跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計措施分析

闕磊，李健（蘇交科集團股份有限公司 江蘇 南京 210019）

0 引言

隨著經(jīng)濟不斷的發(fā)展，東部沿海地區(qū)高速路網(wǎng)建設已趨于完善，為了進一步推進經(jīng)濟的高速增長，降低物流行業(yè)的費用及時間成本，更好的服務于社會，滿足人們?nèi)罕姷母哔|(zhì)量出行的需求。沿海地區(qū)的跨海大橋、濱海環(huán)境的重要基礎工程都迅速涌現(xiàn)。跨海大橋作為重要工程項目的控制性工程，要求無修補安全使用期可達100 年的全壽命周期要求，但在海洋環(huán)境下混凝土因各種原因容易產(chǎn)生過早損壞，導致混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命遠低于設計，有必要加強跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究和設計，盡可能延長跨海大橋的使用壽命。

1 跨海大橋海洋環(huán)境耐久性的要求

跨海大橋作為公路工程建設的關鍵節(jié)點，不僅要對橋梁結(jié)構(gòu)荷載進行詳細的設計分析，還應考慮復雜環(huán)境作用下的橋梁耐久性設計，重點是海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計[1]。由于跨海大橋所處的環(huán)境較為復雜，甚至部分環(huán)境因素甚至可以造成混凝土結(jié)構(gòu)致命性的破壞。在進行跨海大橋耐久性設計時，應明確橋梁結(jié)構(gòu)的設計年限、構(gòu)造物設計要求、材料要求和其它保護性的耐久性設計措施等。在具體設計過程中，有必要對影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的不同構(gòu)件或同一構(gòu)件中的不同部位開展有針對性的設計，提出各部位混凝土結(jié)構(gòu)基于不同耐久性要求的材料技術指標及外摻劑使用要求。

對于橋梁結(jié)構(gòu)一般有混凝土保護層要求、預應力結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設計標準要求、裂縫寬度限值及其他構(gòu)造措施，宜對連接縫部位的混凝土采取附加防腐措施，橋面鋪裝層與橋面結(jié)構(gòu)之間，應設置可靠的防水層，同時增加薄壁混凝土構(gòu)件的厚度和保護層厚度[2]。一般對于處于D 級及以上環(huán)境作用等級下的構(gòu)件，在改善混凝土自身的耐久性能，采用有效的結(jié)構(gòu)耐久性措施控制裂縫外，還應采用表面涂層、鋼筋阻銹劑、混凝土表面處理、透水模板布、電化學保護等防腐附加措施進一步提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

2 跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性措施實例分析

港珠澳大橋建筑規(guī)模大、施工難度高，而且橋梁結(jié)構(gòu)所處環(huán)境惡劣，要求工程設計壽命為120 年，對橋梁工程設計，特別是耐久性設計提出很高的要求。在港珠澳大橋耐久性設計中，首要考慮因素是海水環(huán)境氯離子腐蝕問題，在通過對附近實體工程耐久性調(diào)查得到的大量數(shù)據(jù)建立基于可靠度理論的分析模型指導工程設計，并綜合分析多種外加防腐措施的技術、經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)風險等情況，最終確定主體混凝土結(jié)構(gòu)附加防腐蝕措施[3]。此外，重點對混凝土結(jié)構(gòu)受力、材料提出了嚴格要求，在室內(nèi)開展大量的試驗從耐久性、抗裂性、施工性等方面確定混凝土的配合比，確?；炷敛牧蠞M足海洋環(huán)境的使用要求。港珠澳大橋承臺和橋墩混凝土配合比見表1。

杭州灣跨海大橋的設計使用年限為100 年，工程所處區(qū)域的海洋環(huán)境也極為惡劣，氯離子含量較高。杭州灣跨海大橋耐久性設計除了采用海工耐久性混凝土外，同時增加了混凝土保護層厚度，還采用表面涂裝、預應力筋保護、環(huán)氧鋼筋、阻銹劑、外加電流陰極保護等附加措施[4]。根據(jù)相關規(guī)范配置海工耐久性混凝土，針對不同部位、不同設計要求、不同防腐蝕環(huán)境，制定了不同配合比，杭州灣跨海大橋各工程部位在不同腐蝕環(huán)境的保護層厚度見表2。

表1 港珠澳大橋承臺和橋墩混凝土配合比

表2 杭州灣跨海大橋各工程部位在不同腐蝕環(huán)境的保護層厚度

陳家貢大橋耐久性設計結(jié)合工程環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)采用不同的設計指標，同時還采取了保留施工鋼護筒、涂層防腐、阻銹劑、采用滲透性模板布、部分位置采用環(huán)氧涂層鋼筋等附加措施作為防護手段。普灣大橋防腐蝕的設計思路總體是采用海工耐久性混凝土為主要基本措施，同時采用表面涂裝、硅烷浸漬等附加措施。舊鎮(zhèn)大橋位是漳州沿海大通道的重點控制性工程，采用耐久性混凝土，并控制普通鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度在浪濺區(qū)和水位變動區(qū)不大于0.1mm，水下區(qū)不大于0.2mm，其余區(qū)段不大于0.15mm；各部位普通鋼筋凈保護層厚度取值均按相關規(guī)范執(zhí)行。對混凝土結(jié)構(gòu)采用耐久性混凝土，同時要求橋墩墩身采用混凝土表面涂裝、摻加阻銹劑等附加措施。

3 混凝土構(gòu)件耐久性設計對策

3.1 環(huán)境條件類別及作用等級

對于跨海大橋的設計要求應該是不少于100年的設計使用年限，特別重要的重點工程可適當提高其設計使用年限的相關要求，對于近海及海洋環(huán)境下的劣化機理基本統(tǒng)一認為海水氯化物引起鋼筋銹蝕破壞[5]。

通過對比土木工程行業(yè)涉及混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計的多個規(guī)范相關規(guī)定可知，對于環(huán)境作用級別各個規(guī)范中對于土中區(qū)的作用等級標準有些許差異，在《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范》（JTG/T3310—2019）中提出鹽霧影響區(qū)的設計要求，充分考慮空氣中所含氯化物的擴散對混凝土結(jié)構(gòu)的影響，同時通過增加離漲潮線的距離劃分重度和輕度鹽霧區(qū)。此外，溫度的變化對混凝土耐久性設計也有較大影響，應結(jié)合全國氣溫分區(qū)圖明確各地區(qū)根據(jù)溫度劃分的標準，便于工程設計時準確確定潮汐區(qū)及浪濺區(qū)的作用等級。

3.2 材料耐久性措施

對于跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性措施中作為基材的混凝土質(zhì)量和相關要求是至關重要的?？绾４髽蚧炷猎O計包括水泥的選擇、細集料級配的確定、粗集料的粒徑和級配、骨料的抗壓強度、拌合水的要求，還有對各個不同部位的混凝土強度、水膠比、最大最小膠凝材料摻入量以及其他摻入材料的相關要求，這些因素都會對整個混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生影響。對比各個規(guī)范，考慮各規(guī)范編寫的時間和針對的方向各有側(cè)重，各有不同。因此，在要求上也略有差異。對比參照以上規(guī)范的相關內(nèi)容，對混凝土材料的要求進行歸納。

首先是明確橋涵結(jié)構(gòu)各個結(jié)構(gòu)部位的最低強度等級。對應不同環(huán)境作用等級和不同結(jié)構(gòu)形式以及不同部位，給出最低混凝土強度等級。在給出最低強度等級后，對應強度等級的混凝土結(jié)構(gòu)的最大水膠比、最大最小膠凝材料用量對混凝土質(zhì)量起到至關重要的作用。有些規(guī)范只對最小膠凝材料用量做出了規(guī)定。但是考慮到混凝土強度的要求，因此應該對最大用量給出限值。

跨海大橋混凝土破壞的機理是氯離子侵蝕劣化造成，因此，對混凝土結(jié)構(gòu)必須按環(huán)境作用等級對氯離子的滲透性能做出限值規(guī)定。跨海大橋的設計使用年限至少是100 年，因此在給出該項限值時，對應的混凝土齡期應該有一定要求，參考相關規(guī)范后取28d 齡期。

目前，跨海大橋混凝土設計中水泥材料、礦物摻合料、集料和拌和水的各項指標要求已經(jīng)較為明確，但由于化學外加劑種類繁多，在工程設計中應對外加劑的性能指標要求作出詳細要求，并要求施工單位在工程施工前開展材料的配伍性試驗，確保外加劑與混凝土材料的相容性符合要求。

3.3 結(jié)構(gòu)耐久性措施

對于混凝結(jié)構(gòu)本身的耐久性措施，主要是構(gòu)件本身的裂縫的控制，主要體現(xiàn)在混凝乳保護層最小厚度以及裂縫允許值兩個方面[6]。保護層厚度是控制裂縫的最有效的措施。各個規(guī)范在保護層后度上規(guī)定基本接近。對于裂縫允許值的控制卻有所不同，有的規(guī)范考慮了有粘結(jié)的預應力混凝土構(gòu)件，有的則沒有考慮。對于考慮的跨海大橋這類橋梁，很多主梁都采用了預應力結(jié)構(gòu)，有的部分蓋梁也是預應力結(jié)構(gòu)。因此必須要考慮有粘結(jié)的預應力混凝土構(gòu)件。對于南方蒸發(fā)量較大的區(qū)域，在各個環(huán)境作用等級的保護層要求可按需要增大5mm，特別是D 級以上的環(huán)境作用等級應考慮增大保護層厚度，橋涵結(jié)構(gòu)混凝土最小混凝土厚度見表3。

表3 橋涵結(jié)構(gòu)混凝土最小混凝土厚度

當構(gòu)件有防水要求需要時，應嚴格控制裂縫寬度，鋼筋配筋在混凝土構(gòu)件每側(cè)暴露面上的布設不宜低于0.6%（HPB300 級）或0.4%（HRB400 級）的配筋率，分布鋼筋間距不宜大于150mm。對于跨海大橋而言，普通鋼筋應優(yōu)先選用HRB400 級鋼筋，受力鋼筋最小直徑應不小于12mm，若所處工作環(huán)境較為惡劣時，應增大鋼筋直徑，要求不小于16mm。同時對于預應力鋼束、鋼絲及錨具也必須滿足相應規(guī)范的構(gòu)造防護措施的要求。以保證預應力結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性。

4 結(jié)語

跨海大橋的耐久性設計應結(jié)合所處環(huán)境采用有針對性的耐久性設計措施，達到性能和造價的平衡；跨海大橋耐久性應從橋梁結(jié)構(gòu)的設計年限、構(gòu)造物設計要求、材料要求和其它保護性的耐久性設計措施等角度開展設計；氯離子滲透是影響混凝土耐久性的關鍵因素，應從混凝土原材料質(zhì)量、配合比設計、鋼筋保護層厚度、保護性涂層等多方面綜合控制，減少氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的影響。