杭州湾跨海大桥暴露试验站建设、维护与利用

王金权，肖龙，毛江鸿，金伟良，3，高谦，徐方圆

（1.宁波市杭州湾大桥发展有限公司，浙江 宁波 315317；2.浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100；3.浙江大学结构工程研究所，浙江 杭州 310058）

杭州湾跨海大桥暴露试验站建设、维护与利用

王金权1，肖龙1，毛江鸿2，金伟良2，3，高谦2，徐方圆2

（1.宁波市杭州湾大桥发展有限公司，浙江 宁波 315317；2.浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100；3.浙江大学结构工程研究所，浙江 杭州 310058）

杭州湾跨海大桥处于典型的海洋腐蚀环境，混凝土结构耐久性跟踪检测对评估大桥耐久性具有重要作用。为评估杭州湾跨海大桥的混凝土耐久性，在杭州湾跨海大桥建造时同步建设了杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性暴露试验站，迄今暴露试验站已采集了大量数据用于评估杭州湾跨海大桥混凝土耐久性。文章综述了该暴露试验站的建设和维护经验，并介绍了暴露试验站的信息化建设与管理对评估大桥耐久性的作用。

混凝土结构；耐久性；暴露试验站；杭州湾大桥

0 引言

目前，国内外针对钢筋混凝土的耐久性试验方法可分为真实试验法、模拟试验法等[1-2]。其中，真实试验法中的现场暴露试验是将混凝土试件放入真实环境中劣化，该方式具有无损检测、工作面好、操作便利等优点，试验结果真实可靠。国内外已建设有一定数量的现场暴露试验站，我国在华南、华东、华北、东北等典型海域的海港工程中均建设有暴露试验站[3-6]，有的已经积累了30余a研究数据，不少成果被规范、标准所采纳[7]。

杭州湾大桥是我国首次提出使用设计年限百年要求的重大基础设施工程，杭州湾海域风浪大、潮差高、海流急、氯离子含量高，鉴于此，在杭州湾大桥建造期便在海中平台建设了混凝土暴露试验站[5]，用以评估杭州湾大桥的混凝土结构耐久性。本文介绍了杭州湾大桥暴露试验站近10余a开展的研究工作，包括耐久性评估、新技术测试平台等；并针对暴露试验站运营过程中存在的难题，开展了信息化建设，以便高效获取、存储及处理数据。

1 暴露试验站建设与维护

1.1 建设依据

人工气候模拟试验与现场暴露试验已成熟应用于混凝土结构耐久性研究，但是人工气候模拟试验结果和现场试验检测结果的关联性是将人工气候模拟试验的结果应用于现场实际并进行耐久性评估的关键。针对上述关键问题，浙江大学结构工程研究所提出多重环境时间相似理论（Multi-Environmental Time Similarity，METS）[8-9]进行杭州湾大桥的耐久性评估与寿命预测。

该方法通过引入与杭州湾大桥有相似环境条件且具有服役一定年限的乍浦港作为参照物（环境相似），通过对第三方参照物的现场检测结果与相应混凝土试件的室内加速试验结果进行分析，建立两种环境下混凝土结构耐久性参数随时间变化的相似关系（时间相似），利用上述相似关系以及杭州湾大桥相同配合比混凝土试件的室内加速试验结果，可实现杭州湾大桥的混凝土结构耐久性评估[10]。在上述评估系统中，暴露试验站中设置的混凝土试件可在无损实体桥梁的基础上提供大量实测数据，从而实现杭州湾大桥混凝土结构耐久性的跟踪检测与评估。

1.2 建造与维护

杭州湾大桥混凝土结构耐久性暴露试验站的结构设计如文献[5]所述，该试验站建设在大桥的海中平台下方，具备环境代表性好、交通便利、易于管理等优点，共设置了大气区、浪溅区、潮差区（2层）和水下区共4个分区，5层试验平台，各平台中试件分别代表实桥不同高程部位的混凝土，其结构如图1所示。

图1 杭州湾大桥暴露试验站Fig.1 Field exposure station of Hangzhou Bay Bridge

海洋环境中暴露试验站主要存在结构自身防腐以及混凝土试件保护等难题，对暴露试验站和试件进行维护是提高数据利用效率、保证监测数据准确的必要条件，因此采用如下措施进行维护：

1）结构防腐：暴露试验站为钢结构，试件搬运过程、海中漂浮物等均有可能撞击和破坏防腐涂料，需定期对结构主体、钢格栅及结构连接件等进行防腐涂装。

2）试块分类：为更好的保护试件并方便进行现场取粉，可依据试块尺寸及保护层厚度，遵循方便取粉检测的原则，将试验站内试件进行分类并存放于不同栅格内。

3）试块固定：结合暴露试验站的结构特征，采用不锈钢条的形式，通过底部栅格的横条，将试件紧密的固定在栅格内部，防止试件的来回撞击，保证试件完好以及栅格的完整，如图2所示。

图2 暴露试验站内试块固定Fig.2 Fasten of specimens in field exposure station

4）数据检测：采用4次/a的频率对暴露试验站试件进行氯离子浓度检测，动态更新耐久性数据库中的数据。

2 暴露试验站的信息化建设

2.1 检测数据管理的信息化

混凝土结构耐久性检测与评估长期过程，为了实现数据有效保存与利用，基于数据库系统编制了杭州湾大桥混凝土结构耐久性暴露试验站试块管理系统。管理系统的结构组成包括：结构层、栅格层以及试块层，如图3所示。

1） 结构层：将暴露试验站分为大气区（D）、浪溅区（L）、潮差 1区（C1）、潮差 2区（C2）和水下区（S）。

2） 栅格层：每个结构层设置16个栅格，以浪溅区为例，设置了“L-A1”、“L-A2”至“L-A16”。

图3 暴露试验站管理系统的信息查询功能Fig.3 Information search function of field exposure station management system

3） 试块层：试块信息中包括了试块的配合比、尺寸、暴露时间、各检测时间点的氯离子分布图等信息。

2.2 耐久性评估的信息化

通过对室内加速试验、现场检测试验结果得出了杭州湾大桥不同结构部位的耐久性主要参数的先验信息，结合贝叶斯更新方法，利用暴露试验站上取粉得到的参数信息，对主要参数进行信息的更新，再结合METS理论进行大桥不同结构部位的耐久性评估和预测。编制了杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性预警系统（软著登字第0492237号），如图4所示。

图4 杭州湾大桥混凝土结构耐久性预警系统Fig.4 Concrete durability warning system for Hangzhou Bay Bridge

该预警系统包含三个模块：

1）数据库模块：利用大桥耐久性数据库中的氯离子浓度数据，通过Fick第二定律对表面氯离子浓度Cs和扩散系数D进行参数拟合。

2）参数更新模块：将大桥各部位每年检测并拟合得到的表面氯离子浓度Cs和扩散系数D的统计数据，即“更新信息”，通过贝叶斯更新方法将此“更新信息”与往年的“先验信息”结合起来，可获得表面氯离子浓度Cs和扩散系数D的“后验信息”。

3） 寿命预测模块：将表面氯离子浓度Cs和扩散系数D的后验信息、保护层厚度c、临界氯离子浓度Ccr等各随机变量的统计参数输入界面中，通过Monte-Carlo数值模拟方法得到大桥耐久性使用寿命。

3 结论与展望

本文总结了杭州湾大桥暴露试验站的建设和维护经验，并介绍了暴露试验站的信息化建设与管理，相关成果可为国内外类似工程提供参考，主要结论如下：

1）设计了覆盖大气区、浪溅区、潮差区和水下区的暴露试验站，并提出了在后期管理中要关注结构自身防腐以及混凝土试件保护等问题，以保障数据的连续性、有效性和准确性。

2）为了有效管理和维护暴露试验站，编制了杭州湾大桥混凝土结构耐久性暴露试验站试块管理系统，实现了数据的科学保存与利用。

3） 基于METS理论和可靠度理论，使用MATLAB GUI开发“跨海大桥混凝土结构耐久性预警系统”，结合先验信息和检测数据预测杭州湾大桥耐久性使用寿命。

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[10]金立兵.多重环境时间相似理论及其在沿海混凝土结构耐久性中的应用[D].杭州：浙江大学，2008.JIN Li-bing.Multi-environmental time similarity theory and its applicationindurabilityofcoastalconcretestructures[D].Hangzhou:Zhejiang University,2008.

Construction，maintenance and utilization of field exposure station at Hangzhou Bay Bridge

WANG Jin-quan1,XIAO Long1,MAO Jiang-hong2,JIN Wei-liang2,3,GAO Qian2,XU Fang-yuan2
（1.Ningbo Hangzhou Bay Bridge Development Co.,Ltd.,Ningbo,Zhejiang 315317,China;2.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo,Zhejiang 315100,China;3.Institute of Structural Engineering,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310058,China）

The Hangzhou Bay Bridge located at the typical marine corrosion environment.Research on the durability of reinforced concrete acted as an important role to evaluate the durability of the bridge.To evaluate the durability of Hangzhou Bay Bridge,we built the concrete durability field exposure station of the bridge during the construction.We collected large amount of data for evaluating the durability of Hangzhou Bay Bridge.In this paper,we summarized the experience of construction and maintenance for the field exposure station,and introduced the application of information construction and management of the exposure test station to evaluate the durability of the bridge.

concrete structure;durability;field exposure station;Hangzhou Bay Bridge

U446.2

B

2095-7874（2017）10-0078-04

10.7640/zggwjs201710017

2017-02-21

2017-03-23

国家自然科学基金项目（51408544，51638013）；国家科技支撑计划项目（2015BAL02B03）

王金权（1979— ），男，辽宁铁岭人，硕士，高级工程师，主要从事桥梁的维护与管理工作。

E-mail：15557870206@zj165.com