深中通道混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計
2023-03-27 17:08:27
作者：王康臣，方翔，等 來源：腐蝕與防護(hù)
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深中通道起始于深圳廣深沿江高速公路機場互通立交，向西跨越珠江口，在中山市馬鞍島登陸，終止于橫門互通。路線全長約23.977 km，跨海長度22.257 km，陸地段長度1.72 km。主線橋梁總長17034 m，隧道總長6845 m，海中設(shè)置兩處人工島。深中通道工程采用雙向八車道的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度41 m，設(shè)計時速100 km/h，該工程跨越珠江口內(nèi)伶仃洋，工程區(qū)域環(huán)境具有溫度高、濕度大和海水鹽度隨潮汐變化等特點。深中通道設(shè)計使用年限為100年，具備隧道、島和橋等多種結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耐久性問題突出，如何確保工程的耐久性，是工程建設(shè)所面臨的關(guān)鍵問題之一。
通過開展環(huán)境作用等級劃分，明確不同環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的各項耐久性指標(biāo)，并采用合適的附加防腐蝕措施，是國內(nèi)外普遍采用的耐久性設(shè)計方法。對于確定耐久性指標(biāo)，較常采用經(jīng)驗法，即按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范直接規(guī)定工程混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)、保護(hù)層厚度等指標(biāo)。
近年來，基于工程數(shù)據(jù)與實際經(jīng)驗，具有失效概率或可靠性的耐久性定量設(shè)計方法逐漸寫入各國規(guī)范，如BS EN 206-2013+A1:2016和ISO 16204:2012等。我國的JTS 153—2015《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》提出了不同設(shè)計使用年限對應(yīng)的耐久性指標(biāo)要求，同時給出了使用年限定量校核方法。對于附加防腐蝕措施，其作用是彌補施工、運營期間不確定因素造成的影響，一般結(jié)合技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性合理選用。
在深中通道工程建設(shè)之前，港珠澳大橋于2018年通車運營，在耐久性設(shè)計上，采用了基于可靠度理論的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計模型，計算得到120年設(shè)計保護(hù)年限條件下的耐久性指標(biāo)。同時，針對不同構(gòu)件及部位，選用不銹鋼鋼筋、硅烷浸漬等附加防腐蝕措施，以提高其安全裕度。
深中通道臨近港珠澳大橋，兩者服役環(huán)境（海洋腐蝕環(huán)境）相似，其耐久性設(shè)計可采用港珠澳大橋的耐久性設(shè)計模型，并結(jié)合深中通道的特點以及港珠澳大橋建設(shè)經(jīng)驗，對模型進(jìn)一步修正，開展?jié)M足工程需求、更貼近工程實際的耐久性設(shè)計。
深中通道距港珠澳大橋約40 km，兩個工程位置較近，腐蝕環(huán)境特征類似，從服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)構(gòu)件腐蝕條件進(jìn)行對比，分析港珠澳大橋耐久性保障技術(shù)對深中通道的適用性。
表1 深中通道與港珠澳大橋服役環(huán)境比較
由表1可見：兩個工程所處環(huán)境的氣溫、濕度接近；深中通道更靠近珠江入海口，其所處區(qū)域的氯離子含量受潮汐影響較大，氯離子含量最大值與港珠澳大橋所處環(huán)境的相近，氯離子含量最小值遠(yuǎn)小于港珠澳大橋所處環(huán)境，且沿橋軸線變化隨季節(jié)起伏較大。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件腐蝕條件對比
表2 深中通道與港珠澳大橋構(gòu)件腐蝕條件比較
深中通道與港珠澳大橋均采取島-隧道-橋組合的設(shè)計方式。由表2可見：深中通道的整體線路較短，93%的線路處于跨海段；港珠澳大橋整體線路較長，但海中主體部分線路只占66%；綜合比較可知，兩者在島-隧道-橋主體部分，港珠澳大橋比深中通道長約14 km；兩者海底隧道的建設(shè)長度相近，約為6.7 km；深中通道與港珠澳大橋采用的構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式相似，工程構(gòu)件所處腐蝕環(huán)境也相近。
港珠澳大橋耐久性設(shè)計具有以下特點：
(1) 采用了基于可靠度的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計技術(shù)，利用相似環(huán)境的暴露試驗數(shù)據(jù)，建立了耐久性設(shè)計數(shù)學(xué)模型，開展了耐久性定量設(shè)計；
(2) 綜合考慮腐蝕風(fēng)險、防護(hù)效果和全壽命成本，開展了附加防腐蝕設(shè)計，作為提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性安全裕度的措施。
深中通道具有與港珠澳大橋相似的環(huán)境條件，相似的結(jié)構(gòu)形式，深中通道設(shè)計使用年限為100年，港珠澳大橋設(shè)計使用年限為120年。因此，深中通道的耐久性設(shè)計可以借鑒港珠澳大橋的混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計模型。此外，深中通道處于內(nèi)伶仃洋，工程跨越的區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，在借鑒港珠澳大橋耐久性設(shè)計成果和工程建設(shè)經(jīng)驗的同時，對部分技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和深入研究，例如考慮荷載和依據(jù)港珠澳大橋施工質(zhì)量核定保護(hù)層厚度等，以更好地指導(dǎo)深中通道工程建設(shè)。
混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計
深中通道混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化主要是氯鹽侵蝕造成的。混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計分為兩個層次，提高混凝土材料本身致密性和耐氯離子滲透性的措施統(tǒng)稱為耐久性設(shè)計的基本措施，一般規(guī)定混凝土材料的最大氯離子擴(kuò)散系數(shù)和混凝土最小保護(hù)層厚度等耐久性指標(biāo)。在基本措施的基礎(chǔ)上，需要考慮涂層、硅烷浸漬、阻銹劑、不銹鋼鋼筋等耐久性附加防腐蝕措施。
耐久性設(shè)計基于混凝土氯離子滲透理論，以鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到臨界濃度作為極限狀態(tài)，并以概率理論為基礎(chǔ)，通過分項系數(shù)表示。
使用分項系數(shù)的近似概率設(shè)計方程如下：
式中：Ccr,d，Ccr分別為鋼筋銹蝕的臨界氯離子總質(zhì)量占混凝土膠凝材料的百分比的設(shè)計值和特征值，%；Cs,d，Cs分別為每立方米混凝土中氯離子的總質(zhì)量占混凝土膠凝材料的百分比的設(shè)計值和特征值，%；xd為混凝土最小保護(hù)層厚度，mm；D28,d，D28分別為暴露28天條件下混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的設(shè)計值和特征值，m2/s；ηd，η分別為氯離子擴(kuò)散系數(shù)衰減率的設(shè)計值和特征值；tSL為設(shè)計使用年限，a；γc為臨界氯離子濃度的分項系數(shù)；γs為表面氯離子濃度的分項系數(shù)；xnom為耐久性設(shè)計保護(hù)層厚度的名義值，mm；Δxd為保護(hù)層厚度安全裕度（允差），mm；γD為擴(kuò)散系數(shù)的分項系數(shù)；γη為氯離子擴(kuò)散系數(shù)衰減率的分項系數(shù)。
氯離子擴(kuò)散系數(shù)的衰減率η由下式表示：
式中：n為試驗混凝土擴(kuò)散系數(shù)的齡期因子。
通過統(tǒng)計類似環(huán)境工程中獲得的各參數(shù)的平均值及偏差，可根據(jù)設(shè)計使用年限求得氯離子擴(kuò)散系數(shù)和保護(hù)層厚度。港珠澳大橋耐久性設(shè)計過程中，通過分析位于湛江的華南暴露試驗站近30年的暴露試件的氯離子滲透率數(shù)據(jù)確定上述參數(shù)。深中通道耐久性設(shè)計過程中，通過分析港珠澳大橋施工檢測結(jié)果以及港珠澳大橋暴露試驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合深中通道的自身情況，對上述參數(shù)進(jìn)行了修正。
港珠澳大橋耐久性設(shè)計模型分項系數(shù)的計算結(jié)果見表3，在同樣采用β=1.3的可靠指標(biāo)條件下，深中通道耐久性設(shè)計模型分項系數(shù)暫時不予修正。
表3 港珠澳大橋耐久性設(shè)計模型設(shè)計參數(shù)的特征值及分項系數(shù)
上述耐久性設(shè)計并未考慮荷載影響。事實上，荷載對氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響較大，不同區(qū)域構(gòu)件所受荷載類型和水平均不一樣，因此進(jìn)行耐久性設(shè)計時應(yīng)考慮荷載影響。
將荷載因子引入氯離子擴(kuò)散系數(shù)衰減公式中，可得到用于深中通道耐久性設(shè)計的數(shù)學(xué)模型如下：
式中：kη為混凝土荷載影響系數(shù)；kc為試驗方法轉(zhuǎn)換系數(shù)，采用RCM方法時，取值0.5；t0為測定氯離子擴(kuò)散系數(shù)時混凝土的齡期，a；t為混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)衰減至恒定值的時間，a。
目前，荷載試驗數(shù)據(jù)主要通過室內(nèi)短期試驗研究結(jié)果得到，較好地反映了外部荷載對氯離子在混凝土中擴(kuò)散過程的影響規(guī)律，初步建立了外部荷載與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的定量關(guān)系，由于試驗數(shù)據(jù)來源于室內(nèi)加速試驗，最終的荷載影響系數(shù)與實際情況是否吻合，還有待長期試驗數(shù)據(jù)的修正和完善。目前，主要利用短期試驗結(jié)果，確定耐久性設(shè)計過程中引入的荷載影響因子。同時，后續(xù)還將利用暴露試驗數(shù)據(jù)對現(xiàn)有成果進(jìn)行補充和調(diào)整，以提高工程耐久性設(shè)計的可靠性。
深中通道混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計指標(biāo)
對于深中通道的混凝土結(jié)構(gòu)，按照公式可以計算得出不同暴露區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計指標(biāo)，如表4所示。表中最小保護(hù)層厚度未考慮施工偏差對保護(hù)層厚度保證率的影響，對于預(yù)制構(gòu)件，建議以最小保護(hù)層厚度+5 mm為安全裕度；對于現(xiàn)澆構(gòu)件，建議以最小保護(hù)層厚度+8 mm為安全裕度。
表4 不同區(qū)域深中通道混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計指標(biāo)
采用耐氯離子滲透性能較高的混凝土和足夠的保護(hù)層厚度等耐久性保障基本措施，一般可使結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足設(shè)計使用壽命。但是，環(huán)境變化、施工過程中的不確定性因素會造成實際情況可能與設(shè)計有偏差。為提升安全裕度，對于長壽命結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一般在基本措施的基礎(chǔ)上，增加附加防腐蝕措施。
混凝土附加防腐措施可分為兩大類。一類是通過屏蔽作用進(jìn)一步提升混凝土的耐氯離子滲透性能，例如硅烷浸漬、涂層等。另一類是通過提高鋼筋的耐腐蝕性能，如采用不銹鋼鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋、FRP鋼筋等替代普通碳鋼鋼筋，或添加阻銹劑、實施陰極保護(hù)等。不同的附加防腐蝕措施可使混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用壽命提高15~50年。多種附加防腐措施可聯(lián)合使用，進(jìn)一步起到延長混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用壽命的作用。
目前，混凝土結(jié)構(gòu)附加防腐蝕技術(shù)發(fā)展趨于成熟，其中，以硅烷浸漬、涂層的應(yīng)用最為廣泛。耐腐蝕鋼筋中以環(huán)氧涂層鋼筋的應(yīng)用最多，不銹鋼鋼筋耐腐蝕性能最佳，但高昂的成本限制了其應(yīng)用，國內(nèi)僅港珠澳大橋、武漢青山長江大橋采用該種材料。FRP鋼筋、耐腐蝕鋼筋在實體工程中應(yīng)用不多。混凝土結(jié)構(gòu)外加電流陰極保護(hù)效果良好，但實施復(fù)雜，且需要長期維護(hù)，國內(nèi)應(yīng)用不多，青島海灣大橋通航孔橋承臺采用了外加電流陰極保護(hù)的措施。目前，國內(nèi)已針對各種防腐蝕措施的應(yīng)用建立了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，如JTS 153-2015，JTS/T 209-2020《水運工程結(jié)構(gòu)防腐蝕施工規(guī)范》對各種附加防腐蝕措施的設(shè)計、施工及維護(hù)均做了詳細(xì)的規(guī)定。
深中通道混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件覆蓋多個區(qū)域，各區(qū)域腐蝕風(fēng)險從大到小排序為浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、大氣區(qū)、水下區(qū)。大氣區(qū)腐蝕情況較溫和，但該區(qū)域常年受到臺風(fēng)影響，因此需采用附加防腐蝕措施，一般采用在混凝土表面涂覆涂層和硅烷浸漬這兩種措施。從經(jīng)濟(jì)成本方面考慮，硅烷浸漬的費用較低，且硅烷浸漬后混凝土表面的顏色基本不會改變，涂層會隨著時間的推移發(fā)生顏色不均的現(xiàn)象。綜合分析可知，大氣區(qū)的混凝土表面采用硅烷浸漬處理更為合適。
對于浪濺區(qū)和水位變動區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，港珠澳大橋工程采用了環(huán)氧涂層鋼筋和外層不銹鋼鋼筋。不銹鋼鋼筋的價格約為普通鋼筋的10倍，而環(huán)氧涂層鋼筋價格較普通鋼筋的高2000~3000元/t。深中通道腐蝕環(huán)境的惡劣程度較港珠澳大橋的輕，其設(shè)計使用年限較短，考慮到建造成本，推薦采用硅烷浸漬+外層環(huán)氧涂層鋼筋聯(lián)合的附加防腐蝕措施，提高結(jié)構(gòu)耐久性。環(huán)氧涂層鋼筋與普通鋼筋應(yīng)采用絕緣措施。
對于水下區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，腐蝕風(fēng)險相對于其他區(qū)域的較低，一般可不采用附加防腐蝕措施。不同區(qū)域構(gòu)件的附加防腐蝕措施如表5所示。
表5 深中通道混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件附加防腐蝕措施推薦方案
深中通道結(jié)構(gòu)構(gòu)件所在區(qū)域氯離子濃度較高，變化較大，在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計過程中，主要考慮氯離子侵蝕。
根據(jù)深中通道的耐久性設(shè)計原則，采用耐氯離子滲透性能較高的混凝土和足夠的保護(hù)層厚度等耐久性保障基本措施，以及涂覆涂層、硅烷浸漬和防腐蝕鋼筋等附加防腐蝕措施，以保障構(gòu)件滿足設(shè)計使用壽命的要求，并具備一定的安全裕度。
深中通道的耐久性設(shè)計基于概率理論，通過分項系數(shù)表示混凝土氯離子滲透率的方程，并以鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到臨界濃度作為極限狀態(tài)，根據(jù)不同構(gòu)件所處環(huán)境得出經(jīng)28天和56天暴露試驗后最大氯離子擴(kuò)散系數(shù)指標(biāo)分別為6.5×10-12~7.0×10-12 m2/s和4.5×10-12~5.0×10-12 m2/s，最小保護(hù)層厚度指標(biāo)為40~70 mm。對于預(yù)制構(gòu)件，建議以最小保護(hù)層厚度+5 mm為安全裕度；對于現(xiàn)澆構(gòu)件，建議以最小保護(hù)層厚度+8 mm為安全裕度。
在受彎荷載試件上，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變化與彎曲應(yīng)力水平呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，在受壓荷載試件上，隨著彎曲應(yīng)力水平的逐漸增加，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈先減小后增大的趨勢。在耐久性設(shè)計過程中，通過增大混凝土荷載影響系數(shù)考慮不同荷載類型和水平的影響。
根據(jù)不同構(gòu)件及其所處區(qū)域，提出了采用硅烷浸漬和環(huán)氧涂層鋼筋的附加防腐蝕措施。
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