高速铁路混凝土结构设计使用年限的探讨

2022-02-07李化建董昊良杨志强温家馨易忠来

铁道建筑 2022年12期

李化建董昊良杨志强温家馨易忠来

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

混凝土具有资源分布广、技术经济性好、可加工性能强等优点，已成为高速铁路建设的主要工程材料。中国高速铁路运营里程已达4 万km，高速铁路混凝土平均用量超过2万m3/km。受高频疲劳荷载、露天服役环境以及无砟轨道层状结构与信号传输影响，高速铁路混凝土结构设计使用年限的确定更为复杂。设计使用年限是指满足一定可靠度和保证率的预期使用时间［1］。各行业规范对设计使用年限均做出了相应要求，设计使用年限一般在30～100 年。设计使用年限的确定主要与结构耐久性有关，混凝土结构耐久性主要受一般荷载作用（如自重、列车荷载、风、雪）、偶然作用（如地震、爆炸）和环境作用（如温湿度，冻融，以及盐、酸等侵蚀）等的影响，必须有足够的保证率或安全储备才能满足《中华人民共和国建筑法》提出的“必须确保”主体结构在合理使用寿命内的质量要求［2］。随着中国高速铁路建设规模不断扩大，逐渐形成了高速铁路混凝土结构耐久性技术体系，保证了高速铁路工程的正常运营［3］。面对部分气候恶劣、地形复杂的极端环境，高速铁路混凝土结构可能无法满足规定的设计使用年限要求。

本文通过分析设计使用年限的确定原则，梳理国内外规范对设计使用年限的要求，探讨铁路混凝土结构设计使用年限的要求，提出高速铁路混凝土结构设计使用年限存在的问题，并通过铁路混凝土结构实际服役年限案例加以佐证，以期为铁路行业混凝土结构设计使用年限的合理确定提供参考。

1 混凝土结构设计使用年限规定

1.1 设计使用年限规定原则

在冻融、氯盐侵蚀等环境因素作用下，混凝土结构耐久性随时间发展不断劣化（图1）［4］。服役时间越长，混凝土结构耐久性的下降速率越快，当混凝土结构耐久性下降到一定范围时便无法满足基本服役要求，对结构安全产生威胁所对应的状态被认为是耐久性极限状态，对应服役时间即为设计使用年限。设计使用年限的确定与混凝土结构的受力特征、服役环境、技术经济性和可更换程度有关。

图1 混凝土结构设计使用年限划分原则

1）受力特征。混凝土结构的受力状态决定其能达到的最大服役年限，铁路混凝土结构不仅受自重的影响，还受列车自重静载及列车运行疲劳荷载的影响。TB/ T 3466—2016《铁路列车荷载图式》［5］指出高速铁路无砟轨道所受动态荷载响应频率超过30 Hz，在确定铁路混凝土的设计使用年限时应考虑在长期列车荷载作用下能否达到预期使用寿命。

2）服役环境。确定混凝土结构设计使用年限时往往需要考虑碳化环境、氯盐环境、冻融环境和酸雨侵蚀作用对混凝土结构耐久性的影响。TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》［6］依据设计使用年限和铁路混凝土所处环境确定了混凝土结构应达到的抗压强度等级和基本耐久性要求。

3）技术经济性。在满足服役要求的前提下，需要考虑建设和维护运营成本，确保结构在设计使用年限内安全服役的要求在技术上可行，在经济上合理［7］。

4）可更换程度。对于无法更换或者更换时成本较高的混凝土构件，其设计使用年限应提高；对于可更换的混凝土结构部位，可采用更加经济、设计使用年限低的结构类型。

1.2 设计使用年限规定

混凝土结构设计使用年限要求见表1。整体而言，中国对混凝土结构设计使用年限的设定要求与欧洲规范相似。基于国际标准ISO 2394：1998General Principles on Reliability for Structures和欧洲规范EN 1990：2002Eurocode⁃Basis of Structural Design，结合中国建筑工程特点，GB 50153—2008《工程结构可靠性设计统一标准》［8］为中国房屋建筑、铁路、公路、港口、水利水电等领域混凝土结构的设计使用年限的制定提供了参考，并细化了符合行业混凝土结构服役特点的设计使用年限要求。GB/ T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》［9］规定混凝土结构的设计年限不应低于GB 50153—2008 的规定。GB 50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》［10］将混凝土结构的设计使用年限分为100、50、25、5 年四个等级。GB 50216—2019《铁路工程结构可靠性设计统一标准》［11］将铁路工程混凝土结构设计使用年限确定为100、60、30 年三个等级，铁路桥梁、隧道、无砟轨道等主体结构的设计标准依此确定了相应的设计使用年限。与其他行业相比，JTG 2120—2020《公路工程结构可靠性设计统一标准》［12］对于混凝土结构的设计使用年限进行了更为统一、详细的规定，从公路桥涵、公路隧道和公路路面三方面确定了100、50、30、20、15、10年六个等级要求。GB 50158—2010《港口工程结构可靠性设计统一标准》［13］要求永久性港口建筑物的设计使用年限为50 年，比其他标准设计使用年限低。GB 50199—2013《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》［14］对水利水电工程混凝土结构的长期服役性能更加重视，要求永久性建筑物的设计使用年限为50～100 年，一级至三级建筑物混凝土结构的设计使用年限均为100 年。SL 654—2014《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》［15］中首次规定了Ⅰ类水库以及建筑物级别为一级的水库壅水建筑物和水库泄洪建筑物的合理使用年限为150 年，这为建筑地位同等重要的高速铁路混凝土结构设计使用年限的制定提供了借鉴。

表1 混凝土结构设计使用年限要求

国际上对一般房屋建筑混凝土结构的设计寿命多在50～75 年，重要建筑物和一般桥隧等基础设施工程的设计使用年限多为100年［16］。欧洲将混凝土结构设计使用年限分为五个等级，其中对于建筑结构混凝土的设计使用年限要求与中国GB 50068—2001相似。英国将混凝土结构设计使用年限分为30、60、90、120年四个等级，采用英国标准设计的大型工程，其设计年限多为120 年，如中国香港青马大桥与港珠澳大桥等工程［8］。本质上，实际工程建设中120 年的设计使用年限对应的混凝土性能要求与欧洲、日本设计使用年限100年处于同一级别。美国对混凝土结构设计使用年限未进行具体分类，通常情况下桥梁的设计使用年限应高于75～100 年。日本建筑学会提出了建筑物的设计年限分为长期（不需要大修年限100 年）、标准（设计使用年限100 年）和一般（设计使用年限65 年）三个等级。

2 铁路行业混凝土结构设计使用年限要求

2.1 铁路混凝土结构设计使用年限

铁路混凝土结构设计使用年限见表2。可知，TB 10005—2010中确定了100、60、30年三类设计使用年限，并将桥梁、涵洞、隧道等主体结构的设计使用年限规定为100 年。2016 年以后发布的TB 10003—2016和TB 10002—2017规范最终确定铁路桥涵、隧道主体结构的设计使用年限为100年。

表2 铁路混凝土结构设计使用年限

除桥涵、隧道两类主体结构外，无砟轨道是高速铁路的主要结构形式。高速铁路无砟轨道以高平顺、高平稳、少维修等优势常作为设计时速300 km 及以上高速铁路的轨道结构，包括板式无砟轨道、双块式无砟轨道两类。目前各国对高速铁路无砟轨道混凝土结构设计使用年限的要求仍存在差异，中国对无砟轨道混凝土结构设计使用年限的要求与德国规范相似，TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［19］明确规定无砟轨道主体结构的设计使用年限应不低于60 年。TB 10005—2010 规定高速铁路无砟轨道轨道板、支承层的设计使用年限至少为60 年。德国规定无砟轨道的设计使用年限为60年，且要最大限度地减少养护维修工作量。日本东北新干线轨道板的设计使用年限为50年，比中国和德国规范要求稍低。国际铁路联盟UIC 713RDesign of Monoblock Concrete Sleepers以40 年作为轨枕的最低设计使用年限。除对无砟轨道主体结构设计使用年限的规定外，中国还规定高速铁路无砟轨道道床使用年限为60 年，轨枕使用年限为40 年，道岔的设计使用年限为20 年。不同结构部位设计使用年限不同可以保证高速铁路建设过程的经济性，但无砟轨道主体结构的设计使用年限要求仍低于桥梁和隧道主体结构。

2.2 铁路混凝土结构实际服役年限调研

国内外已存在实际使用寿命超过100年的铁路混凝土结构。根据《铁路客运专线桥隧涵折旧年限分析报告》［1］，中国铁路使用时间超过百年且仍在使用的钢筋混凝土梁桥有22 座（跨度在10 m 及以下）、混凝土拱桥有19 座。中国铁路使用时间超过百年且仍在使用的隧道有195 余座，滨洲线兴安岭隧道（混凝土衬砌）已使用117 年，京张线八达岭隧道（预制混凝土块砌体衬砌）已使用112 年，长图线土们岭1 号隧道（混凝土衬砌）已使用108 年。在高速铁路方面，日本在1964 年修建了世界上第一条高速铁路——东海道新干线，至今已使用58 年，所使用的混凝土结构未出现大规模破坏，可以满足正常服役运营要求［20］。英国在1977年修建了时速200 km往返于伦敦、布里斯托尔和南威尔之间的高速铁路，至今已服役45 年。法国于1981 年建成了欧洲的第一条高速铁路——TGV 东南线［21］。德国、西班牙、意大利等国的高速铁路也服役了40 年左右，混凝土结构整体服役情况良好，混凝土材料的耐久性并未出现急剧劣化。

从国内外铁路混凝土结构使用情况来看，铁路建设早期虽受设计理念、建设标准、施工技术水平制约以及运营维护水平因素的影响，但仍有部分桥梁、隧道的服役时间超过百年，国内外高速铁路混凝土结构的服役状态整体良好，这说明高速铁路混凝土结构的设计使用年限高于100年是可能的。

3 存在的问题

3.1 未基于混凝土环境作用劣化模型确定设计使用年限

目前，高速铁路混凝土结构仅有碳化和氯盐侵蚀环境下与混凝土钢筋锈蚀的劣化模型得到公认，并作为标准制定的依据。GB/ T 51355—2019《既有混凝土结构耐久性评定标准》［22］依据国内外试验及实测数据，规定碳化环境下和氯盐侵蚀环境下混凝土结构的劣化模型分别为

式中：ti为钢筋开始锈蚀耐久年限，a；Kk为碳化系数对钢筋锈蚀耐久年限影响系数；Kc为保护层厚度影响系数；Km为局部环境对钢筋开始锈蚀耐久年限的影响系数。

式中：c为保护层厚度，mm；K为氯盐侵蚀系数，m/a1/2；t1为混凝土表面氯离子浓度达到稳定值的时间，a。

关于冻融环境、化学侵蚀环境、盐类结晶等环境下混凝土结构劣化模型的制定还存在较大争议，GB/ T 50476—2019 对混凝土结构耐久性设计时仅规定可采用氯离子侵入混凝土的经验扩散模型进行氯盐环境划分，其他环境并未提出对应的混凝土劣化模型。GB/ T 51355—2019 中根据硫酸根离子在混凝土内与水泥中铝相物质发生反应导致的膨胀开裂原理，用硫酸盐腐蚀速率对硫酸盐侵蚀环境下混凝土使用年限进行了计算，但未考虑硫酸盐物理结晶破坏的影响。

现有研究对盐类侵蚀和结晶破坏环境以及冻融环境下混凝土的劣化模型已取得诸多成果。Li 等［23］发现在盐类侵蚀和结晶破坏环境下，混凝土的抗化学侵蚀和盐类结晶破坏性能与其渗透性有关。Garavaglia 等［24］依据盐类侵蚀结晶破坏的概率特征提出了在化学侵蚀和盐类结晶环境下混凝土耐久性随时间演变的概率模型。Lu 等［25］提出了混凝土在盐渍土环境下的劣化模型，并以此预测了不同强度混凝土在盐渍土环境下的使用寿命和不同时期的劣化程度。在冻融环境下，混凝土的劣化与混凝土内部孔隙水在冻融过程中产生的静水压和渗透压有关。Penttala等［26］建立了无砟轨道平面结构混凝土在盐冻和水冻环境下的损伤劣化模型。Hang 等［27］以质量损失率和相对动弹性模量为评价指标，提出了不同含气量混凝土在冻融环境下的劣化模型。Yu 等［28］结合冻融环境下最大应力比模型，提出了在冻融环境下混凝土不同时期的劣化模型。

虽然已有文献研究了混凝土在不同环境中的劣化模型，但还未提出统一的高速铁路混凝土结构环境作用劣化模型。标准中对冻融环境、化学腐蚀、盐类结晶破坏以及磨蚀环境下高速铁路混凝土结构和耐久性设计大多还是基于试验和工程经验得到的，基于环境作用的高速铁路混凝土结构劣化模型还未上升到标准，使得不同环境下高速铁路混凝土结构设计使用年限的确定缺乏理论支持。

3.2 未考虑疲劳荷载与环境的耦合作用

高速铁路混凝土结构设计使用年限的确定需要考虑列车疲劳荷载与服役环境对混凝土结构耐久性的影响，但规范中未考虑高速铁路疲劳-环境耦合作用下混凝土结构的劣化规律。Li 等［29］发现高速铁路混凝土结构在疲劳-环境耦合作用下，混凝土结构耐久性的劣化速率大大增加。刘丹［30］发现在应力水平为0.7的疲劳荷载的疲劳-碳化耦合作用下，无砟轨道混凝土中CO2气体扩散系数增加240%，并证明了疲劳-冻融耦合会极大加速混凝土的劣化。Lei 等［31］认为当应力水平小于0.2时无砟轨道混凝土的碳化深度有所降低，原因是较低的应力水平产生的损伤程度较低，能够使混凝土的内部结构更加致密。Jiang 等［32］认为混凝土的氯离子扩散系数随疲劳损伤程度呈指数增长，且与疲劳荷载的类型无关。Boyd 等［33］发现冻融环境下混凝土的疲劳寿命随冻害程度的增加而降低。

3.3 高速铁路混凝土结构设计使用年限不一致

高速铁路混凝土结构包括桥梁、隧道和轨道，无砟轨道作为高速铁路列车的承载结构与桥梁和隧道组成整体结构，与铁路桥梁和隧道具有同等重要的地位。由于无砟轨道直接受列车疲劳荷载和露天服役环境耦合作用的影响，为满足轨道电路信号传输要求，高速铁路混凝土结构内部采用了不同的绝缘措施，使得现有标准规定无砟轨道的设计使用年限为60年，这会影响高速铁路整体结构的服役寿命［34-35］。TB 10005—2010 提出应加强对无砟轨道轨道板、支承层的研究试验和再创新，以实现与桥隧结构等寿命期的目标。现有铁路工程实际服役年限和相关研究证明，已存在实际使用寿命超过100 年的铁路混凝土结构［36］，将高速铁路主体结构的设计使用年限统一按100年进行设计是未来研究方向。