国外跨海大桥的耐久性研究

1 国外跨海大桥的耐久性研究国外跨海大桥的耐久性研究 王晓刚 盛黎明 张煅 随着我国改革开放的不断深入和沿海城市的不断发展 我国跨海大桥的数量和规 模也与日俱增 其中不少桥梁暴露出缺陷 更有一些桥梁在远没达到设计预期寿命时 就出现耐久性能严重退化的现象 甚至出现倒塌等毁灭性的事故 造成非常严重的经 济损失 1987 年 美国有 25 3 万座混凝土桥梁存在着不同程度的劣化 平均每年有 150 200 座桥梁部分或完全倒塌 寿命不足 20 年 修复这些桥梁需要 900 亿美元 1992 年 英国宣布禁止在新建桥梁中使用管道压浆的体内有粘结力筋的后张结构 这 使得桥梁的耐久性问题引起了工程界的高度关注 耐久性的提高将是 21 世纪桥梁技术 进步的重要标志之一 20 世纪后半叶 国外许多跨海大桥如加拿大的诺森伯兰海峡大桥 丹麦的大贝尔 特海峡大桥和日本的本四联络桥等都明文指出设计寿命 100 年 甚至美国的奥克兰跨 海大桥的明文指出设计寿命应达到 150 年 本文将介绍国外对于跨海大桥的耐久性方 面采取的一些技术与措施 1 加拿大诺森伯兰海峡大桥 联邦大桥 加拿大诺森伯兰海峡大桥 联邦大桥 诺森伯兰海峡特大桥也叫联邦大桥 位于加拿大的诺森伯兰海峡 设计寿命为 100 年 该桥长为 12930m 跨度为 14 93m 165m 43 250m 165m 6 93m 有效宽度 为 11m 两车道 桥下净高为 28m 一般位置 和 49m 航道位置 设计寿命达 100 年 图 1 海峡最窄处约 13km 冬季的气象条件非常恶劣 海峡为冰冻封闭 在设计中对桥 梁结构的最大制约条件为冰块与风产生的横 侧 向荷载 每个桥墩高达 30MN 的横向 水平荷载必须由抗剪强度很低的不连续的泥岩层来支承 1 11 1 设计设计概念概念 影响本桥的设计与施工的主要因素为诺森伯兰海峡的恶劣气象条件和较短的施工 季节 为使包括养护管理费用在内的长期的资金计划在将来没有很大的出入 要求结 2 构物的各部分构件能发挥出最大的耐久性 制定了以下一些条件 在现场的气象条件下应有优越的施工性能 水下与海上作业应尽量减少 应具有已施工的实践资料 使用寿命应在 100 年以上 图 1 诺森伯兰海峡大桥全桥布置 1 21 2 桥桥梁梁设计设计 主桥部分采用 250m 的跨度 上部结构与下部结构都是预制拼装构造 图 2 主 桥部分的预制构件有墩座 带有防冰体的墩身 梁的主节段 与嵌入节段等 4 种类型 3 图 2 混凝土结构方案 墩身的上部是变截面的八角形空心构造 下部设有底部直径为 20m 的圆锥形防冰 体 此防冰体位于海面标高处 设置目的是为了要减少冬季的冰压力 防冰体的混凝 土强度为 100MPa 墩身预制件的总重量约 4000t 墩身预制件与墩座之间的连接部分 设置有剪力键 高强度压浆以及 U 形预应力钢索 提供后张预应力 梁体采用单室箱梁 主节段的长度为 190m 主节段的墩顶部分被称为锤头 为了 减轻其重量 锤头部分采用钢制的 A 形横隔构架作为横隔梁 图 3 图 3 联邦桥下部结构 单位 m 组成主桥上部结构的另一构件是嵌入节段 此梁段长约 60m 其重量为 1200 t 4 嵌入节段分为两种类型 用于锚跨的合拢节段 用于伸臂之间的悬挂节段 后者两端 与伸臂端之间采用铰接 本土侧与爱德华王子岛侧的引桥分别采用 14 孔与 6 孔标准跨度为 93m 的连续梁结 构 引桥部分的桥墩与基础设有针对风力 波浪力与冰压力的剪力键 由于所在位置 为浅滩 故下部结构采用就地浇筑方法施工 1 31 3 混凝土的混凝土的规规格要求格要求 由于诺森伯兰海峡大桥的设计使用寿命为 100 年 而且又建于海洋环境之中 因 此混凝土应具有高耐久性能 本桥结构物老化的主要因素为盐份的浸入引起钢材腐蚀 骨料的碱性反应 硫酸盐作用 冻结与融解作用以及冰块对混凝土的摩擦损伤作用等 为了抵抗这些主要因素 要严格选用优质材料来创造高强度与高耐久性的混凝土 对所有的预制构件使用掺有 7 8 硅粉的水泥 10SF 型水泥 在加拿大东部很 广的范围内都存在有骨料的碱性反应问题 因此除了指定采用低碱水泥之外 在所有 的混凝土中都掺用火山灰质混合料 混凝土的最大水灰比为 34 设计标准强度在 28 天龄期为 55MPa 90 天龄期为 60MPa 全部采用加气混凝土 并采用泵送浇筑 对混凝土进行收缩与徐变试验 冻融 试验 盐化物浸透试验 抗磨损试验等 联邦大桥所用的结构混凝土的设计要求和配合比列入表 1 中 表 1 联邦大桥的设计要求和高性能混凝土的配合比 混凝土结构要达到长期的耐久性 主要就是保证埋设钢筋和后张预应力筋的混凝 土表层 保护层 的质量 而混凝土保护层的质量反过来又取决于养护的有效性 养 护不好就会导致高性能混凝土达不到质量要求 5 由于构件的尺寸和冬季施工的缘故 潮湿养护是不实用和不可靠的 因此对其他 的养护方法进行了比较 例如水养护 薄膜养护 在钢模中养护 5d 以及这些方法的 组合的养护 可得出下列结论 1 符合美国试验与材料学会 ASTM 标准最低要求的养护化合物 不能防止混 凝土表面的干燥 一种固体含量较高的水基养护化合物 在防止混凝土干燥方面是有 效的 2 氯离子快速渗透性试验和氯离子扩散性试验表明 无论混凝土保护层是采用 潮湿养护或是薄膜养护 其测定值几乎是相同的 3 氯离子快速渗透性试验表明 不考虑模扳中养护时间的长短 混凝土长期的 结果差别不大 4 高性能混凝土受养护温度的影响较大 而对水份是否存在的影响较小 5 不考虑模板中养护时间的长短 薄膜养护对于减少水份的损失 是有利的 1 41 4 桥桥梁寿命的梁寿命的评评估估 为了对防蚀保护系统进行更广泛的评估 得出了一系列理论性的氯离子关系图 这些图是利用试验结果和 Fick 第二扩散定律得出 以便绘制出氯离子密度与时间的关 系曲线 图 4 是基于氯离子的扩散系数为 4 8 10 13m2 s 根据在诺森伯兰海峡中测定 的氯离子浓度 2100ppm 钢筋的混凝土净保护层厚度为 75mm 而绘制的 该评估拟用 来代表海水溅射区或潮汐区的混凝土 钢筋锈蚀率最大的地方 根据图 4 中的数据 一般认为氯离子含量的临界值为水泥重量的 0 4 相当于 1 6kg m3 直到 60 年左右 也不会超过上述临界值 图 4 氯离子密度与时间的关系曲线 然而达到理论上的锈蚀临界值 并不意味着马上就会发生明显的锈蚀 钢筋的锈 6 蚀速率取决于许多因素 包括温度 氧气和混凝土的电阻率 如果混凝土的电阻率很 高 钢筋的锈蚀率就会很低 可能比普通混凝土的锈蚀速率低 10 这就能把钢筋失 去钝化到混凝土开始剥落的期限推迟 3 30 年 研究已发现 高性能混凝土的扩散系数是随着时间的推移而逐渐减少的 可以预 计 钢筋失去钝化所需要的时间 应比设想的 60 年更长些 把所有这些因素都考虑进去 只要进行适当的检查和预防性维修 在 100 年的结 构设计寿命期间 技术规范规定的高性能混凝土应能有效地保护埋设钢筋不被锈蚀 2 丹麦大贝尔特海峡大桥丹麦大贝尔特海峡大桥 大贝尔特海峡长 18km 由中间的斯波劳岛将海峡分成东西两部分 东海峡包括铁 路隧道和公路悬索桥 大贝尔特海峡大桥 西海峡由并列的铁路桥和公路桥组成 海 峡大桥的设计寿命为 100 年 2 12 1 悬悬索索桥桥的的设计设计 大贝尔特海峡大桥是悬索结构 图 5 桥梁垂跨比为 1 9 采用 3 跨连续结构 这样加劲梁在风荷载作用下横向变位较小 而且可减少伸缩缝 养护管理方便 为减 小加劲梁因活载引起的顺桥向变位 在跨中设置了中央扣 并在梁端设置了液压缓冲 器 这样支座和伸缩缝的移动量可减小 且主缆和加劲梁之间顺桥向的相对变位也小 还可减小跨中短吊索的疲劳 图 5 悬索桥总体图 单位 mm 7 8 9 2 1 12 1 1 加劲梁加劲梁 加劲梁要满足抗风稳定性的要求及结构要求 加劲梁具有很大的抗扭刚度和大的 高跨比 以提高颤振的发振风速 验算风速为 60m s 加劲梁由宽 4m 长 24m 的梁段 组装 再以两段拼装成 48m 长的梁段架设 架设重量约为 530t 加劲梁宽度为 31 0m 高 4 0m 材料为 Fe510D 高强钢 屈服强度 350MPa 抗 拉强度 510MPa 10 11 2 1 22 1 2 设计依据设计依据 首先确定了悬索桥的几何构造 设计荷载 设计方法 荷载组合 荷载系数 材 料强度及材料安全系数 活载的均布荷载为 4872kg m 线荷载为 119t 疲劳验算活载如图 6 和表 2 反复 次数每车道 100 年间为 2 104次 风载的设计风速 在 10m 高处 10min 的平均风速为 31 37m s 阵风系数为 0 5 不考虑地震荷载 12 13 14 15 图 6 疲劳验算活载 表 2 活载参数表 接触面积 车轴 轴荷重 kN a mm b mm 1 2 3 80200260 4115200600 565200230 设计方法用极限状态设计法 本桥在设计荷载下产生的应力或变形是由各种荷载 乘以荷载系数组合的荷载经计算得出 荷载系数及组合由考虑的极限状态确定 弹性 极限状态的荷载系数和组合如表 3 所示 B2 1 的荷载组合是主缆的控制荷载 在使 用极限状态下 材料的安全系数标准为 1 0 在破坏状态下 安全系数的设定见表 4 表 3 弹性极限状态的荷载系数及组合 表 4 材料的安全系数 对抗拉强度安全系数为 1 65 对屈服强度安全系数为 1 35钢 材 对摩擦连接的滑动安全系数为 1 40 16 对抗拉强度安全系数为 2 00 主 缆 对索夹的滑动安全系数为 1 65 对抗拉强度安全系数为 2 30 吊 索 异常时用折减后的材料安全系数 2 1 32 1 3 结构分析结构分析 吊桥主要结构的设计采用三维框架模型或有限元模型靠电算分析 得到主缆 锚 碇 索鞍 吊杆 加劲梁等主要构件的内力 再将这些内力分别加到各构造物的 FEM 上 进行各构件内力的详细分析 确认其安全性 不仅作了静态分析 还进行了动态分析 用整桥框架模型进行固有频率的分析或 阵风反应分析 并与风洞试验的结果进行比较 另外 还进行了吊杆的振动分析来确 定是否需要采取阻尼措施 2 1 42 1 4 构造特性构造特性 在锚碇之间的加劲梁是连续的 这样不仅能确保有足够的刚性来抵抗因水平方向 的风荷载引起的变形 而且减少了伸缩缝 加劲梁只是在主塔位置处桥横向固定 在设计时分析了竖向支座的必要性 认为 竖向支座只是对加劲梁的扭转起作用 而对整桥的空气动力稳定没有影响 所以成桥 时没设竖向支座 为限制加劲梁的移动 在梁端设置了缓冲器 加劲梁的缓慢移动可 允许到 1m 对快速移动的抵抗反力传至锚碇 2 22 2 缆缆索的索的设计设计 2 2 12 2 1 主缆主缆 主缆以空中编缆法 AS 法 架设 主缆直径为 0 827m 钢丝直径为 5 38mm 由 504 根钢丝组成一股 共 37 股 钢丝总根数为 18648 根 主缆有效截面积为 0 424m2 钢丝的抗拉强度最小为 1570MPa 主缆能承受的最大拉力为 665MN 主缆的最大缆 力处于主塔处的边跨间 最大为 331MN 主缆的安全系数为 2 0 主缆的二次应力最大 值出现在塔顶与第一根吊杆之间 通过平面有限元分析 确定了塔与第一根吊杆间的 距离 2 2 22 2 2 索鞍索鞍 塔顶索鞍采用铸焊结构 鞍槽铸钢用 BS3100GrA4 其强度 b 549 690MPa y 320MPa 钢板用 DS 630 Fe 17 510D b 510MPa y 350MPa 在鞍部有索槽 缆中心的曲线半径为 7m 鞍槽的 支承部分由纵肋和横肋组成 索鞍内部设置了除湿机 塔顶索鞍的设计荷载采用最大缆力 331MN 331MN 的缆力对鞍槽的竖直荷载及对侧 壁的水平荷载加到有限元模型上 验算塔顶索鞍的安全性 根据三维有限元分析出来 的横肋及纵肋的应力分布 纵肋间距对鞍部应力分布影响很大 而且纵肋的间距及鞍 底部的厚度决定着鞍下横肋的应力分布 设计初期在横肋之间的纵肋上均设有人孔 但人孔周围的应力集中很大 后改为隔一横肋设一人孔 散索鞍采用摇轴式 也用铸焊结构 材料与塔顶索鞍相同 在鞍部设有和索股布 置相同的鞍槽 沟槽底部半径为 7 5m 支承部分由外侧板和内部补强板组成 散索鞍的设计荷载是 297MN 用该缆力产生的竖直和水平荷载加到三维有限元模 型上 确定散索鞍的安全性 索股锚靴用铸钢 BS3100GrAl 抗拉强度 b 430MPa 螺杆用锻钢 BS970 817M40T b 850 1000MPa y 690MPa 锚靴按散索鞍形状设置了竖直放射点和 水平放射点 锚靴的强度储备比因螺杆弯曲产生的二次应力最大值大 20 2 2 32 2 3 索夹索夹 索夹结构采用上下两半式 索夹材料用铸钢 钢号为 BS3100GrA4 其强度 b 549 690MPa y 320MPa 螺杆为锻钢 钢号为 BS970 817M40V 其强度 b 850 1000MPa y 680MPa 索夹设计必须满足下列 5 项要求 对吊杆实际拉力在主缆方向上的分力 索夹具有 1 65 的抗滑安全系数 对吊杆破断强度下在主缆方向上的分力 索夹具有 1 0 的抗滑安全系数 导入的预紧力和实际吊杆拉力之和对索夹引起的应力 索夹的设计强度具有 1 35 的安全系数 对超预紧力在索夹上产生的应力 索夹的设计强度具有 1 0 的安全系数 对预紧应力减小了状态下的索夹 即使在使用极限状态荷载组合乘以荷载系数 1 7 的吊杆拉力作用下 索夹与主缆之间也不发生间隙 2 2 42 2 4 吊索吊索 吊索采用镀锌平行钢丝 外包 PE 管 吊索上端与索夹铰接 下端与加劲梁承压连 接 镀锌钢丝强度 b 1570 1870MPa 18 吊索按以下 3 种工况进行设计 a 平常 弹性极限状态下荷载产生的拉力 吊索的抗拉强度具有 2 3 的安全系数 b 更换时 吊索更换时 与其相邻的吊索 限制部分车道 弹性极限状态下荷载 对相邻吊索引起拉力 对这种拉力 吊索的抗拉强度具有 2 0 的安全系数 c 断裂时 在与破断吊索相邻的吊索位置 考虑了使用极限状态的荷载引起的冲 击系数 1 0 破断引起相邻吊索产生拉力 对这种拉力吊索抗拉强度具有 1 5 的安全 系数 此外 两组吊索断裂时 相邻吊索不考虑冲击而产生拉力 对这种拉力吊索强 度具有 1 5 的安全系数 19 20 3 美国奥克兰跨海大桥美国奥克兰跨海大桥 美国奥克兰海湾大桥是一座具有单钢塔 双跨 非对称性以及自锚等显著特征的 悬索桥 图 7 全桥总长 3075m 该桥主跨 385m 并带有一个 180m 的后跨 墩高 14 36m 根据桥梁设计使用寿命要 150 年的要求 图 7 奥克兰海湾大桥 西桥 在此桥的设计过程中 考虑了很多地质和地震条件 地震条件是用 1500 年重现期 的地震强度 设计 150 年寿命的桥梁 要求在哈瓦特裂缝 Hayward fault 产生 7 25 级地震或珊 安德里斯 San Andreas 裂缝产生 8 级地震后桥能立即继续使用 3 13 1 塔塔 钢桥塔用四柱加横斜组成 因其刚度足够而地震时变形量较大 可以吸收部分能 量 柱梁联结用螺栓 取其易于修复 钢塔曾在圣迭戈大学做模型试验 塔基支承于 13 根 2 5m 钢管桩 桩顶处为八角形桥墩底座 它们之间 以钢剪 力环或剪力键连接 空隙间填入混凝土 垂直和纵横向地震力 由钢结构直接传递 混凝土起到稳定钢结构形状和防止钢结构锈蚀的作用 钢管壁厚 20mm 亦为备锈蚀之 用 3 23 2 梁梁 标志孔采用分离式双箱梁 正交异性板桥面 两箱之间用 10m 宽 30m 间距的横 梁相连 然而箱梁内横隔板间距为 5m 与吊索间距相称 钢面梁与塔无纵 横向水平 联结 为悬浮结构 使塔受地震力时水平力为最小 3 33 3 索索 新奥克兰湾桥为独塔 索在塔顶集中在桥中线 到梁端分散到梁外侧 所以吊索 21 成两个倾斜面 这一布置对梁的横向抗震刚度和抗风刚度有好处 3 43 4 主主缆缆 在奥克兰海湾新桥中所使用的主缆是一个单索系统 直径为 0 78m 的主缆由 17400 根相互平行的 5 4mm 高强镀锌钢丝组成 其钢丝的标定强度为 1800MPa 对奥克兰海湾自锚式悬索桥的主跨而言 很大的精力被用来确定一种最可靠的主 缆系统 以保证海湾大桥作为该地区一条能够 150 年设计寿命的运输生命线 奥克兰 海湾新桥主缆的建造采用预制平行丝股法 PWS 这种方法通过张拉多股钢绞线或成 束钢丝 预先编好各股钢丝 得到主缆 由钢丝束组成的索股 由于其单位长度上具 有较大重量 所以架设之后更加稳固 并且受风作用的影响也较小 运用 PWS 法可以 在一次操作中对整束钢丝进行垂度调节 4 日本本州四国联络桥日本本州四国联络桥 本州与四国联络线的三条线路自西往东为 尾道 今治线 儿岛 坂出线 神户 鸣门线 4 14 1 上部上部结结构构设计设计 4 1 14 1 1 抗风设计抗风设计 根据设计风力进行静态计算时 应求出应力和变形 并要验算压曲失稳 一般桥 梁在恒载 风力 温度的荷载组合下容许应力提高系数为 1 35 但本四桥由于考虑了 自然风的变化特征和结构物的反应特性 不能预计的因素有所减少故提高系数取 1 50 日本 标准 中规定 对跨度大 刚度小 容易变形和振动的吊桥 斜拉桥以及 宽高比较大的钢箱梁桥等均要进行风洞试验 主要是箱梁及桁梁的自激振动 以及箱 梁 腹杆挡风面积率较大的桁架和主塔架设时的涡流振动 如门崎高架桥为了控制涡 流振动的振幅采用双风门 柜石岛和岩黑岛斜拉桥的主梁为了防止在 20 30m s 的风 速时发生振幅约 30cm 的挠曲振动而设置了三角形的流线型风嘴 4 1 24 1 2 抗震设计抗震设计 设计方法是以反应谱法为基础的 加速度应反谱曲线是根据日本建设省土木研究 所制成的日本全国 20 次地震中 44 种加速度反应谱曲线的平均值 对上部结构采用的 22 衰减 阻尼 常数一般为 2 对下部结构为 10 对于悬索桥 抗震设计的原则是对全桥振型采用上述加速度反应谱曲线进行动态 计算 这是由于组成悬索桥上部结构的主缆 吊索 加劲梁 主塔等其刚度差别很大 振动特性也随之不同的缘故 4 1 34 1 3 疲劳设计疲劳设计 1 早期的疲劳设计 1974 年 3 月 日本制订的有关疲劳设计的 标准 反映了当时各方面所做的试验 结果 并参考了国铁的设计标准 将 40 80kg 级钢材的容许疲劳应力加以统一 其标 准为反复 200 万次 非破坏保证率 95 各种接头分类对承受轴向应力的分为 4 级 对承受剪应力的分为 3 级 2 大型疲劳试验的成果 分别对手焊试件和埋弧焊接试件做了疲劳试验 手焊试件的疲劳裂缝开始发生于 焊根处未焊着部分或烧穿部分 埋弧焊接试件的疲劳裂缝开始发生于焊根气孔处 当 气孔较大时疲劳强度较降低 1 级的数值还低 疲劳试验结果说明在疲劳次数极少时就己开始出现疲劳微裂缝 即疲劳寿命很大 程度上取决于疲劳裂缝的扩展 3 高强厚钢板的疲劳强度与单双侧焊接隔板的比较 为了验证本四桥中出现的高强厚纲板的疲劳强度 进行了 HT80 钢材肋板十字接头 的大型疲劳试验 此外 为了将单测焊接的封闭型隔板的疲劳特性与双侧焊接的比较 还进行了 H 形正面填角焊肋板十字接头的大型疲劳试验 试验结果皆满足设计寿命曲 线 前者表明板厚对疲劳强度基本上没有影响 后者表明当应力范围大于约 13kg mm2 时单双侧焊接的疲劳强度大致相同 小于 13kg mm2时则以双侧焊接较高 单侧焊接时 裂缝从根部发生 双侧焊接时裂缝从焊趾处发生 4 填角焊缝焊趾形状的影响 焊趾形状取决于缺口半径 或称焊趾半径 和接线角 或称侧面角 试验 结果表明疲劳强度有随 增大而提高的倾向 值较高时焊趾部分都是先发生单一 的半椭圆形裂缝 最后发展到断裂 值较小时则先同时发生较多的裂缝 最后发展 到彼此连在一起而断裂 因此控制 值对保证疲劳破坏的安全性是有意义 标准 规定 120 23 4 4 2 2 缓缓冲梁冲梁轨轨道伸道伸缩缩装置装置 吊桥和斜拉桥就其总体来说是柔性结构 梁端会产生较大的转角和伸缩 南备赞 大桥虽已采用连续加劲梁 梁端最大转角仍达 9 98 大鸣门桥由于采用双铰加劲梁 主塔处梁端转角量超过 30 一般铁道中的转角量最多约 3 5 南备赞大桥梁端大 伸缩量为 60cm 最大缝隙为 120cm 鸣门桥则为 90cm 最大缝隙 180cm 一般铁 道桥的钢梁梁端缝隙最大约 15cm 长轨也只试制过最大缝隙为 40cm 的伸缩接头 为 此研制了缓冲梁轨道伸缩装置 本四桥中采用的 1500 型缓冲梁轨道伸缩装置能适应最 大缝隙量为 1 5m 0 75m 4 34 3 涂料涂料 由于海上桥梁受到海盐微粒的影响较大 钢梁涂层比内陆桥梁更快恶化 因此 本四桥全部采用锌系长期防锈型涂料 此类涂料系列共有 9 种型号 N1 型涂料用普通油性涂料作基础 只适用于腐蚀不太严重的陆上桥梁 N2 型涂料用厚膜型无机富锌漆作衬底 并用盐化橡胶系涂料作着色面层 曾使用 于大三岛拱桥箱型截面的外表 N3 型涂料用喷锌代替 N2 型中无机富锌漆 防锈效果更佳 但由于喷锌作业几乎 全由手工操作 施工效率较差 N5 及 N6 型的区别和 N2 及 N3 型的区别一样 但底层皆采用环氧树脂涂料 其耐 水性和粘着力较优 面层则采用耐候性特优的聚胺脂涂料 因此 N5 及 N6 型被认为是 本四桥主体外表涂装中耐久性最佳的型号 但此两型的涂料对湿度非常敏感 各层涂 料之间的时间间隔有严格要求 因岛大桥 大鸣门桥的主塔及加劲梁均采用 N5 型涂料 今后的大跨度海上桥梁也预定采用此型 N8 N10 及 N11 型涂料是由无机富锌漆和耐水性能优越的焦油环氧树脂结合面成 但因焦油环氧树脂限于黑色或茶色 故只宜用于人们不常见到的部位 当桥面板底下 使用时要注意由于铺设沥清受到热的影响会产生气泡或剥落 N10 型中的 类涂料系 列 其最终面层为铝漆 曾用于大三岛桥 因岛大桥及大鸣门桥的拱肋或主塔箱内表 面 有辅助照明的效果 N12 型涂料规定用于桥面板顶面 目的是在铺设桥面铺装层之前作防锈用 最近 又为新的 N13 型所代替 综上所述 9 种型号的涂料 各有其适用环境和优点 但都能起到扬长避短的作 24 用 加上对钢材表面的加工处理 涂层膜厚的控制 操作方法等还有许多指示性的要 求 不能不认为本四桥在钢材涂装方面是考虑得比较周到的 5 跨海大桥的耐久性及防腐跨海大桥的耐久性及防腐 海洋混凝土构筑物时刻受着多种环境因素的侵蚀作用 为了提高构筑物的防侵蚀 效果 有的采用外涂 如在混凝土表面涂刷各种防腐蚀涂料等 和内掺 如在混凝土 中掺加钢筋防锈外加剂等 措施 但就桥梁自身来说 应巩固和增强混凝土自身的优 势 提高其强度和密实性 尽量避免暴露构筑物的劣势 防范钢筋的生锈 而提高混 凝土构筑物的安全性和耐久性 5 15 1 影响影响桥桥梁耐久性的主要因素梁耐久性的主要因素 1 混凝土的强度是一切优良性能的基础 高强度混凝土可以有效地提高构筑物的整体性能和应有的结构强度 可以很好地 应付诸如冰块撞击和海浪冲刷等外力作用 高强度混凝土与中低标号的相比有很高的 抗拉强度 可以有效地抵抗海水侵蚀构筑物 避免混凝土表面出现裂缝 国内外在这 些领域都正在从 60MPa 向 100MPa 的高强度混凝土迈进 2 高强度混凝土的水泥用量较多 在混凝土中 水泥用量一般为 300 550kg m3 随着水泥标号的提高 促进了混凝 土向高强度化发展 并且 水泥用量也在增加 水泥用量多时可以长期保持混凝土应 有的碱性 这对于抵抗 CO2向构筑物缓慢侵渗带来的混凝土碳化 以及保护钢筋不被 锈蚀等都十分有利 3 提高混凝土的密实性 混凝土的密实性提高 则孔隙率减小 Cl CO2和 SO42 等的渗进量和渗进速度都 相对减弱 对于提高构筑物的抗侵蚀性能很有利 提高混凝土的密实性与原材料的品 质 级配等配合比例有密切关系 作为外因的震捣设备 操作水平和管理制度也直接 相关 因此 海洋混凝土构筑物的施工应当加强这方面的工作力度 4 混凝土保护层需要加厚 由于 Cl CO2和 SO42 等向混凝土构筑物的孔隙渗进 腐蚀钢筋的钝化膜 钢筋的 锈层膨胀 以及在混凝土的孔隙中生成有膨胀性的钙矾石等 严重时都将导致混凝土 保护层裂缝 危及构筑物的肌体 因此 海洋混凝土构筑物应当采用较厚的混凝土保 护层 一般规定保护层厚不少于 50mm 如果条件允许 可以增厚至 70mm 或 90mm 最 25 大厚度可超过 l00mm 这对于保证混凝土构筑物阻挡海水中 Cl CO2和 SO42 等的时刻 持续渗进是很有必要的 5 提高混凝土的电阻率 降低水灰比 增加水泥的用量和在水泥用量较多的混凝土中加入硅灰可提高混凝 土的电阻率 在电阻率大于 500 m 的密实混凝土中 可大大抑制钢筋的锈蚀 较高的电阻率是混凝土的一种优良性能 它在防止钢筋过早锈蚀方面 甚至比氯 离子渗透率较低的性能更为重要 普通混凝土在潮湿的环境中具有 50 m 的电阻率 加拿大诺森伯兰海峡大桥所用的高性能混凝土的电阻率为 470 530 m 6 关于构筑物局部加粗加厚 在混凝土构筑物的局部表面 既受海水中各种有害物质的侵蚀 又受海浪的剧烈 冲刷的易耗损部位 有必要做局部加粗加厚处理 5 25 2 跨海大跨海大桥桥的防腐技的防腐技术术 导致钢筋混凝土构件腐蚀破坏的原因是海水中 Cl 氯离子 通过混凝土中的孔隙 细微裂缝渗入至钢筋表面积聚 改变了混凝土的碱性 破坏了钢筋表面的钝化膜产生 电化学腐蚀 即诱发铁原子失去电子成为铁离子 腐蚀产物体积膨胀使钢筋混凝土保 护层开裂以致构件破坏 为了提高钢筋混凝土的耐久性 合理采取防腐技术措施 对 提高钢筋混凝土结构物的耐久性 延长使用寿命 是一种积极有效的补救方法 对于跨海大桥 其修复及防腐蚀技术主要有 1 凿除混凝土 局部修补 凿除已裂损处的混凝土保护层 对钢筋进行除锈及补强 钢筋截面锈蚀损失较大 时 后 用普通水泥砂浆 或混凝土 人工涂抹 或高压喷涂 恢复原构件的截面 2 钢筋混凝土表面有机涂层防腐 在方案 1 的基础上 采用有机涂料涂层进行全面封闭 涂层材料有环氧型涂料 丙苯乳液涂料 氧化橡胶涂料 磺化聚乙烯防腐涂料等等 该方法对阻止海水中 Cl 对 混凝土的侵入 减缓其对混凝土的腐蚀程度起到了一定的作用 3 钢筋混凝土表面无机涂层防腐 同方案 2 的原理 该法采用的覆盖层材料为无机聚合物改性水泥砂浆 如丙乳 砂浆防渗修补材料 4 外加电流阴极保护 26 在混凝土构件表而覆盖一阳极材料 通过直流电源强制钢筋成为阴极 并维持一 定的阴极电流密度 使钢筋成为电子富裕而免遭腐蚀 5 35 3 日本沿海混凝土日本沿海混凝土桥桥的防腐的防腐 日本山形县温海地区因盐害腐蚀受到损伤的桥梁如表 5 所示 有 15 座混凝土桥 桥梁高度大致在 6 10m 大部分架设在渔港的海岸礁岩地带 由于日本海特有的季风 撞到礁岩破碎的海波变成盐水飞沫落到桥梁上 条件恶劣 表 5 遭受盐害腐蚀的桥梁 桥梁名称形式桥长 m跨数架设年份架设场所 早田陆桥PC 连续箱梁 98 231962 渔港上 小岩川陆桥PC 后张法 T 形梁 235 991965 渔港上 分水线 岩川大桥PC 后张法 T 形梁 336 991966 河口 分水线 港桥PC 后张法 T 形梁 117 541966 渔港上 温海川桥PC 后张法 T 形梁 70 031971 河口 大岛陆桥PC 先张法空心板 43 631971 渔港上 温福陆桥PC 后张法 T 形梁 156 761971 渔港上 米子陆桥PC 后张法 T 形梁 35 711965 渔港上 暮坪陆桥PC 后张法 T 形梁 144 051965 渔港上 坚苔泽一号桥RC 空心板 20 011965 沿海岸斜面 坚苔泽二号桥RC 空心板 45 331965 沿海岸斜面 坚苔泽三号桥RC 空心板 220 0111965 沿海岸斜面 小波渡陆桥PC 后张法 T 形梁 86 931964 渔港上 三濑陆桥PC 后张法 T 形梁 70 521964 渔港上 三濑桥PC 后张法 T 形梁 34 721963 300m 内陆 日本针对盐害腐蚀的状况 采取了以下的方针对策 防止新的盐分和氧的供给 钝化损伤的进行或使其停滞 考虑相应的能够修补裂缝和挠度的方法 考虑有强度的修补方法 以上主要考虑修补 但损伤的程度对每座桥 不同跨度均不相同 考虑到必需在 保持交通的同时修补 以钝化损伤的发展或使其停滞为目的 采用了涂饰的修补方法 涂刷涂料采用聚丁二烯类 施工时 对于裂缝和剥落处 削落减弱的部分以保护钢筋 PC 钢丝 改善梁的承 载力等为目的修复梁断面 27 5 45 4 再再损伤对损伤对策策 5 4 15 4 1 修补设计修补设计 1 断面修复施工法 当有必要采取断面修复施工法时 是已经能够见到盐害腐蚀产生的裂缝和混凝土 表面浮层 剥落的场合 这是通过敲打检查确定施工范围 须把退化部分削掉 温海 地区断面修复深度为 5cm 以上的场合采用模板进行断面修复 5cm 以下的场合用砂浆 数次涂刷来修复断面 断面修复材料的性能示于表 6 表 6 断面修复材料 聚合物水泥系列 的性能 项 目预填石料压浆混凝土轻质砂浆 主要成分 聚合物 环氧类 快硬性水泥 干燥沙砾 聚合物 SBR 类 特殊混 凝土 轻质骨料 玻璃纤 维 单位体积质量 kg cm 2 23001450 抗压强度 MPa 3126 7 弹性系数 kg cm 2 29 1049 104 粘结强度 MPa 1 481 85 备注 需要模板 粗骨料填充后 注 入稀浆 适用大断面 不要模板 水泥泥瓦工填 充 适用小断面 2 表面覆盖施工法 作为盐害腐蚀对策的表面覆盖施工法 聚合物 油灰 油二道漆 面饰层和重复 涂刷有机类材料属常用方法 表 7 表 7 温海地区的混凝土表面覆盖一览表 工程使用材料 要求膜厚 m 标准使用量 kg cm 2 聚合物环氧树脂聚合物 0 1 油灰环氧树脂油灰 0 50 油二道漆 厚膜型环氧树脂涂料油二道漆 柔软型 160 3 0 50 3 次涂刷 面饰层硅类树脂涂料面饰层 柔软型 30 2 0 12 2 次涂刷 3 电防蚀施工法 电防蚀施工法就是使混凝土中的钢材负荷直流电 把钢材的电位换挡至真正不腐 蚀的领域 大致可分为外部电源方式和流电阳极方式 外部电源方式 其阳极材料采用不溶性电极 从直流电源装置向钢材提供电流的 28 方法 有能够任意设定供给电流的优点 流电阳极方式其阳极采用锌等比钢材较低级 的金属 用它与钢材之间形成的电动势供给电流 有不要维护管理的优点 但不能调 整电流量 电防蚀的种类很多 表 8 一般电防蚀施工法的采用适宜以下场合 钢材附近渗透的盐量 1 2kg cm3 超过生锈界限时 钢材的腐蚀仅限于一部分时 未采用聚合物类断面修复材料时 表 8 各种电防蚀方式的特长 防蚀方式方式的概要优点缺点 导电性涂料 方式 把铂钛丝安在混凝土表面 把 混凝土全部涂上导电性涂料 并把它作为阳极供以防蚀电流 美观 修补容易 成本 较低 需要电源 易 受损伤 不适 于桥面板 钛网格方式 在混凝土表面设置网格钛阳极 用砂浆覆盖 从阳极向混凝土 中的钢材供以防蚀电流 阳极材料的耐久性大 防蚀电流均匀 适用范 围大 需要电源 增 加静载 钛栅极方式 在混凝土表面凿出的槽内固定 钛栅极阳极 填充砂浆 从阳 极供以防蚀电流 不增加静载 需要电源 保 护层小时不好 施工 外 部 电 源 方 式 钛棒插入 方式 在混凝土面上挖直径 12mm 的孔 把钛阳极棒和填充砌块一起插 入 通以给定的电流 不增加静载 局部修补 容易 需要电源 必 须注意电流的 均一性 锌板方式 在混凝土与锌板间插入填充砌 块 由锌与钢材的电位差供给 防蚀电流 不要电源设备 不要运 行成本 无过度防蚀 必须换阳极 电流不可调整 难以美观 流 电 阳 极 方 式 锌喷镀 方式 在混凝土表面喷镀锌 由锌喷 镀膜与钢材的电位差供给防蚀 电流 不要电源设备 不要运 行成本 无过度防蚀 可适用于复杂的场所 必须换阳极 电流不可调整 喷镀时有锌飞 溅 5 4 25 4 2 补强设计补强设计 在遭受盐害腐蚀的混凝土桥中 常见有桥梁本来具有的承载能力由于 PC 钢材的断 裂和钢筋断面的减少而降低的情况 这时 桥梁结构就需要进行补强设计 1 体外力筋施工法 该方法就是在桥梁的主梁 横梁 或桥面板上安置附加性的外部预应力 并进行 张拉 固定 核对其是否适用 2 粘贴碳纤维布施工法 29 该施工法就是在桥梁主梁或桥面板 下面 上粘附碳纤维布含浸环氧树脂的方法 目前有很多桥面板下面的补强和桥墩的抗震补强都采用此法施工 5 55 5 盐盐害腐害腐蚀对蚀对策的新技策的新技术术 1 氯离子的扩散预测 因盐害腐蚀而发生劣化的主要原因 是氯离子及氧的扩散 前者是发生腐蚀的要 因 后者是决定腐蚀速度的要因 在研究盐害腐蚀中混凝土结构物的剩余寿命时 是 极重要的因素 混凝土中氯离子的扩散 是服从下式表示的 Fick 的扩散式而进行的 C x t C0 1 erf X 2 Dc t 1 2 式中 C x t 时间 t 距离 x 时氯离子浓度 C0 表观的表面氯离子浓度 erf 误差函数 X 从混凝土表面开始的距离 cm Dc 氯离子的扩散系数 cm2 s T 经过时间 s 上式表示若在氯离子浓度 C0 的环境下放置试件 氯离子将按照它的浓度差从 表面向内部渗透 经过 t s 时间之后 距离表面的深度 x 处的氯离子浓度为 C x t C0与 Dc 一般从实际结构物的混凝土中的氯离子浓度测定结果求出 图 8 为温海地区架设的新五十川桥的例子 表示实施了表面涂刷情况下的扩散预 测 30 图 8 氯离子的扩散预测 该例表明 即便实施了涂刷 氯离子量与无涂刷的场合相比有所减少 在钢材上 的氯离子量还是超过生锈临界 仅用涂刷是不能防止盐害腐蚀 钢材的腐蚀 的 因 此 还采用了电防蚀施工法 并进行定期的跟踪调查 2 电化学