跨海桥梁混凝土结构耐久性设计.pdf

7 2 桥梁结构 城市道桥 与防洪 2 0 1 2 年 l 2 月第 1 2 期 跨海桥 梁混凝土结构耐久性设计 谭 克俊 ( 大连市市政设计研究院有限责任公司， 辽宁大连 1 1 6 0 1 1 ) 摘 要： 近年来的桥梁设计十分重视提高结构物的耐久性并将其作为重要的设计原则， 统一考虑合理的结构布局和构造细节。 海南 清澜大桥是 较长 的跨海 桥梁 ， 该 桥梁结 构的耐久性设 计成为设计 中 的难 点和重点 。结 合工程 实践阐述结 构耐久 性设计 的具 体措 施和设计要 点。 关 键词 ： 跨海桥梁 ； 混凝土结构 ； 耐久性 ； 涂层 中圈分 类号 ： U 4 4 文献标 识 码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 9 - 7 7 1 6 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 0 7 2 0 3 1 概述 清澜大桥位于海南省文 昌市清澜镇 ，距离外 海约 4 k m， 跨越 内部海湾连接清澜镇和东郊镇 ， 是 航天发射中心配套项 目之一。 清澜大桥设计方案采 用主跨 3 0 0 m的双塔双索面结合梁斜拉桥 ，跨径 布置为 1 2 0 m+3 0 0 m+1 2 0 m， 引桥部分采用 4 0 m 跨简支变连续小箱梁形式。采用 1 0 0 a 设计基准 期 。为保证清澜大桥混凝土结构的耐久性 ， 工程采 取 了以高性能混凝土技术为核 心的综合耐久性技 术方案。结合清澜大桥工程 的具体需要 ， 研究跨海 大桥混凝土结构耐久性策略和高性能混凝土的应 用技术成为重要的课题。 2 清澜大桥环境作用分析 清澜大桥的不 同部分分别处于一般大气和土 壤环境 ， 海洋大气 、 海水和海洋地 质及滨海等环境 中，按耐久性设计要求对其环境分 区和环境作用 需要 分别进行研究 。经勘查 ， 场地地下水属松散岩 类孔隙潜水、 微承压水 ， 主要赋存于粉土质砂及粉 土质砾砂中， 含水层富水性 、 透水性较好。粉土质 砂与地表水水力联 系密切 ， 主要接受地表水补给 ， 水位 随海潮变化而变化 ， 年最大变化幅度约 2 m。 拟 建桥址 区地下水对混凝 土具结 晶类弱腐蚀性 和结 晶分解 复合类弱腐蚀性 ，场地土对混凝土无腐蚀 性 。桥址地处热带北缘沿海地带 ， 具有热带和亚热 带气候特点 ， 属热带季风岛屿型气候 。年平均气温 为 2 3 4 2 4 4 c C， 桥址区域常年平均湿度为 8 5 。 按 混凝土结构耐久性设计规范 ( G B 厂 r 5 0 4 7 6 2 0 0 8 ) 的基 本规定 ，按结构所处环境对钢筋和混凝土材 料的腐蚀机理可将结构所处环境分为 5类 ，即一 般环境 、 冻融环境 、 海洋氯化 物环境 、 除冰盐等其 他氯化 物环境 和化学腐蚀环境 。根据所处环境条 收稿 日期 ： 2 0 l 2 0 7 _ 0 5 作者简介： 谭克俊( 1 9 6 2 一 ) ， 男， 辽宁大连人， 教授级高级工程 师 ， 从事道桥设计与管理工作。 件 ， 清澜大桥 可能处 于一般环境 、 氯化物环境 和化 学腐蚀环境中。清澜大桥的主要腐蚀环境为近海 或海洋环境 。近海或海洋环境条件分为大气 区、 浪 溅区 、 潮汐 区、 水下区和土 中区 5个腐蚀 区带 。清 澜大桥环境作用分级见表 1 。 近年来 ， 随着跨海桥梁 的建设 ， 设计人员开始 重视海水 环境下桥梁耐久性 的设计 。影 响混凝 土 耐久性的主要原 因有混凝土质量问题 、 冻 融作 用 、 化学物质侵蚀、 集料的化学反应、 磨损及人为因素 等 。影响钢筋锈蚀的因素是多方 面的， 如周 围介质 的侵蚀 、 钢材 的材质差 、 混凝 土保 护层 的性 能影响 等。混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发， 一是海 水 中 C l 一 侵蚀 ，二是大 气 中的 c o 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 c l 一进入混凝土 中，并在钢筋表面集聚 ， 促 使钢筋产生电化学腐蚀 。 3 提高海工混凝土耐久性的技术措施 国内外相 关科研 成果 和长期工程实践调研显 示，当前较为成熟的提高海洋钢筋混凝土工程耐 久性的主要技术措施有 以下几个方面 ： ( 1 ) 高性能海工混凝 土 商 陛能混凝 土就是在混凝 土内掺加了粉煤灰 、 磨细矿渣、硅粉等复合矿物掺合料 以及与之相匹配 的高效减水剂，使混凝土具有高流态自密实性能且 通过降低用水量使硬化后的混凝土内部孔隙减少 ， 可 以增加混凝土的密实度以消除混凝土表面及内部 缺陷， 同时充分发挥不同掺合料的作用， 达到叠加效 应 ， 满足水化热低和抗氯离子渗透的要求 。 高性能海 工混凝土以较高的抗氯离子渗透性为特征，其优异 的耐久性和性能价格比已受到工程界的认同。 ( 2 ) 提高混凝土保护层厚度 这是提高海洋工程钢筋混凝土使用寿命的最 为直接、 简单而且经济有效的方法。氯离子侵入混 凝 土的方式主要有 ： 毛 细管作用 、 渗 透作用 、 扩散 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 l 2 月第 l 2 期 城 市道桥 与防 洪 桥梁结构 7 3 作用和电化学作用。通常 ， 氯离子的侵蚀是几种侵 入方式 的组合 ， 但是 ， 许 多情况 下 ， 认为扩 散是一 个最主要的侵入方式。氯离子在混凝土中的浓度 是随混凝 土的深度 ( 厚度 ) 的增加 而减小 ， 说 明增 加混凝土保护层厚度 ，对于减缓氯离子的渗透量 是很有效的。但是保护层 厚度并不 能不受限制地 任意增加 。当保护层厚度过厚时 ， 由于混凝 土材料 本 身的脆性 和收缩会导致混凝 土保护层 出现裂缝 反而削弱其对钢筋的保护作用。 ( 3 ) 混凝土保护涂层 混凝 土防护除 了采用高性 能混凝 土外 ，还包 括通 过其 它途 径提 高混 凝 土 的密 实度 和抗 渗 性 ( 例如透水模板 ) 、 混凝土表 面涂覆防护( 例如常用 的海工混凝 土防腐涂料 、 硅烷浸渍等 ) 。完好 的混 凝土保护涂层具有阻绝腐蚀性介质与混凝土接触 的特点 ，从而延长混凝土和钢筋混凝土 的使用 寿 命 。然而 ，大部分涂层本身会在环境 的作用下老 化 ， 逐渐丧失其功效 ， 一般寿命在 51 0 8 。不利方 面： 环氧涂层钢筋与混凝 土的握裹力降低 3 5 ， 使 钢筋混凝土结构的整体力学性能有所降低 ；施工 过程 中对环 氧涂层钢 筋的保护要 求极其严 格 ， 加 大 了施工难度 。 ( 4 ) 涂层钢筋 环氧涂层钢筋是采 用特殊的表面处理技术和 特殊 的高压静 电喷涂方法 ，在钢筋的金属体上形 成均匀 的 、 有一定厚度的环氧树脂保护层 ， 使产 品 同时存在优 良的物理特性和化学稳定性 。但钢筋 环氧涂层的存在会部分削弱钢筋与混凝土的粘结 强度 ，使钢筋混凝土结构的整体力学性能有所降 低 ；施工过程中对环氧涂层钢筋的保护要求极其 严格 ， 加大 了施工难度 ； 另外成本的明显增加也使 其推广应用受到制约。 ( 5 ) 阻锈剂 阻锈剂通过提高氯离子促使钢筋腐蚀的临界 浓 度来稳定钢筋表 面的氧化物保护膜 ，从而延长 钢筋混凝 土的使用 寿命 。钢筋 阻锈剂 的有效性 与 其存在 于混凝 土中的数量有直接关系 ，在严重腐 蚀环境作用下 ，可在使用优质耐久混凝土 的基础 上 ， 在混凝土 中掺人钢筋阻锈剂。混凝 土越密实 ， 钢筋阻锈剂的防护效能就越高。对于难以采用涂 层 防护 的预应力钢筋和钢索的保护 ，在混凝土或 灌浆 中掺加钢筋阻锈剂是有效 的防护方法之一。 ( 6 ) 阴极保护 用于混凝 土中钢筋腐蚀的 电化学防护技术主 要为外加 电流 阴极保护技术 。外加电流 阴极保护 技术的结构原理是 ，在钢筋混凝 土内部放置一个 永久性 的辅助 阳极 ， 在辅助 阳极与钢筋f 阴极) 之间 连接一个 直流 电源 ， 电源 的负极 与钢筋相接 ， 正极 与辅助 阳极相接 ，通入的直流电流的大小必须足 以迫使钢筋表面的 阳极 反应完全停止 。阴极反应 能产生氢氧根离子 ， 使混凝土 的碱度增加 ， 这将有 助于重新 建立被混凝 土碳 酸化或氯化 物侵蚀破坏 的钢筋钝化层。在装有外加电流阴极保护系统的 混凝 土 中 ， 带 负电的氯离子被 阴极 ( 钢筋) 排斥 ， 并 朝着辅 助阳极的方 向运 动 ，在辅助 阳极表 面上失 去电子被 氧化形成氯气 ，从而起到 防止锈蚀 的作 用 。采用 阴极保护技术防止钢筋受到腐蚀 ， 从而避 免腐蚀产 物对混凝 土产生 巨大膨胀作用 而开裂 ， 这是一种十分可靠和有效的技术 ，该技术已在国 外获得广泛应用 。 清澜大桥耐久性措施见表 2 。 考虑 当地的实际情况 ， 如原材料 的可及性 、 工 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 桥梁结构 城 市道桥与防洪 2 0 1 2 年 1 2 月第 1 2 期 结 构 设 计 最小钢筋保护层厚度 m m 4 5 钢 暨 堡 件 裂 缝 0 2 宽 度 容 许 值 m m 预 应 力 构 件 预 应 力 度 笔 5 O 0 1 5 5 0 O 1 5 8 5 4 0 4 0 6 0 8 5 O2 0 2 0 2 02 全预应力 附加 防腐蚀措施 表面涂装 申 i i c 阴极保 护 索塔承 台采 用外 永久 加电流阴极保护钢护筒 艺设备 的可行性 等 ， 以及 经济上的合理性 ， 清澜 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。 但作 为一个重点工程 ， 投资大 ， 仅 仅在设计 、 施工上关注耐久性是远 远不 够的 ， 大桥 建成后必须重视桥梁的管理和养护 ， 从 而真正提高 桥梁耐久性 ， 延长桥梁使用寿命 。 缓解交通压力 泸州拟新建 5座大桥 作为 四川泸州的“ 南大门” ， 泸州长江大桥首次断道维护 以后 ， 为泸州主城 区内的交通带来 巨大压力。 泸州是一座近水城市 ， 截至 目前 ， 在泸州市主城区内已拥有 6座大桥 。这些大桥 ， 都是泸州市 内最重要 的 交通命脉。 近年来 ， 随着泸州市 内的车辆激增 ， 泸州 6座大桥上 的交通流量 ， 也随之大幅增长 。 据泸州交警 部门统计， 目前泸州市内每 日大约有超过 7 0 的车流量， 需经大桥通行。 这一现象带来直接后果是长江大 桥和沱江一 、 二桥的交通量 已趋于饱和 ， 高峰期更是超负荷运行 。 因此 ， 未来几年 ， 泸州市拟将在 长 、 沱两 江上新建 5座大桥 ， 以适应未来特大城市 的交通需求。 新建 的 5座大桥分别 为 ： 在沱江上 ， 修建沱江 四桥和龙透关大桥 ； 在长江上 ， 修建邻玉长江大桥 、 蓝 田 长江大桥 、 茜草至城东长江大桥 。 这 5座大桥修成后 ， 将有效地缓解现有大桥 的压力 ， 同时形成联系城北 、 城东 、 城南 、 城西的环形交通 。 目前， 沱江四桥和龙透关大桥的建设工作， 正在有序推进， 而邻玉长江大桥、 蓝田长江大桥、 茜草至城 东长江大桥则在进行前期准备 ， 预计在蓝 田机场正式迁建后 ， 才能动工建设。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m