跨海大桥桥墩混凝土结构技术可行性报告(使用寿命100年)

2015级研究生《高性能混凝土材料与技术》作业姓名：刘家齐学号：G20158015专业：建筑与土木工程学院：土木与环境工程学院成绩：_________________任课教师：刘娟红老师2016年3月28日跨海大桥桥墩混凝土结构技术可行性报告一、背景知识和国内外研究与应用现状：1.桥梁建设是国家重要的基础建设之一，桥梁工程是关系社会和经济协调发展的生命线工程。近十几年以来，随着我国交通事业的迅速发展，越来越多的跨海大桥在建或已建成通车，例如杭州湾跨海大桥，东海大桥，广西铁山港大桥，，厦漳跨海大桥，象山港跨海大桥等，混凝土是目前跨海桥梁工程建设的主导材料。在许多国家，混凝土结构都面临着耐久性不良的严重问题，尤其是处于海洋或恶劣环境下，混凝土结构耐久性的问题更加突出。由于跨海大桥处在海洋环境中，受到氯离子侵蚀、干湿作用、海浪冲击等复杂作用的影响，钢筋锈蚀情况比较严重。钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性失效的主要表现之一，钢筋锈蚀引起混凝土结构的过早破坏，已成为世界各国普遍关注的一大灾害，大量混凝土结构由于钢筋锈蚀导致耐久性失效，不得不维修或拆除，甚至发生倒塌，造成巨大的经济损失。2.从国内外对水利公程、海港工程、路桥结构等的调查研究来看，在海洋环境、化工车间、冬天撒化冰盐的氯化物污染环境中的钢筋锈蚀引起的结构耐久性失效，导致结构物的过早破坏，已经给国民经济带来巨大的损失。因此，既有钢筋混凝土结构的耐久性评估及新建钢筋混凝土结构的耐久性设计是十分重要而又迫切需要解决的问题。我国的混凝土结构量大面广，遍布全国各地。调查表明，我国的工业建筑及水工、港工混凝土结构的钢筋锈蚀、耐久性失效比民用、公共建筑严重得多，外部原因是这些建筑结构处在潮湿、有化学介质的环境中，钢筋锈蚀，耐久性失效。以往的结构设计以抗力为主、考虑稳定等性能，忽视了结构的寿命。由于过分注重工程结构的造价，节省钢筋水泥用量，使得大量结构的构件保护层尺寸偏小、混凝土密实度偏低、抗侵蚀能力差，加上施工偏差、管理不当等，致使混凝土结构的破坏速度极快，达不到预定的目标使用期就需要加固处理，加重了国家、企业的经济负担，而结构的实际造价也提高了。为避免新建混凝土结构出现耐久性失效的问题，应从耐久性设计着手。我国目前的设计方法对耐久性考虑是很不充分的，现行的《混凝土结构设计规范》有关耐久性的要求只反映在最低混凝土强度等级、最小混凝土保护层厚度和最大裂缝宽度控制，对水灰比、水泥用量的规定较松，对结构的耐久性不利。由于以前的混凝土结构设计很少进行耐久性设计，因此，除了新建混凝土结构的耐久性设计，我国混凝土结构耐久性方面的另一个问题是对已有混凝土结构的耐久性评估。开展对混凝土桥梁耐久性的研究，一方面能对已有的混凝土桥梁进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法；另一方面也可对新建工程项目进行耐久性设计与研究，提示影响桥梁生命全过程的主要因素。因此，它既有服务于现役结构的现实意义，又有指导待建桥梁进行耐久性设计的重要作用，同时，对于丰富和发展钢筋混凝土桥梁可靠度理论也具有一定的理论价值。海港混凝土工程因其受海洋环境、气候条件的影响,其结构物需具备良好的工作性和耐腐蚀能力,在优选原材料的基础上,通过正交设计方法提出了水化热低、强度高、抗氯离子渗透性好的杭州湾跨海大桥桥墩高耐久性混凝土配合比,并对其影响因素进行了分析。研究结果表明,大掺量优质粉煤灰可以明显降低混凝土的水化温升;复合矿粉与粉煤灰,因其水化热峰值出现时间比单一同量矿物材料水化热峰值出现时间迟一些,有利于防止因水化热引起的混凝土早期开裂,能够提高混凝土的综合耐久性能。3.近年来，随着交通事业的迅速发展，越来越多的跨海大桥在建或已建成通车，而钢筋混凝土结构的耐久性失效己逐渐成为困扰土建工程界的一个世界性问题，尤其是处于海洋或恶劣环境下，混凝土结构耐久性的问题更加突出。跨海大桥工程不仅耗资巨大，而且关系着国计民生，如果因为耐久性不足而成为“短命工程”，将对国家造成不可估量的损失。本文按照现场检测耐久性分析耐久性评估剩余使用寿命预测耐久性优化设计的思路对跨海大桥混凝土构件耐久性进行了研究，研究的主要内容如下：(1)介绍了跨海大桥混凝土结构耐久性研究的重要意义、研究内容以及国内外研究现状。(2)在前人研究的基础上归纳总结了氯离子侵蚀作用下钢筋的锈蚀机理，对海洋环境下钢筋锈蚀的主要影响因素进行了分析，尤其对氯离子的侵蚀机理和渗透模型进行了重点研究，总结了海洋环境下钢筋锈蚀模型，并阐述了锈后钢筋的力学性能及其对承载力的影响，结合已有的钢筋防锈措施提出了海洋环境下混凝土结构钢筋防锈措施。(3)根据一般大气环境下混凝土结构耐久性评估准则提出了海洋环境下混凝土结构耐久性评估准则，重点研究了蒙特卡罗方法在可靠度分析中的应用，提出了应用蒙特卡罗方法计算钢筋混凝土偏心受压短柱和钢筋混凝土受弯构件的抗力统计参数，进而较好的解决可靠度分析问题。考虑氯离子的渗透随机过程，修正了海洋环境下钢筋混凝土偏心受压构件和受弯构件的抗力随机模型，用可靠度方法对锈蚀钢筋混凝土偏心受压构件和受弯构件分别进行耐久性分析，重点分析了其各自的可靠度影响因素。(4)以广西铁山港跨海大桥作为背景工程，通过大量现场检测数据，分析了影响该桥结构耐久性的主要因素，对该桥的桥墩和30m主梁分别进行了基于可靠度的耐久性评定，并回归出时变可靠度模型，为同类型桥梁的耐久性评估提供了一定的理论依据。(5)根据结构极限承载能力和耐久性的要求，利用改进的粒子群优化算法对铁山港跨海大桥桥墩截面进行了多变量优化设计。二、技术路线和相关说明：据对跨海大桥周边地区混凝土结构耐久性调查发现海工混凝土结构侵蚀的特征是：1、处于浪溅去的混凝土结构构件侵蚀比较严重；出于浪溅区以上部位混凝土结构侵蚀较轻或几乎未发现明显的侵蚀现象；处于水位变化区的混凝土结构盐分难以聚集，侵蚀较轻。2、混凝土保护层较厚的地方钢筋锈蚀较轻。3、混凝土碳化深度较浅，尚未达到钢筋表面，钢筋侵蚀不是由碳化引起的。4、有部分因硫酸盐侵蚀等引起的混凝土破坏。5、沿海大气环境中混凝土的氯离子含量较大，有些部位已经超过了氯离子临界浓度。针对海工工程所处复杂严酷的特殊海洋环境特点，以及存在基础部位大体积混凝土易出现开裂的技术难题，采用矿物掺合料部分替代高标号水泥降低混凝土水化热，减少温度收缩裂缝，提高混凝土耐久性能，降低工程造价，为高性能海工混凝土发展提供了坚实的技术基础。技术路线大体如下：三、具体技术措施以及相关解释：1.海洋环境下混凝土结构钢筋防锈措施：海洋环境下防止钢筋锈蚀的措施主要针对氯离子侵蚀，可采取基本措施和补充措施两类。前者的主要目的是提高混凝土本身的性能，以增加对钢筋的防护能力，后者是在因环境侵蚀特别严重或因混凝土结构设计、施工不当，使基本防腐措施不足以保证时，增加的其他保护措施。基本措施：1）控制原材料中氯化物的含量，除按照施工质量的要求选择合适的原材料，严格控制材料的氯化物含量和避免氯化物的污染是混凝土中氯离子不超标的前提条件，混凝土的原材料主要有水泥、水、砂、石子和外加剂等，因特殊需要在生产过程加入氯化物的水泥要严格控制氯离子含量，并对其使用范围有所限制。如在潮湿并含有氯离子环境中的钢筋混凝土，氯化物总含量不得超过水泥重量的0.1%。2）提高混凝土本身的密实性，加强对钢筋的防护能力，正常情况下，优质钢筋混凝土结构具有长期抵制环境介质侵蚀的能力，因此，最大限度提高混凝土本身的密实性和保持对钢筋的防护能力，是预防混凝土中钢筋锈蚀的措施中最有效和经济的根本方法。提高混凝土本身密实性的主要方法有：适当增加混凝土保护层的厚度；改善混凝土结构，如选择优质原料，引入外加剂、合理施工、使用新型混凝土等。补充措施：1）采用耐腐蚀钢筋，耐腐蚀钢筋的主要品种有：耐腐蚀低合金钢、包铜钢筋、镀锌钢筋。环氧涂层钢筋，目前应用较多的是环氧涂层钢筋，使用环氧涂层钢筋使钢筋成本增加1/3∼1/5，施工工艺要求高，环氧涂层钢筋在装卸、运输和弯曲等过程中必须保证涂层完整，否则，即使在钢筋涂层上有一点小损坏，也会使该处发生钢筋“坑蚀”，从而导致钢筋在该处加速腐蚀，腐蚀速率比普通钢筋要快。2）应用钢筋阻锈剂，钢筋阻锈剂加入混凝土中，通过单分子层的化学反应阻止或减缓钢筋腐蚀。阻锈剂能有效抑制混凝土内氯离子的活化作用，主要用于预防氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀，使用方便，可均匀分布于混凝土保护层中，且费用相对较低，是一种经济有效的防护措施。3）阴极保护，阴极保护能直接抑制钢筋自身的电化学腐蚀过程，尤其适用于易受氯化物污染的混凝土中钢筋的保护，是目前保护混凝土中钢筋最有效且经济的方法之一。阴极保护可分为牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法。前者是采用比钢电位更负的铝合金等作为阳极与钢筋电连接，靠自身的腐蚀提供自由电子实现对钢筋的保护；后者则是以直流电源的负极与被保护的钢筋连接，正极与难溶性的辅助钢筋相接，提供保护电流使钢筋发生阴极极化而受到保护。外加电流阴极保护法的应用较广泛，发展迅速，近10年已应用于新的钢筋混凝土结构。4）混凝土表面涂覆，为防止水、氯化物、氧气和二氧化碳等侵蚀介质渗入混凝土，以延缓钢筋锈蚀，对于修补过的混凝土或新浇注的混凝土结构，在混凝土表面涂覆各种保护层，作为混凝土第一道纺线，往往是一种比较简便、经济、有效的辅助性保护措施。2.海工混凝土质量控制及施工工艺：为了保证海工混凝土的质量和使用耐久性，还必须对海工混凝土的质量控制过程和施工工艺进行研究，建立一套质量控制体系和施工工艺标准，这对今后海工混凝土的设计施工有重大指导意义。1）质量控制：首先是对原材料的质量控制，其中包括原材料存及管理和对原材料（水泥、粗骨料、细骨料、外加剂、外掺料）的技术操作要符合要求。然后是对施工质量的控制，具体包括施工前的准备（人员确定和培训、制定质量控制和保证措施、做好检验记录、明确检验方法、施工工艺适应施工要求、建立相应实验室，准备主要施工技术文件等），施工过程质量控制（配合比的制定、混凝土的拌制、运输、浇筑泵送工艺、表面处理、养护、季节性施工要求），施工后期质量控制（后期养护控制、表面缺陷处理）。2）施工工艺：缓凝冲水法3.预防桥墩高性能混凝土裂纹的措施：根据工程设计要求达到的HPC性能要求,确定HPC的设计依据与原则,结合混凝土施工工艺性能要求,通过HPC的设计与优化,选择合适、经济的混凝土组成材料及性能优异的HPC施工用配合比。控制裂纹的主要因素时水化热降温引起的拉应力,此拉应力大小与墩身本身结构、外界约束程度、水泥水化热、混凝土内部温度及内外温差、混凝土降温速率、混凝土水化收缩变形及养护情况等均有一定关系,主要采取了以下措施:1)加密横向箍筋间距,增强混凝土抗裂性能。2）为了降低混凝土的温度应力,严格控制混凝土的入模温度。3）优化内部冷却管的设置,降低混凝土内部温度峰值—“内降”。4）采用蓄水养护及延长拆模时间—“外保”。加强混凝土养护工作,养护时间延长到15d以上,延长拆模时间(7d以后拆模),可以达到保温保湿效果,同时也提高了混凝土侧限强度。5）缩短承台与墩身混凝土浇注时间差,减少承台约束产生拉应力。6）采用佳路得聚丙烯网状纤维,提高混凝土本身抗裂性能。四、用同类工程实例说明效果通过对象山港跨海大桥设计施工需求、服役环境、工程特点和原材料调研，对C15}C55不同强度等级海工高性能混凝土配合比进行了优化设计，研究了矿物掺和料掺量与配伍对海工混凝土的工作性、力学性能、耐久性能性能的影响规律，海工高性能混凝土施工质量控制和施工工法，得出以下主要结论:1、调研收集了跨海大桥桥址地区历年来的水文气象资料，包括水位、风浪、潮汐、温度以及湿度变化等资料。2、调查研究了我国沿海不同海域己建、及在建海工工程原材料性能对混凝土性能的影响，己建桥梁结构混凝土的劣化方式、程度与发展随原材料特点、施工环境与工程要求的变化规律，提出了海工混凝土原材料优选原则及集料继配设计原则，总结分析并建立了不同海工混凝土工程环境特点、工程要求与原材料的匹配性选择技术指南及控制要点。3、针对浙江省象山港地区