1、洋山深水港東海大橋結構耐久性分析陳小健（江蘇科技大學土木工程與建筑學院，江蘇鎮江 212003）摘 要：本文以洋山深水港東海大橋為例，從海洋環境對東海大橋混凝土侵蝕的機理出發，對其進行結構耐久性分析。詳細介紹了大橋結構的耐久性設計、檢測與維護以及使用壽命的預測。本工程采用高性能混凝土作為提高其耐久性的主要技術措施，并取得了良好的效果，為今后我國跨海大橋的耐久性設計提供了參考和借鑒依據。關鍵詞：東海大橋；高性能混凝土；耐久性設計；檢測與維護；使用壽命預測Analysis on Structural Durability of Donghai Bridge of Yangshan Deep-wat
2、er 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 bridges durability failure mechanism in ocean environment, analy
3、sis 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 results, th
4、us 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，為洋山深水港區集裝箱陸路集疏運和供水、供電、通訊等需求提供服務，是我國第一座長距離跨海大橋。大橋起始于
5、上海南匯區蘆潮港，北與滬蘆高速公路相連，南跨杭州灣北部海域，直達浙江嵊泗縣小洋山島，全長32.5公里。按雙向六車道高速公路的標準設計，橋寬31.5米，設計車速80公里/小時。大橋主體結構為混凝土結構，全橋混凝土用量約100萬立方，設計使用壽命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、東北季風盛行區，受季風影響冬冷夏熱，四季分明，降水充沛，氣候變化復雜，多年平均氣溫為15.8，海區全年鹽度一般在10.00%32.00%之間變化，屬強混合型海區，海洋環境特征明顯。在海洋環境下混凝土結構的腐蝕荷載主要由氣候和環境介質侵蝕引起。主要表現形式
6、有鋼筋銹蝕、凍融循環、鹽類侵蝕、溶蝕、堿集料反應和沖擊磨損等。東海大橋位于典型的亞熱帶地區，嚴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。混凝土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發：一是海水中Cl-侵蝕，二是大氣中的CO2使混凝土中性化。國內外大量工程調查和科學研究結果表明，海洋環境下導致混凝土結構中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是Cl-進入混凝土中，并在鋼筋表面集聚，促使鋼筋產生電化學腐蝕。在東海大橋周邊沿海碼頭調查中亦證實1，海洋環境中混凝土的碳化速度遠遠低于Cl-滲透速度，中等質量的混凝土自然碳化速度
7、平均為3mm/10年。因此，影響東海大橋結構混凝土耐久性的首要因素是混凝土中的Cl-滲透速度。3 東海大橋結構的耐久性設計3.1 構件暴露部位的劃分根據我國交通部海港工程混凝土結構防腐技術規范（JTJ275-2000）有關條文規定，海水環境結構部位劃分為大氣區、浪濺區、水位變動區及水下區。根據國內外海工混凝土的實踐經驗，混凝土結構中鋼筋腐蝕最嚴重的是浪濺區，其它依次是水位變動區、大氣區、水下區。長期處于水下的混凝土結構由于缺乏供氧條件，鋼筋腐蝕極為緩慢。因此，在東海大橋設計時應根據各構件所處的環境條件，有針對性地采取不同的防腐蝕要求和措施。3.2 大橋結構構件的耐久性設計大橋主結構（混凝土鉆孔
8、樁、承臺、墩柱和箱梁等），根據所處的環境，取不同的保護層厚度，采用高性能混凝土為基本措施；對于混凝土保護層相對較小且位于浪濺或潮差區等部位，采用混凝土外保護涂層等附加措施。結合結構設計對構件混凝土的強度等級要求，并考慮施工工藝和環境條件，對各部位混凝土采取的具體耐久性方案如表1。圖2 構件暴露部位劃分圖表1 東海大橋海上段混凝土結構耐久性方案結構部位海洋環境分類保護層厚度/mm混凝土強度等級混凝土品種輔助措施鉆孔灌注樁水下區、樁頭水位變動區70C30大摻量摻合料混凝土上部為不拆除的鋼套管承臺水位變動區、浪濺區90C40高性能混凝土水位變動區、浪濺區部位涂防腐蝕涂層墩柱水位變動區、浪濺區70C4
9、0高性能混凝土水位變動區、浪濺區部位涂防腐蝕涂層箱梁大氣區40C50高性能混凝土橋面板大氣區40C60高性能混凝土塔柱下部為水位變動區、浪濺區、上部為大氣區70C50高性能混凝土水位變動區、浪濺區部位涂防腐蝕涂層3.3 相應的施工工藝為確保結構耐久性設計的實現，具有優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澆筑部位的特點制定了合理的工序，采用了不少先進的技術和工藝，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型拌和船拌機拌制自密實混凝土，拌和時間不少于130s。而后由拌和船上的布料桿直接輸送至孔上的導管中。輸送水平距離和垂直距離約38米，澆注時長
10、610小時。（2）養護因鉆孔灌注樁外圍為鋼護筒，厚度16mm，故不采取養護措施。2、超長超大混凝土箱梁混凝土工程（1）澆筑海上現澆箱梁混凝土澆筑由一艘拌和船拌制砼，拌和時間不少于130s，首先由拌和船布料桿將砼輸送至箱梁頂面，再由1臺輸送泵將砼輸送至指定地點(垂直距離2030米，水平距離10160米)，采用插入式振搗器搗實，薄層(每層厚度小于30cm)連續澆注，澆注時長58小時。陸上預制箱梁混凝土澆筑由不少于6臺攪拌運輸車代替攪拌船，其它與海上澆筑類似。（2）養護西引橋采用木模，具有較好的保溫效果，澆注完成后覆蓋一層塑料布進行保濕養生，待砼終凝后，撤去塑料布，覆蓋兩層濕土工布，專人定期灑水養生
11、，模板拆除后，在其表面噴養護劑。并在箱梁埋設傳感器監測溫度，控制內外溫差小于15度。東引橋采用鋼模，在其外噴聚胺脂保溫材料進行保溫，東引橋由工期較緊，采用蒸汽養生，采用4t蒸汽鍋爐，設一根133mm總管達到施工處，設三根75mm分管，箱內一根，間隔50cm設一3mm噴汽孔，箱頂二根，間隔1米設一根長15米的4分管，該管間隔50cm設一3mm噴汽孔。控制升溫速度每小時不大于10度，降溫每小時不大于3度，靜養610小時，蒸養6272小時，降溫1215小時，強度達到后繼續養生不少于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強制式攪拌機(90型、60型拌和機)拌制混凝土，每小時理論生
12、產砼方量100方。拌和時間不少于130s。采用砼輸送車輸送，達到平臺后采用一臺60型輸送泵輸入墩身頂面，設串筒下料，自由高度小于2米，薄層連續澆注，插入式振搗器搗實。澆注時間38小時。（2）混凝土養護在模板外噴聚胺脂保溫材料保溫，澆注完成后在砼表面覆蓋濕麻袋與土工布，專人養護，定期用淡水噴灑，埋設溫度傳感器監測溫度，降溫達到規定要求后拆除模板，模板拆除后立即噴養護劑，養護噴完后圍掛二層土工布外包一層塑料布，進行保溫保濕，養護期不少于15天。4、承臺及大體積主橋承臺混凝土工程（1）混凝土澆筑引橋采用兩臺強制式攪拌機(90型、60型拌和機)拌制混凝土，每小時理論生產砼方量100方。主橋除采用上述攪
13、拌機外，另用砼拌和船輔助生產，拌和時間不少于130s。采用砼輸送車輸送，達到平臺后采用兩臺60型輸送泵輸入承臺中，薄層(每層厚度不超過30cm)連續澆注，插入式振搗器搗實。引橋澆注時間610小時，主橋澆注時間1224小時。（2）混凝土養護承臺澆注收漿完成后，在砼的表面覆蓋若干層麻袋及土工布保溫保濕，在承臺外側噴聚胺脂保溫材料進行保溫。在砼內部設冷卻水管降溫，中間埋溫度傳感器，采用電腦監測溫度，控制內外溫差小于25度，砼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，防止承臺失水，冬季施工時合理安排工期，在0度與入模溫度低于5度時停止施工，選擇在氣溫較高的天氣時施工，
14、保溫保濕措施同上。養生水采用淡水，養護期不少于15天。4 大橋結構耐久性檢測與維護東海大橋在線評估采用層次分析法,將全橋劃分成不同的評估層次，逐級評估匯總。層次分析法(AHP法)將影響橋梁工作狀態的各種因素調理化、層次化，把對某個狀態影響程度相近或比較緊密的因素放在一起，形成一個層，建立多層的層次關系綜合評估體系。通過對評價指標的無量綱化處理，將實時監測、定期監測及人工檢查等不同類型的數據進行綜合，實現對東海大橋健康狀態的綜合評估。通過變權方式，實現根據各指標的退化情況調整指標權重，達到客觀評估結構狀態的目的，通過加權綜合的方法由底層指標得到上層指標的狀態，逐層綜合，得到整個橋梁的狀態。表2列
15、出了大橋耐久性評估的部分內容，更多內容參考文獻6。表2 大橋耐久性評估內容序號項目內容數據采集方式頻率監測儀器設備或手段1混凝土結構應變實時監測1Hz應變計2混凝土裂縫人工檢查1次/年肉眼及測量工具3混凝土強度定期監測1次/年回彈法4碳化深度定期監測1次/年人工測試5氯離子侵蝕定期監測1次/年測定電阻率6混凝土表觀狀況人工檢查1次/年肉眼觀測7結構溫度實時監測1Hz溫度儀8水文、波浪定期監測1次/年水壓力計、波浪儀綜上可見，東海大橋的耐久性防護體系充分體現了結構耐久性設計的方法，對大橋的耐久性防護貫穿于設計、施工、監測和維護的整個動態過程中。具有較強的可靠性。5 東海大橋使用壽命的預測5.1
16、壽命預測模型利用氯離子侵蝕影響因素的分布特征，可以計算混凝土結構在不同時間點上的耐久可靠性指標，從而得到氯離子侵蝕耐久可靠性隨時間變化的曲線。當某一時間點上耐久可靠性低于規定的指標時，結構的耐久壽命終結，將這個時間點作為氯離子侵蝕的耐久壽命。利用隨機可靠度分析方法，正常使用極限狀態方程為：（1）對于氯離子侵蝕，定義R = x（保護層厚度），氯離子傳輸達鋼筋表面的距離可表述為：，其中D為氯離子的擴散系數，t為擴散時間，erf為誤差函數，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。繼而，氯離子侵蝕環境正常使用耐久極限狀態方程為：（2）則失效概率為： （3）將（2）、（3）代入（1）
17、式，參考MCSLPS模型，考慮各種影響因素后引入修正系數K，可以建立沿海區域混凝土壽命預測模型：（4）式中：K=K1K2K3K4，Da為氯離子表觀擴散系數，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，C0為混凝土初始氯離子濃度。5.2 修正系數取值1、暴露時間影響系數K1K1為暴露時間對表觀擴散系數Da的影響系數，參考Maage模型確定。K1=(te1-te2)a，其中a為LgDa和Lgt的關系曲線的斜率，與混凝土的膠凝材料組成有關，按下表3選用；te1，te2分別為暴露時間。表3 衰減指數a的取值范圍OPCPSLPFAPSFOPC+OPC+0.220.270.600.620.
18、650.700.500.540.650.700.620.66注：OPC：水泥；PSL：水泥+礦渣；PFA：水泥+粉煤灰；PSF：水泥+硅粉；OPC+：水泥+礦渣+粉煤灰；OPC+：水泥+礦渣+粉煤灰+硅粉。2、環境溫度影響系數K2關于環境溫度對于腐蝕速率的影響，國內外都已有共識，即一般來說腐蝕速率隨環境溫度的增加而上升。根據工程調查，一般在535范圍內的溫度修正系數可按表4用插值法求得，當溫度小于5時可按5計，當溫度大于35時以35計。表4 溫度修正系數K2的取值范圍溫度5101520253035K20.50.60.81.01.21.62.03、膠凝材料對氯離子的吸附作影響系數K3混凝土中的氯
19、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吸附于膠凝材料水化物中及其表面的結合氯離子。但是只有自由氯離子才會滲透過混凝土保護層并參與鋼筋的腐蝕過程。因此膠凝材料對氯離子的吸附主要在兩個方面影響鋼筋的銹蝕時間：（1）由于吸附作用，參與滲透的自由氯離子數量減少，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等發現混凝土中總氯離子濃度、結合氯離子濃度、自由氯離子濃度之間的關系滿足下式：（5）因此，吸附作用影響系數K3可由式（6）確定，其取值范圍如表5。（6）表5 K3的取值范圍OPCPSLPFAPSFOPC+OPC+0.700.900.600.700.
20、600.700.700.800.600.700.600.70注：OPC：水泥；PSL：水泥+礦渣；PFA：水泥+粉煤灰；PSF：水泥+硅粉；OPC+：水泥+礦渣+粉煤灰；OPC+：水泥+礦渣+粉煤灰+硅粉。4、混凝土內應力和裂縫修正系數K4混凝土開裂也會影響到氯離子擴散進入混凝土中的速率，進而影響其使用壽命。根據工程調查和試驗研究提出用應力和裂縫修正系數K4來反應這種影響，并建議K4可按下表6取值。表6 應力與裂縫修正系數K4的取值范圍開裂情況拉應力壓應力有裂縫1.21.31.01.1無裂縫1.01.10.80.9注：這里所指的裂縫主要指裂縫寬度在0.2mm以下且裂縫沒有抵達鋼筋的狀態。5.3
21、 東海大橋使用壽命的估算應用上述壽命估算模型，并提供相關的參數，即可進行結構壽命預測，下表7為應用該模型對東海大橋各構件進行壽命預測的結果。表7 東海大橋壽命估算結果構件名稱環境分區混凝土保護層厚度（mm）Cl-擴散系數Da（E-12m2/s）壽命預測結果（年）樁潮差區753.092（未計鋼護筒壽命32年）承臺浪濺區902.5或3.0129或107墩柱浪濺區702.0103墩柱大氣區502.0110墩柱內側按大氣區計算402.099箱梁大氣區401.5119從表中可以看出，東海大橋的耐久性設計可滿足設計壽命要求。6 結語根據工程調研和環境條件分析得出，影響東海大橋結構混凝土耐久性的首要因素是混
22、凝土的Cl-滲透速度。針對這一具體情況，并考慮當地的實際情況，如原材料的可及性、工藝設備的可行性等，以及經濟上的合理性，東海大橋工程采取以高性能混凝土技術為核心的綜合耐久性策略和方案以及滿足現階段工程實際情況和技術水平的施工措施和質量保證措施，確保了高性能混凝土的質量符合耐久性設計的要求。參考文獻：1 趙筠.在海洋與化冰鹽環境中混凝土構筑物的鋼筋防銹技術對策J.橋梁建設,2001.2 徐強.高性能海工混凝土在上海深水港工程中的應用技術研究R.上海市建筑科學研究院,2012.3 皇甫熹等.高性能海工混凝土在東海大橋工程中的應用J.世界橋梁,2004.4 楊志方.東海大橋防腐蝕需求與現狀J.腐蝕與防護,2004.5 高雷,姜雪峰.提高東海大橋混凝土結構耐久性的措施J.中國海灣建設,2007.6 高宗余.海灣大橋混凝土結構耐久性設計關鍵技術D.華中科技大學,2006.
全部分類
標準檢索
招標公告
免費下載資料庫
10000份+資源包
千萬vip文檔暢享下載
下載文檔文件編輯即用
網站精選百萬好案
百萬工程地產工作者都在用
微信掃一掃登錄
