曹妃甸工業區西通路高架橋耐久性設計

張元凱

（上海市政工程設計研究總院（集團）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-混凝土組合結構，橋面寬度29.5 m，鉆孔灌注樁群樁基礎。該橋主梁采用疊合梁結構，混凝土橋面板采用先預制后澆濕接縫的方法施工，結構設計基準期100 a?；炷翗蛎姘宓哪途眯允谴髽蛟O計、施工和管理中的重要課題。其加勁梁標準斷面見圖1所示。

圖1 加勁梁標準斷面圖（單位：mm）

2 環境條件

工程所在地屬于大陸性季風氣候，具有明顯的暖溫帶半濕潤季風氣候特征。季風影響較大，冬季盛行偏西北風，春、夏季盛行偏南和東南向風，氣候變化復雜，冬冷夏熱，四季分明。大橋處于填海造地工程之上，受風、浪、流、霧等影響較大。100 a一遇風速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。根據水質分析，在Ⅱ類環境下，地表水和地下水對混凝土結構、鋼筋混凝土結構中的鋼筋均具有強腐蝕性，對鋼結構具中腐蝕性。

根據水質分析，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類環境下，地表水機地下水對混凝土結構具強腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具強腐蝕性，混凝土防護為三級防護。表1為橋址處水質狀況一覽表。

表1 橋址處水質狀況一覽表

3 技術措施

3.1 設計思路

該工程為海洋性大氣環境，海洋環境下的建筑物由于腐蝕因素的影響，不進行防護是不能達到設計壽命要求的，尤其是提出較長設計年限的工程，不采取措施，更是難以達到要求。處于海洋環境下的混凝土構筑物，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構耐久性設計中是關鍵性的影響因素。在該工程中，混凝土橋面板采用預制板，減小了成橋階段混凝土收縮的同時，也提高了混凝土的質量。主梁采用預應力結構，結構的耐久性通過采用的高性能混凝土的良好密實性和適當的混凝土保護層厚度來保證。

3.2 具體措施

3.2.1 采用高性能混凝土

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

3.2.2 設計最小混凝土保護層

試驗顯示即使是低水灰比、高質量的混凝土，在暴露于有氯鹽存在的環境中，混凝土表面12mm深度內的氯離子含量遠遠超過25～50 mm深度范圍內的氯離子的含量。因此在海洋環境中的工程，混凝土保護層的厚度應比一般的混凝土保護層厚度要大一些，同時還要考慮施工偏差的因素。對于該橋，橋面板處于Ⅱ類環境，交通部《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD62-2004）中規定的最小保護層厚度為40 mm，該橋最小保護層取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件不可避免的要發生開裂，這是混凝土結構的一個自然現象。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）強制變形引起的開裂。鋼筋最小面積通過設計規范條例確定。

（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致構件突然破壞（鋼筋能承受開裂之前由混凝土承擔的那部分拉力而不發生屈服）的鋼筋面積和作為假定鋼筋在荷載下達到允許最大應力情況下能保證穩定的開裂模式（穩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算基于最終鋼筋面積和正常使用荷載下鋼筋的應力，按規范要求，計算得出的最大可接受的裂縫寬度為0.15 mm。

3.2.5 預應力筋的特殊保護

預應力鋼筋在已有產品中選擇時選用有長期性能良好紀錄的完整的預應力系統，包括預應力鉸線、套管、連接裝置和錨固裝置。

該橋為體內有粘結的預應力系統，錨固和灌漿質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措施：

（1）套管應是帶有認可的水密和氣密連接系統的波紋管，采用塑料波紋管。

（2）采用真空灌漿，保證灌漿的密實性。

3.3 施工要點

為保證上述技術措施的順利實施，對高性能混凝土的原材料、配合比、拌制、澆筑、養生等施工環節制定相應的質量保證措施。

（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控制在2×10-4以下，對于現澆接縫采用的微膨脹混凝土（補償混凝土），微膨脹混凝土水中養護14 d最小限制膨脹率大于等于2.5×10-4。隨后恒溫養護28 d最大收縮率小于等于3.0×10-4。

（3）為保證預制板質量，混凝土坍落度應控制在5～8 cm。

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

（5）常溫下，高性能混凝土應至少保濕養護15 d，氣溫較高時可適當縮短濕養護時間，氣溫較低時，應適當延長濕養護時間，宜采用淡水養護。

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

（7）橋面板濕接縫混凝土易產生收縮性表面裂縫，因此在進行配合比設計時，應考慮采取適當的防裂措施，施工時做好保溫、保濕工作。在混凝土中摻入高模量、高強度復合纖維，以提高混凝土橋面板的抗裂性，減小收縮率，提高密實度。

（8）混凝土強度的評定按《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1-2004）有關規定執行。確定配合比前，進行混凝土電通量和Cl-擴散系數的檢測。

4 結語

根據西通路高架橋主橋處于渤海灣填海造地工程上的環境條件、橋梁結構特點，對橋面板進行了耐久性設計，提出了滿足設計基準期100 a的技術措施及施工要點。合適的施工技術措施與嚴格的質量控制是結構耐久性保證的前提。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計提供了參考。

[1] JTJ 275-2000，海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范[S].

[2] 上海市政工程設計研究總院.曹妃甸工業區西通路高架工程施工圖設計文件[Z].