港珠澳大桥桥隧转换人工岛岛上建筑结构耐久性设计

2019-05-28曾香华肖春发赵杰

中国港湾建设 2019年5期

曾香华，肖春发，赵杰

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230；2.上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

我国建筑结构耐久性问题日益突出[1]，截止20世纪末，有近23.4亿m2建筑物进入老龄期，处于提前退役的局面。据有关资料统计，我国民用建筑的室外构件在干湿交替的环境中使用年限约为30～40 a，工业厂房使用20～30 a后须进行大修，海港码头和除冰盐侵蚀的建筑结构损伤程度则更加严重。

随着国家经济发展，海边、海岛大型建筑越来越多，结构耐久性受到关注。影响混凝土结构耐久性的因素有很多种，其中由于钢筋锈蚀造成的结构耐久性失效问题尤为突出。本文依托港珠澳大桥桥隧转换人工岛岛上建筑为工程实例，对外海环境中建筑结构耐久性设计进行分析。

1 工程特点

港珠澳大桥集桥、岛、隧为一体，主航道采用隧道形式，修建了2座人工岛提供桥隧转换所需设施。岛上建筑作为港珠澳大桥的养护、消防、监控、沉管隧道通排风以及管理办公等多种用途使用。岛上建筑主要采用钢筋混凝土框架结构，局部采用钢结构。人工岛处于外海环境，海上环境具有温差大、湿度大以及含盐高等特点，这对结构耐久性是很不利的。海洋环境氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀是结构耐久性的主要影响因素。其次，岛上建筑120 a的设计使用寿命，对结构耐久性设计及后期耐久性维护都提出了更高的要求。

2 耐久性设计的内容

结构的耐久性是其抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程而长期维持其性能的能力。在结构设计中，耐久性被看成是结构所需的一种功能而不是其固有的内在性能，所以结构耐久性定义[2]：在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力。

结构和构件的耐久性设计应根据结构和构件的设计使用年限、具体环境类别及作用等级进行。结构耐久性设计的内容可包含以下要求[3]：

1）合理选择耐久性材料。在钢筋混凝土结构中，钢筋的锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最主要因素。为了防止钢筋锈蚀，国内外学者从20世纪60年代开始根据具体情况采取相应的措施，主要措施有：恰当地选择混凝土原材料和配合比，从各个方面加强混凝土的密实性，以加强对钢筋的保护；提高钢材自身的防腐性能，采用环氧涂层钢筋，掺钢筋阻锈剂等；研究开发新型防腐材料，如纤维增强塑料（FRP）筋[4]等。

2）加强裂缝宽度控制。一般混凝土结构构件允许在荷载作用下出现裂缝，但从耐久性要求考虑，裂缝宽度应加以限制。

3）重视结构构造设计。合理地选择结构构件截面的几何形状，使其不能形成侵蚀性物质停留区；构造设计中要特别避免结构中的受力突然转移和截面的突然变化造成的应力集中引起的开裂。

3 本工程耐久性设计

3.1 环境类别和环境作用等级确定

岛上建筑按表1、表2[2]确定环境类别、环境作用等级。本工程环境类别、环境作用等级为Ⅲ-E。

表1 环境类别和环境作用等级Table 1 Classification of environment and grading of environmental actions

表2 海洋氯化物环境的作用等级Table 2 Action grading of marine chloride environment

3.2 混凝土材料要求及保护层厚度选取

岛上建筑设计使用年限为120 a，其耐久性设计高于国内的相关规范。根据港珠澳大桥管理局正式颁布的《港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计指南》，岛上建筑耐久性设计指标参考表3、表4取值。

本工程采用港珠澳大桥试验中心配制的海工高性能混凝土。海工高性能混凝土用混凝土的常规材料和工艺，在常温下，以低水胶比、大掺量优质掺合料和较严格的质量控制制作的满足结构要求的强度、较高耐久性、高尺寸稳定性及良好工作性的混凝土。

表3 港珠澳大桥混凝土构件耐久性设计指标Table 3 Durability design index for concrete members of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

表4 港珠澳大桥混凝土质量要求Table 4 Quality requirements for concrete of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

岛上建筑参考上述表中取值如下：混凝土强度等级为C50，混凝土保护层：梁柱60 mm，板墙50 mm。

3.3 结构构件裂缝控制

以GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》为依据，岛上建筑结构构件裂缝控制等级为三级，最大裂缝宽度限值为0.2 mm，按裂缝控制验算结构构件及配筋。

3.4 混凝土表面防腐蚀涂层

岛上建筑结构构件处于严酷的海风环境中，具有潜在腐蚀风险，为了保证结构构件在120 a使用寿命周期内保持良好的耐久性，应采取必要的附加防腐蚀措施。常见的附加防腐蚀措施有[5]：混凝土表面硅烷浸渍、环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂等。

通过对不同外加防腐措施的分析，岛上建筑非清水混凝土构件采用一次硅烷浸渍。清水混凝土构件由于考虑到外观要求，采用SKK硅系、氟系清水混凝土保护涂层。

3.5 混凝土耐久性的施工要求

混凝土构件宜由工程预制，减少现场作业量。本工程采用了钢筋整体预制装配工艺：结构构件钢筋笼工厂预制，再现场吊装。比现场绑扎钢筋质量牢靠，保护层厚度合格率高，木模板损坏少，混凝土浇筑质量好且有保证。

混凝土施工时应尽量减少暴露的工作面，浇筑完成后1～2 h内，使用塑料布覆盖进入养护阶段。在养护期间应保持混凝土表面一直处于湿润状态，混凝土的潮湿养护时间不低于15 d[6]。

3.6 主体钢结构构件采用耐候钢

钢结构应用耐候钢，不但能够提高结构的安全性、承载能力和服役寿命，而且具有降低维护成本等优点。本工程采用了鞍钢Q345qENH，以铁素体+贝氏体为主的组织结构，加之合理的Cu、Cr、Ni匹配，其耐腐蚀性能明显优于普通碳素钢和传统的耐大气腐蚀钢种，可以用于制造具有耐大气腐蚀要求的钢结构构件。

3.7 耐久性维护管理

结构运营期间，应针对结构构件建立耐久性检测制度。检测制度应根据不同需要分别建立验收检测、日常检测、定期检测、特殊检测以及终期检测的检测项目、频次以及相应的档案管理制度。及时采集结构耐久性监测系统数据，实时定量评估结构构件的耐久性状态。应根据混凝土结构和构件的耐久性起点状态，建立合理的构件维护制度。维护制度应结合构件在具体环境条件下的实际劣化过程，以及相关的耐久性检测与监测数据，合理安排构件维护强度和维护时间与频次，以最优的维护成本保证混凝土结构和构件的耐久性可靠指标满足设计要求。