曹妃甸工业区西通路高架桥耐久性设计

张元凯

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 概述

唐山曹妃甸西通路高架桥工程始于二港池西区中路（K0+000），随后跨越纳潮河上的二港池大桥和一港池大桥，和正在建设中的西通路地面道路对接后沿线向东延伸，终于通岛路东（K11+170），全长11.17 km。一期实施工程范围：K5+985.000～K6+868.000，桥梁主线全长883 m。主桥长度276 m，采用两座跨径为138 m的单索面钢管混凝土系杆拱桥，主梁为钢-混凝土组合结构，桥面宽度29.5 m，钻孔灌注桩群桩基础。该桥主梁采用叠合梁结构，混凝土桥面板采用先预制后浇湿接缝的方法施工，结构设计基准期100 a。混凝土桥面板的耐久性是大桥设计、施工和管理中的重要课题。其加劲梁标准断面见图1所示。

图1 加劲梁标准断面图（单位：mm）

2 环境条件

工程所在地属于大陆性季风气候，具有明显的暖温带半湿润季风气候特征。季风影响较大，冬季盛行偏西北风，春、夏季盛行偏南和东南向风，气候变化复杂，冬冷夏热，四季分明。大桥处于填海造地工程之上，受风、浪、流、雾等影响较大。100 a一遇风速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，实测最大涨潮流速1.41 m/s，最大落潮潮流速0.99 m/s。纳潮河两端沟通两大港池，河水为渤海海水。

地下水位埋深在0～3.1 m之间，水位较浅。根据水质分析，在Ⅱ类环境下，地表水和地下水对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋均具有强腐蚀性，对钢结构具中腐蚀性。

根据水质分析，地表水和地下水的类型均属于Cl-—Na+型，均为海水。其中，地表水主要成分含量为氯离子18 435.6～23 515.2 mg/L、硫酸根离子108.1～2 548.4 mg/L、镁离子848.2～1 261.8 mg/L、钠+钾离子9872.8～13181.3mg/L、总矿化度33035.4～38 225 mg/L、PH值6.45～8.10，为盐水、中性水。地下水主要成分含量为氯离子11 999 mg/L、硫酸根离子1 325.7 mg/L、镁离子 4 75.5 mg/L、钠+钾离子6 379.1 mg/L、总矿化度21 306 mg/L、PH值6.36，为盐水、中性水。在Ⅱ类环境下，地表水机地下水对混凝土结构具强腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具强腐蚀性，混凝土防护为三级防护。表1为桥址处水质状况一览表。

表1 桥址处水质状况一览表

3 技术措施

3.1 设计思路

该工程为海洋性大气环境，海洋环境下的建筑物由于腐蚀因素的影响，不进行防护是不能达到设计寿命要求的，尤其是提出较长设计年限的工程，不采取措施，更是难以达到要求。处于海洋环境下的混凝土构筑物，氯离子渗入混凝土是引起钢筋锈蚀的最主要和最快的因素。因此，该工程中的Cl-的腐蚀作用在混凝土结构耐久性设计中是关键性的影响因素。在该工程中，混凝土桥面板采用预制板，减小了成桥阶段混凝土收缩的同时，也提高了混凝土的质量。主梁采用预应力结构，结构的耐久性通过采用的高性能混凝土的良好密实性和适当的混凝土保护层厚度来保证。

3.2 具体措施

3.2.1 采用高性能混凝土

在海洋环境采用高性能混凝土，以提高混凝土密实性与抗氯离子渗透能力，钢筋锈蚀引发期可以大大延长。我国近期建设的上海东海大桥，杭州湾大桥均采用了高性能混凝土结构。

3.2.2 设计最小混凝土保护层

试验显示即使是低水灰比、高质量的混凝土，在暴露于有氯盐存在的环境中，混凝土表面12mm深度内的氯离子含量远远超过25～50 mm深度范围内的氯离子的含量。因此在海洋环境中的工程，混凝土保护层的厚度应比一般的混凝土保护层厚度要大一些，同时还要考虑施工偏差的因素。对于该桥，桥面板处于Ⅱ类环境，交通部《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）中规定的最小保护层厚度为40 mm，该桥最小保护层取45 mm。

3.2.3 提供足够的钢筋和合理的布置保证受拉和受弯裂缝很好的分布

承载的钢筋混凝土构件不可避免的要发生开裂，这是混凝土结构的一个自然现象。提供足够的钢筋量（最小钢筋量）用于保证裂缝很好地分布，考虑两种情况：

（1）强制变形引起的开裂。钢筋最小面积通过设计规范条例确定。

（2）荷载引起的开裂。计算得到的钢筋最小面积取为保证开裂不导致构件突然破坏（钢筋能承受开裂之前由混凝土承担的那部分拉力而不发生屈服）的钢筋面积和作为假定钢筋在荷载下达到允许最大应力情况下能保证稳定的开裂模式（稳定的或最终裂缝间隔）的钢筋面积两者中的较大值。

3.2.4 控制裂缝宽度

对裂缝宽度的最终验算基于最终钢筋面积和正常使用荷载下钢筋的应力，按规范要求，计算得出的最大可接受的裂缝宽度为0.15 mm。

3.2.5 预应力筋的特殊保护

预应力钢筋在已有产品中选择时选用有长期性能良好纪录的完整的预应力系统，包括预应力铰线、套管、连接装置和锚固装置。

该桥为体内有粘结的预应力系统，锚固和灌浆质量是影响耐久性的主要因素，为提高其耐久性采用以下两点措施：

（1）套管应是带有认可的水密和气密连接系统的波纹管，采用塑料波纹管。

（2）采用真空灌浆，保证灌浆的密实性。

3.3 施工要点

为保证上述技术措施的顺利实施，对高性能混凝土的原材料、配合比、拌制、浇筑、养生等施工环节制定相应的质量保证措施。

（1）高性能混凝土原材料要求，详见表2所列。

表2 高性能混凝土原材料要求一览表

（2）高性能混凝土的混凝土收缩率应控制在2×10-4以下，对于现浇接缝采用的微膨胀混凝土（补偿混凝土），微膨胀混凝土水中养护14 d最小限制膨胀率大于等于2.5×10-4。随后恒温养护28 d最大收缩率小于等于3.0×10-4。

（3）为保证预制板质量，混凝土坍落度应控制在5～8 cm。

（4）高性能混凝土在搅拌机中加水连续搅拌的最短时间应比普通混凝土至少延长30 s，一般宜在90 s以上。

（5）常温下，高性能混凝土应至少保湿养护15 d，气温较高时可适当缩短湿养护时间，气温较低时，应适当延长湿养护时间，宜采用淡水养护。

（6）混凝土保护层垫块采用与本体混凝土同胶凝材料、水胶比的砂浆或细石混凝土制作。垫块厚度不允许负偏差，正偏差不得大于5 mm。钢筋绑扎铁丝应弯向构件内部。

（7）桥面板湿接缝混凝土易产生收缩性表面裂缝，因此在进行配合比设计时，应考虑采取适当的防裂措施，施工时做好保温、保湿工作。在混凝土中掺入高模量、高强度复合纤维，以提高混凝土桥面板的抗裂性，减小收缩率，提高密实度。

（8）混凝土强度的评定按《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2004）有关规定执行。确定配合比前，进行混凝土电通量和Cl-扩散系数的检测。

4 结语

根据西通路高架桥主桥处于渤海湾填海造地工程上的环境条件、桥梁结构特点，对桥面板进行了耐久性设计，提出了满足设计基准期100 a的技术措施及施工要点。合适的施工技术措施与严格的质量控制是结构耐久性保证的前提。本文在解决了具体工程问题的同时，也为今后类似工程的桥面板耐久性设计提供了参考。

[1] JTJ 275-2000，海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范[S].

[2] 上海市政工程设计研究总院.曹妃甸工业区西通路高架工程施工图设计文件[Z].