曹妃甸工業(yè)區(qū)西通路高架橋耐久性設(shè)計

張元凱

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 概述

唐山曹妃甸西通路高架橋工程始于二港池西區(qū)中路（K0+000），隨后跨越納潮河上的二港池大橋和一港池大橋，和正在建設(shè)中的西通路地面道路對接后沿線向東延伸，終于通島路東（K11+170），全長11.17 km。一期實(shí)施工程范圍：K5+985.000～K6+868.000，橋梁主線全長883 m。主橋長度276 m，采用兩座跨徑為138 m的單索面鋼管混凝土系桿拱橋，主梁為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，橋面寬度29.5 m，鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)。該橋主梁采用疊合梁結(jié)構(gòu)，混凝土橋面板采用先預(yù)制后澆濕接縫的方法施工，結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期100 a。混凝土橋面板的耐久性是大橋設(shè)計、施工和管理中的重要課題。其加勁梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1所示。

圖1 加勁梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：mm）

2 環(huán)境條件

工程所在地屬于大陸性季風(fēng)氣候，具有明顯的暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候特征。季風(fēng)影響較大，冬季盛行偏西北風(fēng)，春、夏季盛行偏南和東南向風(fēng)，氣候變化復(fù)雜，冬冷夏熱，四季分明。大橋處于填海造地工程之上，受風(fēng)、浪、流、霧等影響較大。100 a一遇風(fēng)速27.1 m/s，100 a一遇高潮位4.47 m，平均潮差1.71 m，最大潮差3.54 m，實(shí)測最大漲潮流速1.41 m/s，最大落潮潮流速0.99 m/s。納潮河兩端溝通兩大港池，河水為渤海海水。

地下水位埋深在0～3.1 m之間，水位較淺。根據(jù)水質(zhì)分析，在Ⅱ類環(huán)境下，地表水和地下水對混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均具有強(qiáng)腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具中腐蝕性。

根據(jù)水質(zhì)分析，地表水和地下水的類型均屬于Cl-—Na+型，均為海水。其中，地表水主要成分含量為氯離子18 435.6～23 515.2 mg/L、硫酸根離子108.1～2 548.4 mg/L、鎂離子848.2～1 261.8 mg/L、鈉+鉀離子9872.8～13181.3mg/L、總礦化度33035.4～38 225 mg/L、PH值6.45～8.10，為鹽水、中性水。地下水主要成分含量為氯離子11 999 mg/L、硫酸根離子1 325.7 mg/L、鎂離子 4 75.5 mg/L、鈉+鉀離子6 379.1 mg/L、總礦化度21 306 mg/L、PH值6.36，為鹽水、中性水。在Ⅱ類環(huán)境下，地表水機(jī)地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具強(qiáng)腐蝕性，混凝土防護(hù)為三級防護(hù)。表1為橋址處水質(zhì)狀況一覽表。

表1 橋址處水質(zhì)狀況一覽表

3 技術(shù)措施

3.1 設(shè)計思路

該工程為海洋性大氣環(huán)境，海洋環(huán)境下的建筑物由于腐蝕因素的影響，不進(jìn)行防護(hù)是不能達(dá)到設(shè)計壽命要求的，尤其是提出較長設(shè)計年限的工程，不采取措施，更是難以達(dá)到要求。處于海洋環(huán)境下的混凝土構(gòu)筑物，氯離子滲入混凝土是引起鋼筋銹蝕的最主要和最快的因素。因此，該工程中的Cl-的腐蝕作用在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計中是關(guān)鍵性的影響因素。在該工程中，混凝土橋面板采用預(yù)制板，減小了成橋階段混凝土收縮的同時，也提高了混凝土的質(zhì)量。主梁采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的耐久性通過采用的高性能混凝土的良好密實(shí)性和適當(dāng)?shù)幕炷帘Ｗo(hù)層厚度來保證。

3.2 具體措施

3.2.1 采用高性能混凝土

在海洋環(huán)境采用高性能混凝土，以提高混凝土密實(shí)性與抗氯離子滲透能力，鋼筋銹蝕引發(fā)期可以大大延長。我國近期建設(shè)的上海東海大橋，杭州灣大橋均采用了高性能混凝土結(jié)構(gòu)。

3.2.2 設(shè)計最小混凝土保護(hù)層

試驗(yàn)顯示即使是低水灰比、高質(zhì)量的混凝土，在暴露于有氯鹽存在的環(huán)境中，混凝土表面12mm深度內(nèi)的氯離子含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過25～50 mm深度范圍內(nèi)的氯離子的含量。因此在海洋環(huán)境中的工程，混凝土保護(hù)層的厚度應(yīng)比一般的混凝土保護(hù)層厚度要大一些，同時還要考慮施工偏差的因素。對于該橋，橋面板處于Ⅱ類環(huán)境，交通部《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTGD62-2004）中規(guī)定的最小保護(hù)層厚度為40 mm，該橋最小保護(hù)層取45 mm。

3.2.3 提供足夠的鋼筋和合理的布置保證受拉和受彎裂縫很好的分布

承載的鋼筋混凝土構(gòu)件不可避免的要發(fā)生開裂，這是混凝土結(jié)構(gòu)的一個自然現(xiàn)象。提供足夠的鋼筋量（最小鋼筋量）用于保證裂縫很好地分布，考慮兩種情況：

（1）強(qiáng)制變形引起的開裂。鋼筋最小面積通過設(shè)計規(guī)范條例確定。

（2）荷載引起的開裂。計算得到的鋼筋最小面積取為保證開裂不導(dǎo)致構(gòu)件突然破壞（鋼筋能承受開裂之前由混凝土承擔(dān)的那部分拉力而不發(fā)生屈服）的鋼筋面積和作為假定鋼筋在荷載下達(dá)到允許最大應(yīng)力情況下能保證穩(wěn)定的開裂模式（穩(wěn)定的或最終裂縫間隔）的鋼筋面積兩者中的較大值。

3.2.4 控制裂縫寬度

對裂縫寬度的最終驗(yàn)算基于最終鋼筋面積和正常使用荷載下鋼筋的應(yīng)力，按規(guī)范要求，計算得出的最大可接受的裂縫寬度為0.15 mm。

3.2.5 預(yù)應(yīng)力筋的特殊保護(hù)

預(yù)應(yīng)力鋼筋在已有產(chǎn)品中選擇時選用有長期性能良好紀(jì)錄的完整的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，包括預(yù)應(yīng)力鉸線、套管、連接裝置和錨固裝置。

該橋?yàn)轶w內(nèi)有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，錨固和灌漿質(zhì)量是影響耐久性的主要因素，為提高其耐久性采用以下兩點(diǎn)措施：

（1）套管應(yīng)是帶有認(rèn)可的水密和氣密連接系統(tǒng)的波紋管，采用塑料波紋管。

（2）采用真空灌漿，保證灌漿的密實(shí)性。

3.3 施工要點(diǎn)

為保證上述技術(shù)措施的順利實(shí)施，對高性能混凝土的原材料、配合比、拌制、澆筑、養(yǎng)生等施工環(huán)節(jié)制定相應(yīng)的質(zhì)量保證措施。

（1）高性能混凝土原材料要求，詳見表2所列。

表2 高性能混凝土原材料要求一覽表

（2）高性能混凝土的混凝土收縮率應(yīng)控制在2×10-4以下，對于現(xiàn)澆接縫采用的微膨脹混凝土（補(bǔ)償混凝土），微膨脹混凝土水中養(yǎng)護(hù)14 d最小限制膨脹率大于等于2.5×10-4。隨后恒溫養(yǎng)護(hù)28 d最大收縮率小于等于3.0×10-4。

（3）為保證預(yù)制板質(zhì)量，混凝土坍落度應(yīng)控制在5～8 cm。

（4）高性能混凝土在攪拌機(jī)中加水連續(xù)攪拌的最短時間應(yīng)比普通混凝土至少延長30 s，一般宜在90 s以上。

（5）常溫下，高性能混凝土應(yīng)至少保濕養(yǎng)護(hù)15 d，氣溫較高時可適當(dāng)縮短濕養(yǎng)護(hù)時間，氣溫較低時，應(yīng)適當(dāng)延長濕養(yǎng)護(hù)時間，宜采用淡水養(yǎng)護(hù)。

（6）混凝土保護(hù)層墊塊采用與本體混凝土同膠凝材料、水膠比的砂漿或細(xì)石混凝土制作。墊塊厚度不允許負(fù)偏差，正偏差不得大于5 mm。鋼筋綁扎鐵絲應(yīng)彎向構(gòu)件內(nèi)部。

（7）橋面板濕接縫混凝土易產(chǎn)生收縮性表面裂縫，因此在進(jìn)行配合比設(shè)計時，應(yīng)考慮采取適當(dāng)?shù)姆懒汛胧?，施工時做好保溫、保濕工作。在混凝土中摻入高模量、高強(qiáng)度復(fù)合纖維，以提高混凝土橋面板的抗裂性，減小收縮率，提高密實(shí)度。

（8）混凝土強(qiáng)度的評定按《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1-2004）有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。確定配合比前，進(jìn)行混凝土電通量和Cl-擴(kuò)散系數(shù)的檢測。

4 結(jié)語

根據(jù)西通路高架橋主橋處于渤海灣填海造地工程上的環(huán)境條件、橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對橋面板進(jìn)行了耐久性設(shè)計，提出了滿足設(shè)計基準(zhǔn)期100 a的技術(shù)措施及施工要點(diǎn)。合適的施工技術(shù)措施與嚴(yán)格的質(zhì)量控制是結(jié)構(gòu)耐久性保證的前提。本文在解決了具體工程問題的同時，也為今后類似工程的橋面板耐久性設(shè)計提供了參考。

[1] JTJ 275-2000，海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 上海市政工程設(shè)計研究總院.曹妃甸工業(yè)區(qū)西通路高架工程施工圖設(shè)計文件[Z].