1、洋山深水港东海大桥结构耐久性分析陈小健（江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江 212003）摘 要：本文以洋山深水港东海大桥为例，从海洋环境对东海大桥混凝土侵蚀的机理出发，对其进行结构耐久性分析。详细介绍了大桥结构的耐久性设计、检测与维护以及使用寿命的预测。本工程采用高性能混凝土作为提高其耐久性的主要技术措施，并取得了良好的效果，为今后我国跨海大桥的耐久性设计提供了参考和借鉴依据。关键词：东海大桥；高性能混凝土；耐久性设计；检测与维护；使用寿命预测Analysis on Structural Durability of Donghai Bridge of Yangshan Deep-wat2、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, analy3、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, th4、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 述上海东海大桥工程是上海国际航运中心的集装箱深水枢纽港的三大重要配套工程之一，为洋山深水港区集装箱陆路集疏运和供水、供电、通讯等需求提供服务，是我国第一座长距离跨海大桥。大桥起始于5、上海南汇区芦潮港，北与沪芦高速公路相连，南跨杭州湾北部海域，直达浙江嵊泗县小洋山岛，全长32.5公里。按双向六车道高速公路的标准设计，桥宽31.5米，设计车速80公里/小时。大桥主体结构为混凝土结构，全桥混凝土用量约100万立方，设计使用寿命100年，于2005年5月建成通车。2 东海大桥面临的耐久性问题图1 东海大桥东海大桥地处北亚热带南缘、东北季风盛行区，受季风影响冬冷夏热，四季分明，降水充沛，气候变化复杂，多年平均气温为15.8，海区全年盐度一般在10.00%32.00%之间变化，属强混合型海区，海洋环境特征明显。在海洋环境下混凝土结构的腐蚀荷载主要由气候和环境介质侵蚀引起。主要表现形式6、有钢筋锈蚀、冻融循环、盐类侵蚀、溶蚀、碱集料反应和冲击磨损等。东海大桥位于典型的亚热带地区，严重的冻融破坏和浮冰的冲击磨损可不予考虑。镁盐、硫酸盐等盐类侵蚀和碱骨料反应破坏则可以通过控制混凝土组分来避免。这样钢筋锈蚀破坏就成为最主要的腐蚀荷载。混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发：一是海水中Cl-侵蚀，二是大气中的CO2使混凝土中性化。国内外大量工程调查和科学研究结果表明，海洋环境下导致混凝土结构中钢筋锈蚀破坏的主要因素是Cl-进入混凝土中，并在钢筋表面集聚，促使钢筋产生电化学腐蚀。在东海大桥周边沿海码头调查中亦证实1，海洋环境中混凝土的碳化速度远远低于Cl-渗透速度，中等质量的混凝土自然碳化速度7、平均为3mm/10年。因此，影响东海大桥结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土中的Cl-渗透速度。3 东海大桥结构的耐久性设计3.1 构件暴露部位的划分根据我国交通部海港工程混凝土结构防腐技术规范（JTJ275-2000）有关条文规定，海水环境结构部位划分为大气区、浪溅区、水位变动区及水下区。根据国内外海工混凝土的实践经验，混凝土结构中钢筋腐蚀最严重的是浪溅区，其它依次是水位变动区、大气区、水下区。长期处于水下的混凝土结构由于缺乏供氧条件，钢筋腐蚀极为缓慢。因此，在东海大桥设计时应根据各构件所处的环境条件，有针对性地采取不同的防腐蚀要求和措施。3.2 大桥结构构件的耐久性设计大桥主结构（混凝土钻孔8、桩、承台、墩柱和箱梁等），根据所处的环境，取不同的保护层厚度，采用高性能混凝土为基本措施；对于混凝土保护层相对较小且位于浪溅或潮差区等部位，采用混凝土外保护涂层等附加措施。结合结构设计对构件混凝土的强度等级要求，并考虑施工工艺和环境条件，对各部位混凝土采取的具体耐久性方案如表1。图2 构件暴露部位划分图表1 东海大桥海上段混凝土结构耐久性方案结构部位海洋环境分类保护层厚度/mm混凝土强度等级混凝土品种辅助措施钻孔灌注桩水下区、桩头水位变动区70C30大掺量掺合料混凝土上部为不拆除的钢套管承台水位变动区、浪溅区90C40高性能混凝土水位变动区、浪溅区部位涂防腐蚀涂层墩柱水位变动区、浪溅区70C49、0高性能混凝土水位变动区、浪溅区部位涂防腐蚀涂层箱梁大气区40C50高性能混凝土桥面板大气区40C60高性能混凝土塔柱下部为水位变动区、浪溅区、上部为大气区70C50高性能混凝土水位变动区、浪溅区部位涂防腐蚀涂层3.3 相应的施工工艺为确保结构耐久性设计的实现，具有优良可靠的施工程序和工艺是必须的。东海大桥的混凝土工程在施工中依据浇筑部位的特点制定了合理的工序，采用了不少先进的技术和工艺，其中具有代表性的是：1、钻孔灌注桩混凝土工程（1）浇筑采用两艘120型拌和船拌机拌制自密实混凝土，拌和时间不少于130s。而后由拌和船上的布料杆直接输送至孔上的导管中。输送水平距离和垂直距离约38米，浇注时长10、610小时。（2）养护因钻孔灌注桩外围为钢护筒，厚度16mm，故不采取养护措施。2、超长超大混凝土箱梁混凝土工程（1）浇筑海上现浇箱梁混凝土浇筑由一艘拌和船拌制砼，拌和时间不少于130s，首先由拌和船布料杆将砼输送至箱梁顶面，再由1台输送泵将砼输送至指定地点(垂直距离2030米，水平距离10160米)，采用插入式振捣器捣实，薄层(每层厚度小于30cm)连续浇注，浇注时长58小时。陆上预制箱梁混凝土浇筑由不少于6台搅拌运输车代替搅拌船，其它与海上浇筑类似。（2）养护西引桥采用木模，具有较好的保温效果，浇注完成后覆盖一层塑料布进行保湿养生，待砼终凝后，撤去塑料布，覆盖两层湿土工布，专人定期洒水养生11、，模板拆除后，在其表面喷养护剂。并在箱梁埋设传感器监测温度，控制内外温差小于15度。东引桥采用钢模，在其外喷聚胺脂保温材料进行保温，东引桥由工期较紧，采用蒸汽养生，采用4t蒸汽锅炉，设一根133mm总管达到施工处，设三根75mm分管，箱内一根，间隔50cm设一3mm喷汽孔，箱顶二根，间隔1米设一根长15米的4分管，该管间隔50cm设一3mm喷汽孔。控制升温速度每小时不大于10度，降温每小时不大于3度，静养610小时，蒸养6272小时，降温1215小时，强度达到后继续养生不少于15天。3、墩柱及超高桥塔混凝土工程（1）混凝土浇筑采用两台强制式搅拌机(90型、60型拌和机)拌制混凝土，每小时理论生12、产砼方量100方。拌和时间不少于130s。采用砼输送车输送，达到平台后采用一台60型输送泵输入墩身顶面，设串筒下料，自由高度小于2米，薄层连续浇注，插入式振捣器捣实。浇注时间38小时。（2）混凝土养护在模板外喷聚胺脂保温材料保温，浇注完成后在砼表面覆盖湿麻袋与土工布，专人养护，定期用淡水喷洒，埋设温度传感器监测温度，降温达到规定要求后拆除模板，模板拆除后立即喷养护剂，养护喷完后围挂二层土工布外包一层塑料布，进行保温保湿，养护期不少于15天。4、承台及大体积主桥承台混凝土工程（1）混凝土浇筑引桥采用两台强制式搅拌机(90型、60型拌和机)拌制混凝土，每小时理论生产砼方量100方。主桥除采用上述搅13、拌机外，另用砼拌和船辅助生产，拌和时间不少于130s。采用砼输送车输送，达到平台后采用两台60型输送泵输入承台中，薄层(每层厚度不超过30cm)连续浇注，插入式振捣器捣实。引桥浇注时间610小时，主桥浇注时间1224小时。（2）混凝土养护承台浇注收浆完成后，在砼的表面覆盖若干层麻袋及土工布保温保湿，在承台外侧喷聚胺脂保温材料进行保温。在砼内部设冷却水管降温，中间埋温度传感器，采用电脑监测温度，控制内外温差小于25度，砼表面覆盖麻袋与土工布，再盖一层塑料布与三色布保温保湿，表面保持12cm的水，防止承台失水，冬季施工时合理安排工期，在0度与入模温度低于5度时停止施工，选择在气温较高的天气时施工，14、保温保湿措施同上。养生水采用淡水，养护期不少于15天。4 大桥结构耐久性检测与维护东海大桥在线评估采用层次分析法,将全桥划分成不同的评估层次，逐级评估汇总。层次分析法(AHP法)将影响桥梁工作状态的各种因素调理化、层次化，把对某个状态影响程度相近或比较紧密的因素放在一起，形成一个层，建立多层的层次关系综合评估体系。通过对评价指标的无量纲化处理，将实时监测、定期监测及人工检查等不同类型的数据进行综合，实现对东海大桥健康状态的综合评估。通过变权方式，实现根据各指标的退化情况调整指标权重，达到客观评估结构状态的目的，通过加权综合的方法由底层指标得到上层指标的状态，逐层综合，得到整个桥梁的状态。表2列15、出了大桥耐久性评估的部分内容，更多内容参考文献6。表2 大桥耐久性评估内容序号项目内容数据采集方式频率监测仪器设备或手段1混凝土结构应变实时监测1Hz应变计2混凝土裂缝人工检查1次/年肉眼及测量工具3混凝土强度定期监测1次/年回弹法4碳化深度定期监测1次/年人工测试5氯离子侵蚀定期监测1次/年测定电阻率6混凝土表观状况人工检查1次/年肉眼观测7结构温度实时监测1Hz温度仪8水文、波浪定期监测1次/年水压力计、波浪仪综上可见，东海大桥的耐久性防护体系充分体现了结构耐久性设计的方法，对大桥的耐久性防护贯穿于设计、施工、监测和维护的整个动态过程中。具有较强的可靠性。5 东海大桥使用寿命的预测5.1 16、寿命预测模型利用氯离子侵蚀影响因素的分布特征，可以计算混凝土结构在不同时间点上的耐久可靠性指标，从而得到氯离子侵蚀耐久可靠性随时间变化的曲线。当某一时间点上耐久可靠性低于规定的指标时，结构的耐久寿命终结，将这个时间点作为氯离子侵蚀的耐久寿命。利用随机可靠度分析方法，正常使用极限状态方程为：（1）对于氯离子侵蚀，定义R = x（保护层厚度），氯离子传输达钢筋表面的距离可表述为：，其中D为氯离子的扩散系数，t为扩散时间，erf为误差函数，Cs为混凝土表面氯离子浓度，Ccr为钢筋锈蚀临界氯离子浓度。继而，氯离子侵蚀环境正常使用耐久极限状态方程为：（2）则失效概率为： （3）将（2）、（3）代入（1）17、式，参考MCSLPS模型，考虑各种影响因素后引入修正系数K，可以建立沿海区域混凝土寿命预测模型：（4）式中：K=K1K2K3K4，Da为氯离子表观扩散系数，Cs为混凝土表面氯离子浓度，Ccr为钢筋锈蚀临界氯离子浓度，C0为混凝土初始氯离子浓度。5.2 修正系数取值1、暴露时间影响系数K1K1为暴露时间对表观扩散系数Da的影响系数，参考Maage模型确定。K1=(te1-te2)a，其中a为LgDa和Lgt的关系曲线的斜率，与混凝土的胶凝材料组成有关，按下表3选用；te1，te2分别为暴露时间。表3 衰减指数a的取值范围OPCPSLPFAPSFOPC+OPC+0.220.270.600.620.18、650.700.500.540.650.700.620.66注：OPC：水泥；PSL：水泥+矿渣；PFA：水泥+粉煤灰；PSF：水泥+硅粉；OPC+：水泥+矿渣+粉煤灰；OPC+：水泥+矿渣+粉煤灰+硅粉。2、环境温度影响系数K2关于环境温度对于腐蚀速率的影响，国内外都已有共识，即一般来说腐蚀速率随环境温度的增加而上升。根据工程调查，一般在535范围内的温度修正系数可按表4用插值法求得，当温度小于5时可按5计，当温度大于35时以35计。表4 温度修正系数K2的取值范围温度5101520253035K20.50.60.81.01.21.62.03、胶凝材料对氯离子的吸附作影响系数K3混凝土中的氯19、离子至少包括两部分，即溶解于孔隙水中的自由氯离子和物理或化学吸附于胶凝材料水化物中及其表面的结合氯离子。但是只有自由氯离子才会渗透过混凝土保护层并参与钢筋的腐蚀过程。因此胶凝材料对氯离子的吸附主要在两个方面影响钢筋的锈蚀时间：（1）由于吸附作用，参与渗透的自由氯离子数量减少，氯离子在混凝土中的传输速度减慢；（2）降低钢筋表面氯离子浓度。Nilsson等发现混凝土中总氯离子浓度、结合氯离子浓度、自由氯离子浓度之间的关系满足下式：（5）因此，吸附作用影响系数K3可由式（6）确定，其取值范围如表5。（6）表5 K3的取值范围OPCPSLPFAPSFOPC+OPC+0.700.900.600.700.20、600.700.700.800.600.700.600.70注：OPC：水泥；PSL：水泥+矿渣；PFA：水泥+粉煤灰；PSF：水泥+硅粉；OPC+：水泥+矿渣+粉煤灰；OPC+：水泥+矿渣+粉煤灰+硅粉。4、混凝土内应力和裂缝修正系数K4混凝土开裂也会影响到氯离子扩散进入混凝土中的速率，进而影响其使用寿命。根据工程调查和试验研究提出用应力和裂缝修正系数K4来反应这种影响，并建议K4可按下表6取值。表6 应力与裂缝修正系数K4的取值范围开裂情况拉应力压应力有裂缝1.21.31.01.1无裂缝1.01.10.80.9注：这里所指的裂缝主要指裂缝宽度在0.2mm以下且裂缝没有抵达钢筋的状态。5.321、 东海大桥使用寿命的估算应用上述寿命估算模型，并提供相关的参数，即可进行结构寿命预测，下表7为应用该模型对东海大桥各构件进行寿命预测的结果。表7 东海大桥寿命估算结果构件名称环境分区混凝土保护层厚度（mm）Cl-扩散系数Da（E-12m2/s）寿命预测结果（年）桩潮差区753.092（未计钢护筒寿命32年）承台浪溅区902.5或3.0129或107墩柱浪溅区702.0103墩柱大气区502.0110墩柱内侧按大气区计算402.099箱梁大气区401.5119从表中可以看出，东海大桥的耐久性设计可满足设计寿命要求。6 结语根据工程调研和环境条件分析得出，影响东海大桥结构混凝土耐久性的首要因素是混22、凝土的Cl-渗透速度。针对这一具体情况，并考虑当地的实际情况，如原材料的可及性、工艺设备的可行性等，以及经济上的合理性，东海大桥工程采取以高性能混凝土技术为核心的综合耐久性策略和方案以及满足现阶段工程实际情况和技术水平的施工措施和质量保证措施，确保了高性能混凝土的质量符合耐久性设计的要求。参考文献：1 赵筠.在海洋与化冰盐环境中混凝土构筑物的钢筋防锈技术对策J.桥梁建设,2001.2 徐强.高性能海工混凝土在上海深水港工程中的应用技术研究R.上海市建筑科学研究院,2012.3 皇甫熹等.高性能海工混凝土在东海大桥工程中的应用J.世界桥梁,2004.4 杨志方.东海大桥防腐蚀需求与现状J.腐蚀与防护,2004.5 高雷,姜雪峰.提高东海大桥混凝土结构耐久性的措施J.中国海湾建设,2007.6 高宗余.海湾大桥混凝土结构耐久性设计关键技术D.华中科技大学,2006.