复与补强,及时除锈并建立有效的防腐体系,保障后续古船考古及古船博物院建设工作顺利开展.

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