九江新長江大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計分析

　　九江新長江大橋位于現(xiàn)九江公鐵兩用大橋上游10．8公里處，南起江西昌九高速公路K8+000處，于江西省九江市現(xiàn)閻家渡碼頭上游約1公里處跨越長江，北接湖北黃小高速公路小池K33+145．25處，連接江西省九江市與湖北省黃梅縣。路線全長約25．14525公里，其中，跨江大橋(含主橋、副孔及引橋)長5．58公里，主橋采用雙塔單側(cè)混合梁斜拉橋，主跨跨徑為818米，居目前已建和在建同類橋梁中的世界第六、國內(nèi)第三。其中跨長江大橋和南岸接線共16．844公里由江西省負責投資建設(shè)，北岸接線8．30125公里由湖北省負責投資建設(shè)。全線采用高速公路標準建設(shè)，設(shè)計速度100公里／小時，路基寬度為33．5米，主橋橋面寬38．9米，副孔、引橋橋面寬33．5米；設(shè)計荷載采用汽車公路I級，設(shè)計洪水頻率為1／300(長江大橋)和1／100(路基)，通航凈空高24米，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為100年。

　　九江新長江大橋所處環(huán)境的分區(qū)

　　我們對九江地區(qū)的大氣環(huán)境進行了檢測，1月份最低溫度可以達到-2℃，出現(xiàn)過凍害降雪氣候(如2008年出現(xiàn)的凍雨氣候)；9月份出現(xiàn)過最高氣溫39℃；在3月份最高溫度和最低溫度溫差達到30．5℃。除了11月份之外，最高相對濕度都達了100%，而11月到下一年4月份最低相對濕度只有11%～24%，濕度交替變化也較明顯，但常年平均濕度達到了72%以上。

　　按照環(huán)境分類和環(huán)境作用等級，九江地區(qū)為典型的干濕交替和南方炎熱潮濕的露天環(huán)境，大橋橋梁主塔、墩柱等混凝土結(jié)構(gòu)和表面經(jīng)常淋雨，室外環(huán)境作用等級屬于I-C；考慮到冬季最低氣溫降低到負溫，并且有降雪，下雪后路面需要噴灑去冰冰鹽，大橋混凝土箱梁屬于有氯鹽腐蝕環(huán)境，可劃分為II-D類環(huán)境作用等級。考慮到大橋設(shè)計使用壽命為100年和大橋受到多種作用的可能性，并且根據(jù)雨水分析結(jié)果，大橋混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還受到酸雨作用，按照最嚴酷的V2-D類環(huán)境作用等級比較合理。

　　長江水中可能對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的氯離子、硫酸根離子的濃度分別為每立方米10858．6毫克和每立方米36098．3毫克，這個數(shù)據(jù)與海水環(huán)境的相應離子含量相比，含量還是比較低；pH值為7.57，屬于中性偏堿。對岸邊土壤進行化學分析表明，土壤中氯離子含量達到每千克57毫克，硫酸根離子含量達到每千克357毫克。按照《鋼筋混凝土耐久性設(shè)計與施工指南》規(guī)定，土中及地表、地下水對混凝土的腐蝕作用進行分級。對比分析，可將九江新長江大橋水下結(jié)構(gòu)部分環(huán)境影響等級定為B級，土下部分混凝土環(huán)境作用等級也為B級。由于其水中化學物質(zhì)多，考慮多項作用共同發(fā)生時可能加重后果，且氯離子和硫酸根離子處于相同的影響等級，綜合考慮將水下和土壤中鋼筋混凝土環(huán)境作用等級定為C級?？偟膩碚f，九江新長江大橋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)部件的環(huán)境破壞作用等級評定如表1所示。

　　混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

　　1.耐久性混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容

　　九江新長江大橋的主要結(jié)構(gòu)部件處于C或D類環(huán)境作用級別，參照CECS01《鋼筋混凝土耐久性設(shè)計與施工指南》中規(guī)定，結(jié)合實際工程設(shè)計要求，確定不同使用年限級別的結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境作用等級下的耐久性。

　?。?）基于耐久性混凝土材料設(shè)計。按照工程材料就地取材的原則，按照標準對原材料進行檢測、比選；高性能混凝土配合比優(yōu)選；混凝土控制參數(shù)確定與量化檢測，主要要求穩(wěn)定的含氣量，由高性能外加劑控制。

　?。?）基于結(jié)構(gòu)構(gòu)造

　　按照指南中關(guān)于保護層最小厚度的規(guī)定，設(shè)計使用100年的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在C-D級環(huán)境腐蝕作用的情況下，梁、柱等混凝土結(jié)構(gòu)厚度應該在45～55毫米范圍內(nèi)，加上施工允許誤差5毫米，則鋼筋混凝土的保護層厚度為50～55毫米才能滿足耐久性設(shè)計要求，這與理論計算結(jié)果也比較吻合。按此規(guī)范規(guī)定，大厚度的墩柱等受壓構(gòu)件的保護層厚度適當增多5毫米。索塔土下部位混凝土的保護層厚度應不小于70毫米。同時我們也參考了杭州灣大橋保護層厚度的設(shè)置。

　　2.其他因素的作用

　　九江二橋位于典型的亞熱帶地區(qū)，嚴重的凍融破環(huán)和浮冰的沖擊磨損可不予考慮；鎂鹽、硫酸鹽等鹽類侵蝕和堿骨料反應破壞則可以通過控制混凝土組分來避免；這樣鋼筋銹蝕破環(huán)就成為最主要的腐蝕荷載。

　　混凝土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發(fā)，一是水中氯離子侵蝕，二是大氣中的二氧化碳使混凝土中性化。九江二橋地處北亞熱帶南緣、東北季風盛行區(qū)，國內(nèi)外大量工程調(diào)查和科學研究結(jié)果表明，這種環(huán)境下導致混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是氯離子進入混凝土中，并在鋼筋表面集聚，促使鋼筋產(chǎn)生電化學腐蝕。我們在九江二橋周邊沿海碼頭調(diào)查中也證實，海洋環(huán)境中混凝土的碳化速度遠遠低于氯離子滲透速度，中等質(zhì)量的混凝土自然碳化速度平均為3毫米/10年。因此，影響九江二橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的首要因素是混凝土的氯離子滲透速度。

　　(1)氯離子對鋼筋銹蝕的影響

　　氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土和鋼筋都具有嚴重的腐蝕作用，我們把引起鋼去鈍化的鋼筋周圍混凝土孔隙的游離氯離子最高濃度，稱為混凝土的氯化物臨界濃度。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計和施工指南》，氯離子臨界濃度均值為：W/B0.3時，水下區(qū)為2.3，浪濺區(qū)為0.9；W/B0.4時，水下區(qū)為2.1，浪濺區(qū)為0.8；W/B0.5時，水下區(qū)為1.6，浪濺區(qū)為0.5。

　　對水位變動區(qū)的氯離子基本不會超過臨界值，不會對大橋造成滲透性破壞。而對于靠近浪濺區(qū)的大橋表面，100年后的氯離子含量可能會超過臨界氯離子含量，對大橋造成損害。所以建議需要采用表面防護。

　　(2)堿骨料對耐久性的影響

　　堿骨料反應(AAR)是指混凝土中的堿與具有堿活性的骨料間發(fā)生膨脹性反應。這種反應引起明顯的混凝土體積膨脹和開裂，改變混凝土的微結(jié)構(gòu)，使混凝土的抗壓強度、抗折強度、彈性模量等力學性能明顯下降，嚴重影響結(jié)構(gòu)的安全使用性。表3列出了九江附近混凝土原材料中的堿含量數(shù)據(jù)。

　　3．防腐措施方案

　　考慮到大橋在實際使用環(huán)境下會面臨多種腐蝕因素的共同作用，以及應力狀態(tài)下腐蝕過程的復雜性，加上混凝土結(jié)構(gòu)在施工和使用中難免發(fā)生開裂等問題，僅僅依靠混凝土保護層來防止鋼筋的銹蝕是不安全的，因此建議在大橋的重要結(jié)構(gòu)部位(箱梁、墩柱、浪濺區(qū)、水下部位)預先采取防護性涂層防護，并在設(shè)計階段考慮到更換防護涂層的使用通道和措施，并設(shè)計大橋主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量監(jiān)控措施。對于重要的可換部件，預先設(shè)計更換通道和設(shè)施。

　　耐久性設(shè)計方案確定后，建立耐久性檢測試驗室，施工前期做好大橋構(gòu)件所處環(huán)境模擬工作，施工中混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)選定測試，大橋投入后耐久性監(jiān)測。