华南地区通明海特大桥混凝土结构耐久性设计_胡正涛.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 3 0 2 0 1 5华南地区通明海特大桥混凝土结构耐久性设计胡正涛1,李国力2,杨海成3,范志宏3,王彭生3(1.广东省南粤交通东雷高速公路管理中心,湛江 5 2 4 0 0 0;2.北京建工路桥集团有限公司,北京 1 0 1 3 1 8;3.水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室,广州 5 1 0 2 3 0)摘 要:通过腐蚀环境调查、工程调研、暴露试验等明确了影响华南通明海特大桥混凝土结构耐久性的主要因素,确定了典型构件的腐蚀作用等级。通过典型构件中应力的数值分析及荷载、环境等共同作用的室内模拟试验,研究了荷载对混凝土中氯离子扩散的影响。考虑实际工程荷载作用,建立了符合实际环境与工程特点的混凝土结构耐久性设计方法,明确了工程耐久性设计参数,确定了全寿命周期成本最优的附加防腐蚀措施方案。关键词:跨海大桥;混凝土结构;暴露试验;耐久性设计;附加防腐蚀措施中图分类号:T G 1 7 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 3)0 2-0 0 8 7-0 7D u r a b i l i t y D e s i g n o f C o n c r e t e S t r u c t u r e o f T o n g m i n g h a i B r i d g e i n S o u t h C h i n aHU Z h e n g t a o1,L I G u o l i2,YANG H a i c h e n g3,F ANG Z h i h o n g3,WANG P e n s h e n g3(1.G u a n g d o n g N a n y u e T r a n s p o r t a t i o n D o n g l e i H i g h w a y M a n a g e m e n t C e n t e r,Z h a n j i a n g 5 2 4 0 0 0,C h i n a;2.B C E G B r i d g e C o n s t r u c t i o n G r o u p C o.,L t d.,B e i j i n g 1 0 1 3 1 8,C h i n a;3.K e y L a b o r a t o r y o f H a r b o r&M a r i n e S t r u c t u r e D u r a b i l i t y T e c h n o l o g y,M i n i s t r y o f C o mm u n i c a t i o n s,G u a n g z h o u 5 1 0 2 3 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e m a i n f a c t o r s a f f e c t i n g t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s f o r T o n g m i n g h a i B r i d g e i n S o u t h C h i n a w e r e i d e n t i f i e d a n d t h e c o r r o s i o n g r a d e s o f t y p i c a l c o m p o n e n t s w e r e d e t e r m i n e d t h r o u g h c o r r o s i v e e n v i r o n m e n t i n v e s t i g a t i o n,e n g i n e e r i n g i n v e s t i g a t i o n a n d e x p o s u r e t e s t.T h e e f f e c t o f l o a d o n c h l o r i d e i o n d i f f u s i o n i n c o n c r e t e w a s s t u d i e d t h r o u g h n u m e r i c a l a n a l y s i s o f s t r e s s i n t y p i c a l s t r u c t u r e s,i n d o o r s i m u l a t i o n t e s t u n d e r i n t e r a c t i o n o f l o a d a n d e n v i r o n m e n t.C o n s i d e r i n g t h e a c t u a l e n g i n e e r i n g l o a d,d u r a b i l i t y d e s i g n m e t h o d o f c o n c r e t e s t r u c t u r e w a s e s t a b l i s h e d i n a c c o r d a n c e w i t h t h e a c t u a l e n v i r o n m e n t a n d e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s.T h e e n g i n e e r i n g d u r a b i l i t y d e s i g n p a r a m e t e r s w e r e d e f i n e d a n d t h e a d d i t i o n a l a n t i-c o r r o s i o n m e a s u r e s c h e m e w i t h o p t i m a l l i f e c y c l e c o s t w a s d e t e r m i n e d.K e y w o r d s:c r o s s-s e a b r i d g e;c o n c r e t e s t r u c t u r e;e x p o s u r e t e s t;d u r a b i l i t y d e s i g n;a d d i t i o n a l a n t i-c o r r o s i o n m e a s u r e 广州湛江东海岛至雷州高速公路工程是广东省2 0 1 5年重点交通建设项目,也是湛江市“四通三环”大交通格局系统“湾区外环”规划中的一段。项目连接东海岛与雷州市,由主线、东海岛中线贯岛公路连接线和雷州市雷城连接线组成,主线全长3 5.9 k m,连接线长1 1.2 3 k m。其中,通明海特大桥是东雷高速的控制性工程,横跨通明海海域,总长5.7 5 5 k m,收稿日期:2 0 2 1-0 1-2 5基金项目:广东省交通运输厅科技项目(2 0 1 6-0 2-0 1 8);广东省重点领域研发计划项目(2 0 1 9 B 1 1 1 1 0 5 0 0 2);广东省重点领域研发计划项目(2 0 1 9 B 1 1 1 1 0 6 0 0 2)通信作者:胡正涛(1 9 7 9-),高级工程师,硕士,从事海工混凝土 耐 久 性、桥 梁 设 计 及 高 速 公 路 建 设 管 理 等 工 作,1 8 1 2 5 9 0 8 1 9 9,1 1 4 7 5 0 8 8 1 3q q.c o m为湛江第一长跨海大桥。通明海特大桥属于特大跨海桥梁,设计使用寿命1 0 0 a。桥址处于华南雷州湾热带海洋季风区,常年气温高、湿度大,海水含盐度高,且当地多台风、热带风暴等灾害性天气,自然环境异常恶劣,这给桥梁混凝土结构耐久性设计、施工质量控制及后期维护提出了更高的要求。我国在严酷环境中跨海桥梁建造方面已有一定的技术储备与工程实践经验1-4,但不同跨海桥梁的结构形式、环境条件、施工质量波动等因素对耐久性影响具有很强的不确定性。因此,有必要针对工程结构形式和环境特点,建立跨海桥梁混凝土结构耐久性设计方法,制定合理的耐久性控制指标,科学论证后选取全寿命周期成本最优的附加防腐蚀措施,并加强施工质量管控,制定合理有效的运营维护方法,以保障通明海特大桥1 0 0 a的设计使用寿命。78第4 4卷 第2期2 0 2 3年2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 4 N o.2F e b r u a r y 2 0 2 31 混凝土结构耐久性设计总体思路实际环境中混凝土结构耐久性长期观测数据是开展结构耐久性设计的基础。由于缺乏长期耐久性数据,当前国内多数已建成跨海大桥在耐久性设计时基本上凭借经验,其科学性、可靠性存在一定的不足。华南海港工程材料暴露试验站是目前国内最系统、持续运行时间最长、暴露试验数据积累最为丰富的试验站。通明海特大桥与华南湛江港暴露试验站直线距离仅3 0 k m,两地具有完全相同的海水腐蚀环境。另外,对湛江海域2 0 0 6年投入使用的某跨海大桥工程进行调研,取得了同一海水环境中实体混凝土结构耐久性基础数据。利用湛江港暴露试验站海水腐蚀环境调查与相同海水环境中已建跨海工程服役状况的调研,明确影响通明海特大桥混凝土结构耐久性的主要因素,确定合理的结构服役环境作用等级。根据典型工程构件的受力特点,开展荷载与环境耦合作用下混凝土结构耐久性的室内快速试验,解析荷载对混凝土中氯离子扩散系数的影响公式。利用湛江港暴露试验站近3 0 a积累的野外数据,在基于可靠度的混凝土结构耐久性设计方法的基础上,考虑工程荷载作用,提出了针对实际环境和工程特点的耐久性设计方法,建立不同部位混凝土结构保护层厚度、氯离子扩散系数及设计年限之间的相互关系,提出通明海特大桥混凝土结构耐久性关键技术指标。根据不同附加防腐蚀措施的技术特点及其全寿命周期施工、维护成本,针对通明海特大桥工程典型结构耐久性薄弱环节制定切实可行、经济合理的耐久性附加防腐蚀措施方案。2 服役环境与类似工程耐久性调研2.1 服役环境调研通明海特大桥区为典型的热带海洋性季风气候,平均温度高、湿度大,年平均气温为2 3,相对湿度为8 3%8 9%,且当地多台风、热带风暴等灾害性天气,每年平均台风3.4次。桥区海域的腐蚀介质成分、p H等试验数据见表1。由表1可见,影响通明海特大桥的主要腐蚀介质为氯离子、硫酸根离子、镁离子等。氯离子、镁离子、硫酸根离子等在海水中的含量都高于其在地下水中的含量。考虑到本工程处于无掩护的海水环境,宜参照表1 通明海特大桥区海域腐蚀介质成分(部分数据)T a b.1 C o m p o s i t i o n o f c o r r o s i o n m e d i u m i n s e a a r e a o f T o n g m i n g h a i B r i d g e(p a r t i a l d a t a)取样地点(C l-)/(m gL-1)(S O42-)/(m gL-1)(M g2+)/(m gL-1)(OH-)/(m gL-1)(C O2)/(m gL-1)总矿化度/(m gL-1)c(HC O3-)/(mm o lL-1)p H备注Q Z K 2 6孔内水1 4 7 9 0.0 27 0 2.7 01 1 5 0.6 00.0 00.0 02 4 3 7 1.5 93.2 07.1 4东引桥Q Z K 2 9孔内水1 3 2 0 1.0 12 9 9 7.5 09 7 8.0 10.0 08.1 12 5 3 4 8.1 71.3 56.9 9涨潮海水1 6 9 7 7.5 62 3 4 1.8 51 1 2 9.1 40.0 00.0 03 0 5 7 7.8 22.0