120年的大橋 120年的混凝土

全國政協(xié)委員、港珠澳大橋總工程師  蘇權(quán)科

作者簡介：蘇權(quán)科，教授級高工，中國土木工程學(xué)會橋梁與結(jié)構(gòu)工程分會副理事長，粵港澳大灣區(qū)交通建設(shè)智能維養(yǎng)與安全運營工程技術(shù)研究中心主任。長安大學(xué)博士生導(dǎo)師、中南大學(xué)客座教授。國家科技支撐計劃項目“港珠澳大橋跨海集群工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”、國家重點研發(fā)計劃項目“港珠澳大橋智能化運維技術(shù)集成應(yīng)用”項目負責人。獲2018年國際橋梁結(jié)構(gòu)維護與安全協(xié)會（IABMAS）杰出貢獻獎、第六屆全國杰出專業(yè)技術(shù)人才稱號，南粵創(chuàng)新獎、南粵楷模。

1987年畢業(yè)于長安大學(xué)，工學(xué)碩士。曾任廣東省公路工程質(zhì)量監(jiān)督站副站長、廣東省交通科學(xué)研究所總工程師。參加了廣東汕頭海灣大橋、臺山鎮(zhèn)海灣大橋、福建廈門海滄大橋等重大工程建設(shè)。2004年起至今擔任港珠澳大橋工程總工程師。

港珠澳大橋是中國交通建設(shè)史上技術(shù)最復(fù)雜、環(huán)保要求最嚴格、品質(zhì)要求最高的工程之一。按要求，這座大氣磅礴的跨海集群超級工程要能達到120年的使用壽命。遙望一個多世紀，大橋要不間斷地經(jīng)受海水、海風、鹽霧、潮汐、干濕循環(huán)等眾多極端惡劣和嚴酷的環(huán)境挑戰(zhàn)，如何確保惡劣條件下的耐久性，是工程建設(shè)品質(zhì)的關(guān)鍵所在。我們聯(lián)合中交四航工程研究院與清華大學(xué)組成耐久性研究團隊，經(jīng)過數(shù)年探索，提出基于可靠度理論的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計新方法，解決了120年耐久性設(shè)計施工難題，被國際同行稱為“港珠澳模型”。

1. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計基于實際環(huán)境和長期性能

當時我國內(nèi)地已經(jīng)建設(shè)了東海大橋、杭州灣大橋和青島海灣大橋等多座跨海橋梁工程，設(shè)計使用年限為100年。這些工程都是通過使用海工高性能混凝土、規(guī)定最小保護層厚度，采取附加防腐蝕措施和嚴格管控施工的技術(shù)思路來實現(xiàn)耐久性目標的。英吉利海峽隧道和我國香港的昂船州大橋有120年設(shè)計使用年限的工程建設(shè)經(jīng)驗，采取合理設(shè)計指標、嚴格控制施工質(zhì)量、明確規(guī)定后期維護等措施是工程耐久性保障的基本思路。

港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計用的氯離子擴散系數(shù)的衰減規(guī)律，根據(jù)長期暴露試驗的數(shù)據(jù)回歸得到?；炷林谢鞊椒勖夯?、?；郀t礦渣粉以獲得最優(yōu)的抗氯離子滲透性能。在材料和設(shè)計施工水平能夠達到的前提下，從材料性能和構(gòu)件構(gòu)造上最大限度地提高結(jié)構(gòu)的耐久性水平，同時對腐蝕風險較高的重要構(gòu)件關(guān)鍵部位采取合適的附加防腐措施。港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)不同部位具體需結(jié)合各部位的工況條件，考慮外加防腐蝕措施的效果、施工可行性以及全壽命周期成本。

2. 混凝土結(jié)構(gòu)采取綜合防護技術(shù)附加防腐蝕措施

理論上采用海工高性能混凝土與足夠的混凝土保護層厚度，混凝土結(jié)構(gòu)可以達到120年使用壽命。但考慮到實際設(shè)計施工的偏差、材料性能的波動、環(huán)境和荷載的影響等不利因素，需要采取一些有效的防腐蝕措施，來降低腐蝕風險和提高耐久性安全儲備。通過對不同外加防腐措施的技術(shù)特點、經(jīng)濟效益和混凝土構(gòu)件腐蝕風險三者之間綜合分析，港珠澳大橋不同部位分別采用了硅烷浸漬防腐、外層不銹鋼鋼筋或環(huán)氧涂層鋼筋加硅烷浸漬聯(lián)合的外加防腐蝕，以混凝土自防水為主、運營期耐久性監(jiān)測傳感器等附加防腐蝕措施。

3. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性施工質(zhì)量控制

根據(jù)港珠澳大橋結(jié)構(gòu)類型和施工特點，研究編制了用于指導(dǎo)混凝土施工的《港珠澳大橋混凝土耐久性質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)程》。針對全斷面澆筑沉管管段大體積混凝土的控裂難題，提出有針對性的管節(jié)預(yù)制工藝、溫控及監(jiān)測措施，通過模型試驗、仿真分析全面檢驗并優(yōu)化原材料和施工工藝等。另一方面，對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件跟蹤測試，針對有明顯缺陷或耐久性評估不能滿足設(shè)計目標的，采取合適的補救措施。

4. 混凝土結(jié)構(gòu)運營期耐久性維護

120年設(shè)計使用壽命的實現(xiàn)是一項貫穿于設(shè)計、施工和維護等各個階段的系統(tǒng)問題。港珠澳大橋構(gòu)件種類多，環(huán)境不同的構(gòu)件耐久性劣化時變過程也不同。因此，制定了科學(xué)的營運期耐久性維護制度、耐久性監(jiān)測、定期評估和耐久性再設(shè)計等耐久性維護策略。

港珠澳大橋設(shè)置了不同極端工況的分項安全系數(shù)，大橋主體結(jié)構(gòu)應(yīng)對各種災(zāi)害挑戰(zhàn)有底氣，可有效抵抗16級臺風、8級地震。