建筑與土木工程案例分析

1、洋山深水港東海大橋結(jié)構(gòu)耐久性分析陳小健(江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)摘 要：本文以洋山深水港東海大橋?yàn)槔?，從海洋環(huán)境對(duì)東海大橋混凝土侵蝕的機(jī)理出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu) 耐久性分析。詳細(xì)介紹了大橋結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)、檢測(cè)與維護(hù)以及使用壽命的預(yù)測(cè)。本工程采用高性能混 凝土作為提高其耐久性的主要技術(shù)措施，并取得了良好的效果，為今后我國跨海大橋的耐久性設(shè)計(jì)提供了 參考和借鑒依據(jù)。關(guān)鍵詞：東海大橋；高性能混凝土；耐久性設(shè)計(jì)；檢測(cè)與維護(hù)；使用壽命預(yù)測(cè)Analysis on Structural Durability of Donghai Bridge of YangshanDeep-wa

2、ter PortCHEN Xiaojian(School of Civil and Architecture Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China)Abstract: Based on the case of Donghai Bridge of Yangshan Deep-water Port, through the Donghai bridge's durability failure mechanism in ocean environment

3、, analysis on its structure durability were undertook. It introduced the durability design, detection and maintenance and service life prediction of the bridge in detail. This project used high-performance concrete to improve its durability as the main technical measures, and have achieved good resu

4、lts, thus it supply a reference for durability design of Chinese bay bridge in the future.Key words: Donghai Bridge; high-performance concrete; durability design; detection and maintenance; service life prediction1概述上海東海大橋工程是上海國際航運(yùn)中心的集裝箱深水樞紐港的三大重要配套工程之一，為洋山深水港區(qū)集裝箱陸路集疏運(yùn)和供水、供電、通訊等需求提供服務(wù)，是我國第一座長距離跨海大橋。

5、大橋起始于上海南匯區(qū)蘆潮港，北與滬蘆高速公路相連， 南跨杭州灣北部海域， 直達(dá)浙江峽泗縣小洋山島，全長 32.5公里。按雙向六車道高速公路的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，橋?qū)?31.5米，設(shè) 計(jì)車速80公里/小時(shí)。大橋主體結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)， 全橋混凝土用量約 100萬立方，設(shè)計(jì)使 用壽命100年，于2005年5月建成通車。2東海大橋面臨的耐久性問題圖1 東海大橋東海大橋地處北亞熱帶南緣、東北季風(fēng)盛行區(qū)，受季風(fēng)影響冬冷夏熱，四季分明，降水充沛，氣候變化復(fù)雜，多年平均氣溫為 15.8C,海區(qū)全年鹽度一般在 10.00%32.00%之間變 化，屬強(qiáng)混合型海區(qū)，海洋環(huán)境特征明顯。在海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕荷載主要由氣候

6、和環(huán)境介質(zhì)侵蝕引起。主要表現(xiàn)形式有鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、鹽類侵蝕、溶蝕、堿一集料反應(yīng)和沖擊磨損等。東海大橋位于典型的 亞熱帶地區(qū)，嚴(yán)重的凍融破壞和浮冰的沖擊磨損可不予考慮。 鎂鹽、硫酸鹽等鹽類侵蝕和堿 骨料反應(yīng)破壞則可以通過控制混凝土組分來避免。這樣鋼筋銹蝕破壞就成為最主要的腐蝕荷載?；炷林袖摻钿P蝕可由兩種因素誘發(fā)：一是海水中Cl-侵蝕，二是大氣中的CO2使混凝土中性化。國內(nèi)外大量工程調(diào)查和科學(xué)研究結(jié)果表明，海洋環(huán)境下導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是 Cl-進(jìn)入混凝土中，并在鋼筋表面集聚，促使鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。在東 海大橋周邊沿海碼頭調(diào)查中亦證實(shí)，海洋環(huán)境中混凝土的碳化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于C

7、滲透速度，中等質(zhì)量的混凝土自然碳化速度平均為3mm/10年。因此，影響東海大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的首要因素是混凝土中的 C滲透速度。3東海大橋結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)3.1構(gòu)件暴露部位的劃分根據(jù)我國交通部海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)范(JTJ275-2000)有關(guān)條文規(guī)定，海水環(huán)境結(jié)構(gòu)部位劃分為大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)及水下區(qū)。根據(jù)國內(nèi)外海工混凝土的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕最嚴(yán)重的是浪濺區(qū)，其它依次是水位變動(dòng)區(qū)、大氣區(qū)、水下區(qū)。長期處于水下的混凝土結(jié)構(gòu)由于缺乏供氧條件，鋼筋腐蝕極為緩慢。因此，在東海大橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)各構(gòu)件所處的環(huán)境條件，有針對(duì)性地采取不同的防腐蝕要求和措施。3.2大橋結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐

8、久性設(shè)計(jì)大橋主結(jié)構(gòu)（混凝土鉆孔樁、承臺(tái)、墩柱和箱梁等），根據(jù)所處的環(huán)境，取不同的保護(hù)層厚度，采用高性能混凝土為基本措施；對(duì)于混凝土保護(hù)層相對(duì)較小且位于浪濺或潮差區(qū)等部位，采用混凝土外保護(hù)涂層等附加措施。結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)構(gòu)件混凝土的強(qiáng)度等級(jí)要求，并考慮施工工藝和環(huán)境條件，對(duì)各部位混凝土采取的具體耐久性方案如表 1。圖2構(gòu)件暴露部位劃分圖表1東海大橋海上段混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方案結(jié)構(gòu)部位海洋環(huán)境分類保護(hù)層厚度/mm混凝土強(qiáng)度等級(jí)混凝土品種輔助措施鉆孔灌注樁水下區(qū)、樁頭水位變動(dòng)區(qū)70C30大摻量摻合料混凝土上部為不拆除的鋼套管承臺(tái)水位變動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)90C40高性能混凝土水位變動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層墩

9、柱水位變動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)70C40高性能混凝土水位變動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層箱梁大氣區(qū)40C50高性能混凝土橋面板大氣區(qū)40C60高性能混凝土塔柱下部為水位變動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)、上部為大氣區(qū)70C50高性能混凝土水位變動(dòng)區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層3.3相應(yīng)的施工工藝為確保結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，具有優(yōu)良可靠的施工程序和工藝是必須的。東海大橋的混凝土工程在施工中依據(jù)澆筑部位的特點(diǎn)制定了合理的工序，采用了不少先進(jìn)的技術(shù)和工 藝，其中具有代表性的是：1、鉆孔灌注樁混凝土工程(1) 澆筑采用兩艘120型拌和船拌機(jī)拌制自密實(shí)混凝土，拌和時(shí)間不少于130s。而后由拌和船上的布料桿直接輸送至孔上的導(dǎo)管中。輸送水平距

10、離和垂直距離約38米，澆注時(shí)長610小時(shí)。(2) 養(yǎng)護(hù)因鉆孔灌注樁外圍為鋼護(hù)筒，厚度16mm,故不采取養(yǎng)護(hù)措施。2、超長超大混凝土箱梁混凝土工程(1) 澆筑海上現(xiàn)澆箱梁混凝土澆筑由一艘拌和船拌制磔，拌和時(shí)間不少于130s,首先由拌和船布料桿將磔輸送至箱梁頂面，再由1臺(tái)輸送泵將磔輸送至指定地點(diǎn) (垂直距離2030米，水平距離10160米)，采用插入式振搗器搗實(shí)，薄層(每層厚度小于30cm )連續(xù)澆注，澆注時(shí)長 58小時(shí)。陸上預(yù)制箱梁混凝土澆筑由不少于6臺(tái)攪拌運(yùn)輸車代替攪拌船，其它與海上澆筑類似。(2) 養(yǎng)護(hù)西引橋采用木模，具有較好的保溫效果， 澆注完成后覆蓋一層塑料布進(jìn)行保濕養(yǎng)生，待磔終凝后，撤

11、去塑料布，覆蓋兩層濕土工布，專人定期灑水養(yǎng)生，模板拆除后，在其表面噴 養(yǎng)護(hù)劑。并在箱梁埋設(shè)傳感器監(jiān)測(cè)溫度，控制內(nèi)外溫差小于15度。東引橋采用鋼模，在其外噴聚胺脂保溫材料進(jìn)行保溫，東引橋由工期較緊，采用蒸汽養(yǎng)生，采用4t蒸汽鍋爐，設(shè)一根133mm總管達(dá)到施工處，設(shè)三根 75mn管，箱內(nèi)一根，間隔 50cm設(shè)一 3mm噴汽孔，箱 頂二根，間隔1米設(shè)一根長15米的4分管，該管間隔50cm設(shè)一 3mm噴汽孔?？刂粕郎厮俣让?小時(shí)不大于10度，降溫每小時(shí)不大于3度，靜養(yǎng)610小時(shí)，蒸養(yǎng)6272小時(shí)，降溫1215小時(shí)， 強(qiáng)度達(dá)到后繼續(xù)養(yǎng)生不少于 15天。3、墩柱及超高橋塔混凝土工程(1)混凝土澆筑采用兩臺(tái)

12、強(qiáng)制式攪拌機(jī)(90型、60型拌和機(jī))拌制混凝土，每小時(shí)理論生產(chǎn)磔方量100方。 拌和時(shí)間不少于130s。采用磔輸送車輸送，達(dá)到平臺(tái)后采用一臺(tái)60型輸送泵輸入墩身頂面，38小時(shí)。設(shè)串筒下料，自由高度小于 2米，薄層連續(xù)澆注，插入式振搗器搗實(shí)。澆注時(shí)間(2)混凝土養(yǎng)護(hù)在模板外噴聚胺脂保溫材料保溫，澆注完成后在磔表面覆蓋濕麻袋與土工布，專人養(yǎng)護(hù)，定期用淡水噴灑，埋設(shè)溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度，降溫達(dá)到規(guī)定要求后拆除模板，模板拆除后立即噴養(yǎng)護(hù)劑，養(yǎng)護(hù)噴完后圍掛二層土工布外包一層塑料布，進(jìn)行保溫保濕，養(yǎng)護(hù)期不少于15天。4、承臺(tái)及大體積主橋承臺(tái)混凝土工程(1) 混凝土澆筑引橋采用兩臺(tái)強(qiáng)制式攪拌機(jī) (90型、60

13、型拌和機(jī))拌制混凝土，每小時(shí)理論生產(chǎn)磔方量100 方。主橋除采用上述攪拌機(jī)外，另用磔拌和船輔助生產(chǎn)，拌和時(shí)間不少于130s。采用磔輸送車輸送，達(dá)到平臺(tái)后采用兩臺(tái)60型輸送泵輸入承臺(tái)中，薄層 (每層厚度不超過30cm)連續(xù)澆注，插入式振搗器搗實(shí)。引橋澆注時(shí)間610小時(shí)，主橋澆注時(shí)間1224小時(shí)。(2) 混凝土養(yǎng)護(hù)承臺(tái)澆注收漿完成后，在磔的表面覆蓋若干層麻袋及土工布保溫保濕，在承臺(tái)外側(cè)噴聚胺脂保溫材料進(jìn)行保溫。 在磔內(nèi)部設(shè)冷卻水管降溫， 中間埋溫度傳感器，采用電腦監(jiān)測(cè)溫度， 控制內(nèi)外溫差小于25度，磔表面覆蓋麻袋與土工布，再蓋一層塑料布與三色布保溫保濕，表面保持12cm的水，防止承臺(tái)失水，冬季施工

14、時(shí)合理安排工期，在0度與入模溫度低于5度時(shí)停止施工，選擇在氣溫較高的天氣時(shí)施工，保溫保濕措施同上。養(yǎng)生水采用淡水，養(yǎng)護(hù)期不少于15天。4大橋結(jié)構(gòu)耐久性檢測(cè)與維護(hù)東海大橋在線評(píng)估采用層次分析法，將全橋劃分成不同的評(píng)估層次，逐級(jí)評(píng)估匯總。層次分析法(AHP法)將影響橋梁工作狀態(tài)的各種因素調(diào)理化、層次化，把對(duì)某個(gè)狀態(tài)影響程度相近或比較緊密的因素放在一起，形成一個(gè)層，建立多層的層次關(guān)系綜合評(píng)估體系。通過對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的無量綱化處理，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、定期監(jiān)測(cè)及人工檢查等不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合， 實(shí)現(xiàn)對(duì)東海大橋健康狀態(tài)的綜合評(píng)估。通過變權(quán)方式，實(shí)現(xiàn)根據(jù)各指標(biāo)的退化情況調(diào)整指標(biāo)權(quán)重，達(dá)到客觀評(píng)估結(jié)構(gòu)狀態(tài)的目的， 通

15、過加權(quán)綜合的方法由底層指標(biāo)得到上層指標(biāo)的狀態(tài)， 逐層綜合，得到整個(gè)橋梁的狀態(tài)。表2列出了大橋耐久性評(píng)估的部分內(nèi)容，更多內(nèi)容參考文獻(xiàn)6。表2大橋耐久性評(píng)估內(nèi)容序號(hào)項(xiàng)目內(nèi)容數(shù)據(jù)采集方式頻率監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備或手段1混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1Hz應(yīng)變計(jì)2混凝土裂縫人工檢查1次/年肉眼及測(cè)量工具3混凝土強(qiáng)度定期監(jiān)測(cè)1次/年回彈法4碳化深度定期監(jiān)測(cè)1次/年人工測(cè)試5氯離子侵蝕定期監(jiān)測(cè)1次/年測(cè)定電阻率6混凝土表觀狀況人工檢查1次/年肉眼觀測(cè)7結(jié)構(gòu)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1Hz溫度儀8水文、波浪定期監(jiān)測(cè)1次/年水壓力計(jì)、波浪儀綜上可見，東海大橋的耐久性防護(hù)體系充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的方法，對(duì)大橋的耐久性防護(hù)貫穿于設(shè)計(jì)、施工

16、、監(jiān)測(cè)和維護(hù)的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中。具有較強(qiáng)的可靠性。5東海大橋使用壽命的預(yù)測(cè)5.1壽命預(yù)測(cè)模型利用氯離子侵蝕影響因素的分布特征，可以計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間點(diǎn)上的耐久可靠性指標(biāo)，從而得到氯離子侵蝕耐久可靠性隨時(shí)間變化的曲線。當(dāng)某一時(shí)間點(diǎn)上耐久可靠性低于規(guī)定的指標(biāo)時(shí)，結(jié)構(gòu)的耐久壽命終結(jié)，將這個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為氯離子侵蝕的耐久壽命。利用隨機(jī)可靠度分析方法，正常使用極限狀態(tài)方程為：Z =R(t)-S(t) =0(1)對(duì)于氯離子侵蝕，定義 R = x (保護(hù)層厚度)，氯離子傳輸達(dá)鋼筋表面的距離可表述為：S =2erf。1 -%) J5T，其中D為氯離子的擴(kuò)散系數(shù)，t為擴(kuò)散時(shí)間，erf為誤差函數(shù)，Cs Cs為混凝

17、土表面氯離子濃度，Ccl為鋼筋銹蝕臨界氯離子濃度。繼而，氯離子侵蝕環(huán)境正常使用耐久極限狀態(tài)方程為：4 CZ=RS=x2erf (1 cr )7 Dt(2)CsC則失效概率為：嘎效=Pf =Px 2erf (14)JDt <0(3)Cs將(2)、(3)代入(1)式，參考MCSLPS模型，考慮各種影n向因素后引入修正系數(shù)K,可以建立沿海區(qū)域混凝土壽命預(yù)測(cè)模型:(4)erf J(CCcr)- 2KDaCs-C0式中：K=K 1K2K3K4, Da為氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)，Cs為混凝土表面氯離子濃度，Ccr為鋼筋銹蝕臨界氯離子濃度，Co為混凝土初始氯離子濃度。5.2修正系數(shù)取值1、暴露時(shí)間影響系數(shù)K

18、iKi為暴露時(shí)間對(duì)表觀擴(kuò)散系數(shù) Da的影響系數(shù)，參考Maage模型確定。K=（te1-te2）a,其中a 為LgDa和Lgt的關(guān)系曲線的斜率，與混凝土的膠凝材料組成有關(guān)，按下表3選用；te1, te2分別為暴露時(shí)間。表3衰減指數(shù)a的取值范圍OPCPSLPFAPSFOPC+ IOPC+H0.22 0.270.60 0.620.65 0.700.50 0.540.65 0.700.62 0.66注：OPC:水泥；PSL:水泥+礦渣；PFA:水泥+粉煤灰；PSF:水泥+硅粉；OPC+I:水泥+礦渣+粉煤灰;OPC+ H:水泥+礦渣+粉煤灰+硅粉2、環(huán)境溫度影響系數(shù)K2關(guān)于環(huán)境溫度對(duì)于腐蝕速率的影響，

19、國內(nèi)外都已有共識(shí)，即一般來說腐蝕速率隨環(huán)境溫度的增加而上升。根據(jù)工程調(diào)查，一般在535 C范圍內(nèi)的溫度修正系數(shù)可按表 4用插值法求得，當(dāng)溫度小 于5C時(shí)可按5C計(jì)，當(dāng)溫度大于35C時(shí)以35C計(jì)。表4溫度修正系數(shù)K2的取值范圍溫度C5101520253035K20.50.60.81.01.21.62.03、膠凝材料對(duì)氯離子的吸附作影響系數(shù)K3混凝土中的氯離子至少包括兩部分，即溶解于孔隙水中的自由氯離子和物理或化學(xué)吸附于膠凝材料水化物中及其表面的結(jié)合氯離子。但是只有自由氯離子才會(huì)滲透過混凝土保護(hù)層并參與鋼筋的腐蝕過程。因此膠凝材料對(duì)氯離子的吸附主要在兩個(gè)方面影響鋼筋的銹蝕時(shí)間：（1）由于吸附作用，

20、參與滲透的自由氯離子數(shù)量減少，氯離子在混凝土中的傳輸速度減慢；（2）降低鋼筋表面氯離子濃度。Nilsson等發(fā)現(xiàn)混凝土中總氯離子濃度、結(jié)合氯離子濃度、自由氯離子濃度之間的關(guān)系(5)(6)滿足下式:Ct = Cb eCf因此，吸附作用影響系數(shù) K3可由式(6)確定，其取值范圍如表 5。K3表5 K3的取值范圍OPCPSLPFAPSFOPC+ IOPC+H0.70 0.900.60 0.700.60 0.700.70 0.800.60 0.700.60 0.70注：OPC:水泥；PSL:水泥+礦渣；PFA:水泥+粉煤灰；PSF:水泥+硅粉；OPC+I:水泥+礦渣+粉煤灰;OPC+ H:水泥+礦渣+粉煤灰+硅粉。4、混凝土內(nèi)應(yīng)力和裂縫修正系數(shù) K4混凝土開裂也會(huì)影響到氯離子擴(kuò)散進(jìn)入混凝土中的速率， 進(jìn)而影響其使用壽命。 根據(jù)工 程調(diào)查和試驗(yàn)研究提出用應(yīng)力和裂縫修正系數(shù) K4來反應(yīng)這種影響，并建議 K4可按下表6取 值。表6應(yīng)力與裂縫修正系數(shù)K4的取值范圍開裂情況拉應(yīng)力壓應(yīng)力有裂縫1.2 1.31.0 1.1無裂縫1.0 1.10.8 0.9注：這里所指的裂縫主要指裂縫寬度在0.2mmZ下且裂縫沒有抵達(dá)鋼筋的狀