松花江公路大橋所處環境條件調查及檢測

蓋青山

(中鐵十三局 第四工程公司,黑龍江 哈爾濱150008)

結構所處的環境條件是影響結構耐久性的重要因素之一,工程實踐表明,環境溫度、濕度、風向、風速、干濕循環情況等都對混凝土碳化、鋼筋銹蝕、堿骨料反應、凍融破壞等耐久性破壞的發生與發展有著重要影響[1～3]。

國道主干線哈爾濱繞城高速東北段松花江大橋位于哈爾濱市東北部距市區5 km處的松花江主河道內,為新建公路橋梁。大橋全長2 324.92 m,其中主橋長595 m,引橋長1 729.92 m。主橋采用大跨度預應力混凝土連續箱梁結構,引橋采用預應力混凝土簡支T形梁結構。引橋橋墩采用鋼筋混凝土雙柱式墩身,主橋橋墩采用鋼筋混凝土實體墩。大橋位于東北寒冷地區,易受凍融循環作用的影響,因此,對大橋所處地區的氣溫、濕度、降雪量、冰凍時間、年凍融循環次數等進行了全面的調查和測試。此外,還對大橋的腐蝕環境進行了詳細調查,內容包括侵蝕性氣體檢測、大氣降水及松花江水質分析以及河床泥土侵蝕性離子測試。

1 環境條件調查

1.1 環境溫度、濕度測試

課題組于2007-12-30～2008-01-18首赴松花江大橋現場,將溫度、濕度記錄儀(哈爾濱物格科技公司PDI-128型)安放在大橋橋面之上,用以監測大橋所在地區2008年全年的溫度、濕度變化情況。對檢測結果進行整理、分析,得到了大橋所處環境的年平均、月平均溫度、濕度以及各月份的溫度、濕度變化情況。具體結果如下:大橋所處地區的年平均氣溫為 7.8℃;月平均最高氣溫(8月)為28.2℃,月平均最低氣溫(1月)為-16.8℃,月平均溫度如圖1所示。大橋所處地區的年平均濕度為63%,月平均最高相對濕度(7月)為73%,月平均最低相對濕度(2月)為55%,月平均濕度如圖2所示。

由于室外構件環境相對濕度的取值一般比年平均相對濕度稍高。因此,大橋箱梁、T形梁、引橋墩以及過渡橋墩這四類構件環境相對濕度可取為65%,而跨江部分的主橋墩由于接觸江水,故其環境相對濕度可取為75%。

1.2 降雪、降雨及風速、風向調查

哈爾濱地處中國東北北部地區,黑龍江省南部,屬于中溫帶大陸性季風氣候。氣候特點是四季分明,冬季漫長而寒冷,夏季短暫而炎熱,春、秋季氣溫升降變化快,屬于過渡季節,時間較短。哈爾濱的春季氣溫回升快,降水少,空氣干燥,天氣多變,氣溫月際變化強烈。春季多大風,是一年中大風天氣最多的季節。夏季氣候溫熱,雨量充沛,氣溫月際差異很小。夏季是降水最多的季節,但降水強度不大,平均暴雨日數 1 d～2 d,特大暴雨較少,年降雨量為524.3 mm,雨季時間為7、8兩個月(降水情況如表1所示)。

圖1 2008年月平均溫度變化

圖2 2008年月平均濕度變化

表1 哈爾濱地區降水及風速情況(1971年～2000年)

秋季天氣冷暖多變,入秋后,降水量顯著減少,但多于春季,風速較大,僅次于春季,風向以偏南風為主。冬季漫長,氣候嚴寒、干燥,降水很少,有時會出現暴雪天氣,年降雪天數一般為15 d～60 d,年平均無霜期約為150 d,冰凍期約為120 d。冬季盛行西南風,風速很小。

1.3 侵蝕性氣體、液體、固體調查

通過查閱哈爾濱環保局的有關資料,得到了2005年～2008年大橋周邊侵蝕性氣體以及大氣中二氧化碳含量的平均值,如表2所示。分別對松花江水、松花江河床泥土以及雨水進行取樣,委托哈爾濱工業大學環境與市政工程學院實驗室對試樣進行了化學成分分析。通過分析得到了松花江水、雨水以及松花江河床泥土中腐蝕性離子的含量,如表3～表5所示。

表2 侵蝕性氣體含量(2005年～2008年)

表3 松花江江水腐蝕性離子含量

表4 雨水腐蝕性離子含量

表5 河床泥土腐蝕性離子含量

由表2可見,需要考慮碳化對大橋結構混凝土的影響。由表3～表4可見,松花江江水以及大橋附近降水的pH值均大于5.6(酸雨限值)[4～6],由此可以判定酸雨對大橋混凝土結構的腐蝕影響可忽略不計。江水及河床泥土中的氯離子含量微少,對混凝土中鋼筋的侵蝕極小[7,8]。

1.4 凍融循環調查

為了更準確地了解大橋所處地區的實際凍融循環情況,課題組于2008年9月底在大橋現場安裝了兩套溫度自動監測系統(青島佳奇電子JQA-1058型,見圖3),對混凝土內部的溫度進行實時監測。兩部溫度監測儀共有16個傳感器,其中12個用于監測半浸泡和全浸泡條件下的混凝土試件內部溫度,4個用于監測自然暴露條件下的混凝土試件內部溫度。監測時間自2008年9月～2009年4月,共計8個月,覆蓋了哈爾濱地區可能發生凍融循環的月份。

對各月份的日溫度變化情況進行分析后發現,大橋所在地區的凍融循環主要集中在11月、12月份以及來年的1月～3月份。對溫度監測結果進行統計分析后得到了大橋所在地區的年凍融循環次數約為120次。

圖3 溫度自動監測系統

1.5 沖刷情況調查

對于大型越江橋梁工程,橋墩基礎往往建在深水當中,河床沖刷問題非常突出,因此,課題組對松花江大橋的沖刷情況做了相關的調查。通過查閱哈爾濱氣象局的有關資料,得到了2006年和2007年松花江流量及水位變化情況,如表6所示。

表6 松花江流量及水位變化情況

由表6可見,松花江一年當中流量較大月份為5月～9月,水位也相應較高,此時,江水對大橋橋墩及基礎的沖刷最為嚴重。

2 結 論

結構所處的環境條件是影響結構耐久性的重要因素之一,工程實踐表明,環境溫度、濕度、風向、風速、干濕循環情況等都對混凝土碳化、鋼筋銹蝕、堿骨料反應、凍融破壞等耐久性破壞的發生與發展有著重要影響[1～3]。

國道主干線哈爾濱繞城高速東北段松花江大橋位于東北寒冷地區,易受凍融循環作用的影響,因此,對大橋所處地區的氣溫、濕度、降雪量、冰凍時間、年凍融循環次數等進行了全面的調查和測試。通過調研和測試,得到如下結論:

(1)大橋所處地區,冬季漫長,氣候嚴寒,年平均無霜期約為150 d,冰凍期約為120 d。凍融循環主要集中在11月、12月份以及來年的1月～3月份。溫度監測結果顯示,大橋所在地區的年凍融循環次數約為120次。由此可見,大橋混凝土結構易受凍融循環作用影響。

(2)松花江江水以及大橋附近降水的pH值均大于5.6(酸雨限值),由此可以判定酸雨對大橋混凝土結構的腐蝕影響可忽略不計。江水及河床泥土中的氯離子含量微少,對混凝土中鋼筋的侵蝕極小。

(3)需要考慮碳化對大橋結構混凝土的影響。

(4)松花江一年當中徑流量較大月份為5月～9月,水位也相應較高,因此,需要考慮江水對大橋橋墩及基礎的沖刷。

[1] 金偉良,趙羽習.混凝土結構耐久性[M].北京:科學出版社,2002.

[2] 張 譽,蔣利學.混凝土結構耐久性概論[M].上海:上海科學技術出版社,2003.

[3] 尚巖,杜成斌.基于細觀損傷的混凝土力學性能數值模擬研究進展[J].水利與建筑工程學報,2004,2(1):23-28.

[4] 牛荻濤,王慶霖,王林科.銹蝕開裂前(后)混凝土中鋼筋銹蝕量的預測模型[J].工業建筑,1996,26(4):8-10.

[5] 李永和,葛修潤.鋼筋混凝土結構腐蝕損傷裂紋擴展軌跡模擬與數值分析[J].土木工程學報,2003,36(2):1-5.

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[7] 惠云玲.混凝土結構中鋼筋銹蝕程度評估和預測試驗研究[J].工業建筑,1997,27(6):7-10,50.

[8] 曹雙寅.混凝土裂縫在受彎構件承載力評估中的作用[J].工業建筑,1994,24(7):85-90.