杭州灣跨海大橋暴露試驗(yàn)站建設(shè)、維護(hù)與利用

王金權(quán)，肖龍，毛江鴻，金偉良，3，高謙，徐方圓

（1.寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司，浙江 寧波 315317；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；3.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058）

杭州灣跨海大橋暴露試驗(yàn)站建設(shè)、維護(hù)與利用

王金權(quán)1，肖龍1，毛江鴻2，金偉良2，3，高謙2，徐方圓2

（1.寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司，浙江 寧波 315317；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；3.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058）

杭州灣跨海大橋處于典型的海洋腐蝕環(huán)境，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性跟蹤檢測(cè)對(duì)評(píng)估大橋耐久性具有重要作用。為評(píng)估杭州灣跨海大橋的混凝土耐久性，在杭州灣跨海大橋建造時(shí)同步建設(shè)了杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性暴露試驗(yàn)站，迄今暴露試驗(yàn)站已采集了大量數(shù)據(jù)用于評(píng)估杭州灣跨海大橋混凝土耐久性。文章綜述了該暴露試驗(yàn)站的建設(shè)和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，并介紹了暴露試驗(yàn)站的信息化建設(shè)與管理對(duì)評(píng)估大橋耐久性的作用。

混凝土結(jié)構(gòu)；耐久性；暴露試驗(yàn)站；杭州灣大橋

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋼筋混凝土的耐久性試驗(yàn)方法可分為真實(shí)試驗(yàn)法、模擬試驗(yàn)法等[1-2]。其中，真實(shí)試驗(yàn)法中的現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)是將混凝土試件放入真實(shí)環(huán)境中劣化，該方式具有無(wú)損檢測(cè)、工作面好、操作便利等優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠。國(guó)內(nèi)外已建設(shè)有一定數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)站，我國(guó)在華南、華東、華北、東北等典型海域的海港工程中均建設(shè)有暴露試驗(yàn)站[3-6]，有的已經(jīng)積累了30余a研究數(shù)據(jù)，不少成果被規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)所采納[7]。

杭州灣大橋是我國(guó)首次提出使用設(shè)計(jì)年限百年要求的重大基礎(chǔ)設(shè)施工程，杭州灣海域風(fēng)浪大、潮差高、海流急、氯離子含量高，鑒于此，在杭州灣大橋建造期便在海中平臺(tái)建設(shè)了混凝土暴露試驗(yàn)站[5]，用以評(píng)估杭州灣大橋的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。本文介紹了杭州灣大橋暴露試驗(yàn)站近10余a開(kāi)展的研究工作，包括耐久性評(píng)估、新技術(shù)測(cè)試平臺(tái)等；并針對(duì)暴露試驗(yàn)站運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的難題，開(kāi)展了信息化建設(shè)，以便高效獲取、存儲(chǔ)及處理數(shù)據(jù)。

1 暴露試驗(yàn)站建設(shè)與維護(hù)

1.1 建設(shè)依據(jù)

人工氣候模擬試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)已成熟應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究，但是人工氣候模擬試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果的關(guān)聯(lián)性是將人工氣候模擬試驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際并進(jìn)行耐久性評(píng)估的關(guān)鍵。針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所提出多重環(huán)境時(shí)間相似理論（Multi-Environmental Time Similarity，METS）[8-9]進(jìn)行杭州灣大橋的耐久性評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)。

該方法通過(guò)引入與杭州灣大橋有相似環(huán)境條件且具有服役一定年限的乍浦港作為參照物（環(huán)境相似），通過(guò)對(duì)第三方參照物的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果與相應(yīng)混凝土試件的室內(nèi)加速試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，建立兩種環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性參數(shù)隨時(shí)間變化的相似關(guān)系（時(shí)間相似），利用上述相似關(guān)系以及杭州灣大橋相同配合比混凝土試件的室內(nèi)加速試驗(yàn)結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)杭州灣大橋的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估[10]。在上述評(píng)估系統(tǒng)中，暴露試驗(yàn)站中設(shè)置的混凝土試件可在無(wú)損實(shí)體橋梁的基礎(chǔ)上提供大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)杭州灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的跟蹤檢測(cè)與評(píng)估。

1.2 建造與維護(hù)

杭州灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性暴露試驗(yàn)站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如文獻(xiàn)[5]所述，該試驗(yàn)站建設(shè)在大橋的海中平臺(tái)下方，具備環(huán)境代表性好、交通便利、易于管理等優(yōu)點(diǎn)，共設(shè)置了大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)（2層）和水下區(qū)共4個(gè)分區(qū)，5層試驗(yàn)平臺(tái)，各平臺(tái)中試件分別代表實(shí)橋不同高程部位的混凝土，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 杭州灣大橋暴露試驗(yàn)站Fig.1 Field exposure station of Hangzhou Bay Bridge

海洋環(huán)境中暴露試驗(yàn)站主要存在結(jié)構(gòu)自身防腐以及混凝土試件保護(hù)等難題，對(duì)暴露試驗(yàn)站和試件進(jìn)行維護(hù)是提高數(shù)據(jù)利用效率、保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的必要條件，因此采用如下措施進(jìn)行維護(hù)：

1）結(jié)構(gòu)防腐：暴露試驗(yàn)站為鋼結(jié)構(gòu)，試件搬運(yùn)過(guò)程、海中漂浮物等均有可能撞擊和破壞防腐涂料，需定期對(duì)結(jié)構(gòu)主體、鋼格柵及結(jié)構(gòu)連接件等進(jìn)行防腐涂裝。

2）試塊分類(lèi)：為更好的保護(hù)試件并方便進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取粉，可依據(jù)試塊尺寸及保護(hù)層厚度，遵循方便取粉檢測(cè)的原則，將試驗(yàn)站內(nèi)試件進(jìn)行分類(lèi)并存放于不同柵格內(nèi)。

3）試塊固定：結(jié)合暴露試驗(yàn)站的結(jié)構(gòu)特征，采用不銹鋼條的形式，通過(guò)底部柵格的橫條，將試件緊密的固定在柵格內(nèi)部，防止試件的來(lái)回撞擊，保證試件完好以及柵格的完整，如圖2所示。

圖2 暴露試驗(yàn)站內(nèi)試塊固定Fig.2 Fasten of specimens in field exposure station

4）數(shù)據(jù)檢測(cè)：采用4次/a的頻率對(duì)暴露試驗(yàn)站試件進(jìn)行氯離子濃度檢測(cè)，動(dòng)態(tài)更新耐久性數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。

2 暴露試驗(yàn)站的信息化建設(shè)

2.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)管理的信息化

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測(cè)與評(píng)估長(zhǎng)期過(guò)程，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效保存與利用，基于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)編制了杭州灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性暴露試驗(yàn)站試塊管理系統(tǒng)。管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成包括：結(jié)構(gòu)層、柵格層以及試塊層，如圖3所示。

1） 結(jié)構(gòu)層：將暴露試驗(yàn)站分為大氣區(qū)（D）、浪濺區(qū)（L）、潮差 1區(qū)（C1）、潮差 2區(qū)（C2）和水下區(qū)（S）。

2） 柵格層：每個(gè)結(jié)構(gòu)層設(shè)置16個(gè)柵格，以浪濺區(qū)為例，設(shè)置了“L-A1”、“L-A2”至“L-A16”。

圖3 暴露試驗(yàn)站管理系統(tǒng)的信息查詢(xún)功能Fig.3 Information search function of field exposure station management system

3） 試塊層：試塊信息中包括了試塊的配合比、尺寸、暴露時(shí)間、各檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)的氯離子分布圖等信息。

2.2 耐久性評(píng)估的信息化

通過(guò)對(duì)室內(nèi)加速試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果得出了杭州灣大橋不同結(jié)構(gòu)部位的耐久性主要參數(shù)的先驗(yàn)信息，結(jié)合貝葉斯更新方法，利用暴露試驗(yàn)站上取粉得到的參數(shù)信息，對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行信息的更新，再結(jié)合METS理論進(jìn)行大橋不同結(jié)構(gòu)部位的耐久性評(píng)估和預(yù)測(cè)。編制了杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性預(yù)警系統(tǒng)（軟著登字第0492237號(hào)），如圖4所示。

圖4 杭州灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性預(yù)警系統(tǒng)Fig.4 Concrete durability warning system for Hangzhou Bay Bridge

該預(yù)警系統(tǒng)包含三個(gè)模塊：

1）數(shù)據(jù)庫(kù)模塊：利用大橋耐久性數(shù)據(jù)庫(kù)中的氯離子濃度數(shù)據(jù)，通過(guò)Fick第二定律對(duì)表面氯離子濃度Cs和擴(kuò)散系數(shù)D進(jìn)行參數(shù)擬合。

2）參數(shù)更新模塊：將大橋各部位每年檢測(cè)并擬合得到的表面氯離子濃度Cs和擴(kuò)散系數(shù)D的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，即“更新信息”，通過(guò)貝葉斯更新方法將此“更新信息”與往年的“先驗(yàn)信息”結(jié)合起來(lái)，可獲得表面氯離子濃度Cs和擴(kuò)散系數(shù)D的“后驗(yàn)信息”。

3） 壽命預(yù)測(cè)模塊：將表面氯離子濃度Cs和擴(kuò)散系數(shù)D的后驗(yàn)信息、保護(hù)層厚度c、臨界氯離子濃度Ccr等各隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)輸入界面中，通過(guò)Monte-Carlo數(shù)值模擬方法得到大橋耐久性使用壽命。

3 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了杭州灣大橋暴露試驗(yàn)站的建設(shè)和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，并介紹了暴露試驗(yàn)站的信息化建設(shè)與管理，相關(guān)成果可為國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程提供參考，主要結(jié)論如下：

1）設(shè)計(jì)了覆蓋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)和水下區(qū)的暴露試驗(yàn)站，并提出了在后期管理中要關(guān)注結(jié)構(gòu)自身防腐以及混凝土試件保護(hù)等問(wèn)題，以保障數(shù)據(jù)的連續(xù)性、有效性和準(zhǔn)確性。

2）為了有效管理和維護(hù)暴露試驗(yàn)站，編制了杭州灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性暴露試驗(yàn)站試塊管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的科學(xué)保存與利用。

3） 基于METS理論和可靠度理論，使用MATLAB GUI開(kāi)發(fā)“跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性預(yù)警系統(tǒng)”，結(jié)合先驗(yàn)信息和檢測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)杭州灣大橋耐久性使用壽命。

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Construction，maintenance and utilization of field exposure station at Hangzhou Bay Bridge

WANG Jin-quan1,XIAO Long1,MAO Jiang-hong2,JIN Wei-liang2,3,GAO Qian2,XU Fang-yuan2
（1.Ningbo Hangzhou Bay Bridge Development Co.,Ltd.,Ningbo,Zhejiang 315317,China;2.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo,Zhejiang 315100,China;3.Institute of Structural Engineering,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310058,China）

The Hangzhou Bay Bridge located at the typical marine corrosion environment.Research on the durability of reinforced concrete acted as an important role to evaluate the durability of the bridge.To evaluate the durability of Hangzhou Bay Bridge,we built the concrete durability field exposure station of the bridge during the construction.We collected large amount of data for evaluating the durability of Hangzhou Bay Bridge.In this paper,we summarized the experience of construction and maintenance for the field exposure station,and introduced the application of information construction and management of the exposure test station to evaluate the durability of the bridge.

concrete structure;durability;field exposure station;Hangzhou Bay Bridge

U446.2

B

2095-7874（2017）10-0078-04

10.7640/zggwjs201710017

2017-02-21

2017-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51408544，51638013）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAL02B03）

王金權(quán)（1979— ），男，遼寧鐵嶺人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事橋梁的維護(hù)與管理工作。

E-mail：15557870206@zj165.com