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：***

学号：G********

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：