港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计原则与方法

引言

　　目前在建的港珠澳大桥是连接香港、珠海、澳门的跨海工程，包括海中桥梁28.8km(包括3个通航孔桥)，两个海中人工岛以及6.8km的海中沉管隧道，工程总投资超过700亿元。工程整体的设计使用年限为120年，工程于2008～2010年完成初步设计，2010年开始施工，预计于2015/2016年完成施工。工程设计中的主要技术挑战之一就是需要在严酷的海洋环境中保证工程整体120年的设计年限。
　　耐久性设计已经成为保证结构使用年限的重要手段。混凝土结构的耐久性是在使用期限内、在环境因素的作用下结构与构件的性能能够满足适用性与安全性的能力。近年来国内外学者在混凝土材料与结构水平上对耐久性问题进行了广泛和深入的研究；和结构的真实服役状况调查相结合，能够对新建结构的耐久性设计提供研究和数据基础。混凝土结构耐久性设计可以分为定性设计方法和使用数学模型的定量设计方法。定性设计方法基于工程经验直接给出在确定环境作用和指定使用年限下的材料、构造以及防腐蚀要求；是目前多数设计规范采用的方法。定量方法使用数学模型针对确定的环境作用、指定的使用年限以及明确的耐久性极限状态进行设计。应该指出，两种方法并不对立；由于目前学术界对不同耐久性过程的研究深度并不均一，提出数学模型的工程可用程度也有差异；因此合理的耐久性设计应该将定性设计与定量设计统一起来。本文介绍了港珠澳大桥工程初步设计阶段针对120年使用年限的耐久性设计原则，建立了海洋环境下耐久性设计的方法，给出了不同暴露条件下结构混凝土的定性与定量要求，以及耐久性设计指标与质量控制标准。
1环境条件与作用
1.1基本环境数据
　　港珠澳大桥的工程场址环境属于南亚热带季风性气候，以下基本环境数据取自于初步设计阶段的环境、水文与气候的工程调查数据。工程场址的年平均温度为22.3～23.1℃；年平均湿度为77%～80%，季节变化明显；主导风向为东和东南风，年平均风速为3.1m/s(珠海)，3.6m/s(澳门)和6.6m/s(香港)。水质分析表明，海水中氯离子含量为10700～17020mg/L，硫酸根含量为1140～2260mg/L，海水pH值在6.65～8.63之间；海水的含盐度整体上东部(香港侧)高于西部(珠海-澳门侧)，同一地点海水表层的含盐度低于底层含盐度，最高含盐度为32.9(东部)和25.4(西部)。
　　水文数据分析表明，重现期为10年和100年的设计高水位和设计低水位分别是2.74m(高水位)，－1.27m(低水位)和3.47m(高水位)，－1.51m(低水位)。重现期100年的1%波高为5.47m；根据海港工程行业标准JGJ275—2000浪高的计算结果为4.83m。最高天文潮位为3.52m，最低天文潮位为－1.32m；重现期100年的有效波高为3.92m。根据以上数据，按照JGJ275—2000针对无掩护条件得到海洋环境暴露区域的分布:大气区(＞+6.26m)，浪溅区(+6.26～－0.40m)，水位变动区(－0.40m～－2.10m)，水下区(＜－2.10m)。
1.2环境作用
　　根据GB/T50476—2008，混凝土结构的环境作用可按照不同的劣化机理划分为5类，每个环境分类中又区分环境作用等级。结合港珠澳大桥工程场址的环境数据，表1列出了港珠澳大桥主要混凝土结构的环境作用类别和等级，其中环境类别I表示大气环境、III表示海洋环境、V表示化学腐蚀环境。


1.3劣化过程分析
　　根据表1的环境因素分析，港珠澳大桥混凝土结构可能存在的耐久性过程包括:混凝土表层碳化引起的钢筋锈蚀(I类环境)，海洋氯离子引起的钢筋锈蚀(III类环境)，海水盐类对混凝土的腐蚀作用(V类环境)，以及混凝土内部可能出现的碱-骨料反应和内部硫酸盐(延迟钙矾石生成)反应。
　　(1)混凝土表层碳化引起钢筋锈蚀过程，包括两个阶段:外部CO2进入混凝土内部引起混凝土的碳化反应和由碳化反应导致的钢筋的锈蚀过程。干燥环境有利于碳化过程而湿润环境有利于钢筋的锈蚀过程；因此干湿交替是最为严酷的环境作用条件。耐久性设计的主要控制因素是混凝土保护层质量、厚度以及裂缝控制。
　　(2)氯离子侵入引起的钢筋锈蚀过程，包括两个阶段:外部海洋氯离子向混凝土内部的迁移过程和钢筋表面由氯离子诱发的钢筋电化学锈蚀过程。前者的速率主要由混凝土的氯离子扩散系数以及材料的孔隙含水率决定；后者主要由钢筋电化学锈蚀反应因素决定，包括氧气、水的含量以及钢筋表面的阴阳极面积比例等。耐久性设计的控制因素包括混凝土保护层厚度与质量以及表面裂缝宽度的控制。
　　(3)盐类作用，包括物理和化学两个方面。物理作用是在外部干湿交替作用下，孔隙溶液的盐类结晶过程对材料造成的力学破坏；化学作用主要指盐类与水泥水化产物发生化学反应，对材料的长期稳定性产生不利影响。海水中的硫酸盐可能同时导致上述的两个作用。耐久性设计控制因素包括混凝土的致密程度以及针对外部盐类的水泥的矿物组成。　　
　　(4)混凝土内部膨胀反应，主要包括碱活性骨料和孔隙溶液之间的碱-骨料反应(AAＲ)，以及内部钙矾石的延迟生成(DEF)。两者的产物均可通过体积膨胀对材料造成破坏作用，但破坏作用的显现需要较长的潜伏期；目前对内部膨胀反应的工程措施，AAＲ主要通过控制骨料的碱活性和水泥的含碱量来实现，DEF通过控制水泥的铝酸三钙以及等价三氧化硫含量以及混凝土硬化过程中的水化温升来控制。
2　耐久性设计原则与方法
　　2.1总体原则
　　针对港珠澳大桥结构混凝土的耐久性过程，耐久性设计需要从总体上合理地将材料设计和结构设计结合起来，来综合保证结构120年的设计使用年限。表2根据相关规范标准，汇总了在材料和结构水平耐久性设计的内容。
　　经过港珠澳大桥工程对结构混凝土原材料以及水泥矿物成分的控制和有针对性的混凝土配合比设计，盐类作用(物理、化学)和混凝土内部膨胀反应的可能性被控制在很低的水平上；因此不再作为耐久性控制过程考虑。混凝土表层碳化和海洋氯离子的侵入引起的钢筋锈蚀过程是耐久性设计的控制过程。耐久性设计将分别在材料和结构水平上确定混凝土材料设计和构件结构设计参数，并确定相应的设计安全裕度。


2.2设计年限和极限状态
　　港珠澳大桥整体设计年限为120年。以此为基本目标，结构层次的耐久性设计首先需要根据构件的重要性和技术可行性确定各个混凝土构件的设计使用年限。本文确定构件使用年限的原则为:主要受力构件和难以维护构件的设计使用年限与结构整体相同(120年)；次要构件和能够定期维护的构件可低于整体使用年限，但维护周期需要在设计阶段确定。
　　确定了构件的设计使用年限后，耐久性设计需要确定耐久性极限状态。对于钢筋锈蚀过程，可定义两种极限状态:(a)钢筋表面脱钝极限状态，和(b)钢筋有限锈蚀的极限状态。对于港珠澳大桥混凝土结构，主要受力构件的耐久性极限状态采用(a)，次要和可更换构件可采用极限状态(b)。表3给出了港珠澳大桥混凝土结构主要构件的暴露环境等级划分、设计使用年限以及对应的耐久性极限状态。
2.3耐久性设计方法
　　本文针对氯离子侵入过程进行耐久性设计，设计参数包括保护层混凝土质量(抗氯离子能力)，保护层厚度以及表面裂缝的控制宽度；相应的构件设计使用年限和对应的耐久性极限状态见表3。本文耐久性设计使用数学模型，结合港珠澳大桥具体环境条件和华南地区长期暴露试验数据对模型参数进行校准，并使用分项系数方法完成耐久性设计。耐久性设计的保证率对应的可靠度指标设定为β=1.3，低于现有的fib Model Code的可靠度指标β=1.5。采用较低的可靠度指标基于以下考虑:①初步设计阶段的耐久性设计提供结构混凝土的基本要求，后续的详细设计会在此基础上采取不同的附加措施；②本文采用的DLS为钢筋脱钝状态，对应相对保守的耐久性设计。最终的耐久性设计的可靠度指标在详细设计方案确定后会进行最终评估。


　　作为耐久性设计参数之一，混凝土表面裂缝宽度理论上需要根据环境作用和构件的设计使用年限，结合具体的耐久性过程来确定。然而目前有关裂缝对耐久性过程的定量影响尚未形成定论，尚不能支撑工程设计。因此，对于港珠澳大桥的混凝土结构的表面裂缝宽度控制通过综合分析现有研究数据和国际、国内标准来确定。
3　氯离子侵入过程设计

3.1基本模型
　　海洋环境中氯离子侵入模型采用工程应用较为广泛的Fick扩散模型，以钢筋表面脱钝作为DLS，设计方程为，

　　式中:Ccr，s为临界氯离子浓度和混凝土表面氯离子浓度(%)；xd为混凝土保护层厚度(m)；DCl为表观氯离子扩散系数(m2/s)；tSL为设计使用年限；erf为数学误差函数。通过长期观测，暴露条件下混凝土的表观氯离子扩散系数随时间呈现指数衰减的规律，

　　式中:n为表观氯离子扩散系数时间衰减指数；D0为混凝土在龄期t0时的表观扩散系数，应该明确D0本质上是暴露试验对应龄期t0的表观扩散系数，和在该龄期的实验室快速测试结果不同；η(t0，t)为DCl的总体时间衰减系数。氯离子扩散系数衰减的主要机理之一是混凝土材料的微观结构由于内部不断水化而变得致密。但认为DCl会随时间无限衰减显然不合理；因此在港珠澳大桥混凝土结构设计中，结合材料的具体组成将衰减周期定为30年；

　　也就是说，模型认为材料的微观结构在30年后不再发展。因此，氯离子侵入模型对于一个指定的设计年限tSL包括5个模型参数:Ccr，Cs，xd，D0，n(η)。
　　3.2参数统计规律与分项系数
　　氯离子侵入模型的参数取值与结构的具体暴露环境以及材料组成有很大关系。为保证港珠澳大桥氯离子侵入模型计算的准确性，需要结合港珠澳大桥的环境条件和结构材料组成确定这些参数。为此，耐久性设计首先分析了华南地区近30年的暴露试验数据和工程调查数据，确定了适于港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计的模型参数及其统计特征；然后使用全概率方法，以β=1.3为目标，使用可靠度理论校准模型参数的设计取值及其分项系数。
　　图1给出了港珠澳大桥氯离子侵入过程耐久性设计参数的统计特征。表面氯离子浓度统计了湛江港暴露实验站近12年内351个试件的数据，表明表面氯离子浓度符合正态分布；临界氯离子浓度统计了不同暴露条件下68个试件的数据，分析表明临界氯离子浓度在大气区服从对数正态分布、在水下区、水变区和浪溅区服从beta分布；氯离子扩散系数统计了不同暴露龄期的395个试件数据，分析表明，氯离子扩散系数服从正态分布；其龄期衰减指数也服从正态分布；混凝土保护层厚度统计了近30年1904个海港工程调查数据；分析表明，保护层厚度服从正态分布；设计值大于50mm的保护层厚度的标准差分别为6.1mm(1996年之前)和5.3mm(1996年之后)。







　　基于模型参数的上述统计特征，本文使用全概率校准方法确定对应β=1.3的模型参数分项系数。按照结构设计习惯，保护层厚度不采用分项系数而是采用施工操作允差Δx来赋予保护层厚度指定的裕度，将保护层厚度区分为名义值xdnom和最小值xdmin。将图1中保护层厚度分布规律中的平均值和95%保证率的分位值分别作为xdnom和最小值xdmin，可以得到操作允差Δx约为10mm；表4给出了设计参数的分项系数，限于篇幅，详细的校准算法予以省略。从校准过程来看，使用年限(50年、120年)对分项系数的影响很小，因此在本文对不同的年限采用相同的分项系数。耐久性设计将氯离子扩散系数DCl和保护层厚度xd视为设计变量，在其他参数确定的前提下给出对应不同设计年限和暴露条件的设计值。


3.3设计结果
　　使用表4得到的校准参数与分项系数，针对氯离子侵入的分项系数法设计方程成为

　　以下设计过程将氯离子扩散系数的特征值D0Cl和保护层厚度的名义值xnomd作为设计变量。使用式(4)，图2和图3分别表示了针对设计年限50年和120年和不同暴露条件下混凝土构件的设计结果；针对每个设计年限，图中还表示了初始暴露龄期分别为28d和56d的氯离子扩散系数的设计结果。由图2得出，如果将浪溅区保护层厚度定在55～65mm，50年设计使用年限的氯离子扩散系数设计取值区间为(2.9～4.3)×10－12m2/s(28d)和(2.1～3.1)×10－12m2/s(56d)；由图3得出，如果设计年限为120年，浪溅区保护层厚度定在75～85mm，则相应的氯离子扩散系数的设计取值区间为(2.5～3.3)×10－12m2/s(28d)和(1.8～2.4)×10－12m2/s(56d)。



4　耐久性设计参数与质量控制




　　根据图2和图3的设计结果，保护层厚度和对应的氯离子扩散系数被确定为港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计的基本参数，表5汇总了设计结果，为便于设计采用，保护层厚度和氯离子扩散系数都进行了模数化处理。
　　值得注意的是，通过氯离子侵入模型设计得到指定龄期的氯离子扩散系数DCl(t0)，对应于暴露龄期为t0的表观氯离子扩散系数，即该系数是现场回归得到的扩散系数，理论上属于氯离子的非稳态扩散系数(NSSD)，与暴露环境、胶凝材料水化程度和材料孔隙含水状态有密切关系］。港珠澳大桥耐久性质量控制确定使用快速电迁移方法(RCM)作为氯离子扩散系数的质量检测方法，该方法得到的是电场作用下的非稳态氯离子迁移系数(NSSM)，数值上并不等于同龄期(t0)的NSSD扩散系数；因此导致了氯离子扩散系数的耐久性设计值(NSSD)不能直接用来作为质量控制值(NSSM)来使用。为探寻两者的关系，前期的耐久性研究特别将长期暴露试件按照相同配合比在实验室重新成型进行ＲCM试验，得到相同配合比的NSSM扩散系数。试验结果表明，两者存在保守的2倍关系:即NSSM扩散系数约为NSSD扩散系数的2倍。通过这一关系，表5的耐久性设计值被转换为耐久性质量控制值。当然，两者的相关关系还需在后续试验中进一步验证。


5　研究结论
　　本文介绍了港珠澳大桥混凝土结构120年设计使用年限的耐久性设计基本原则和方法。根据水文和环境数据确定了混凝土结构的暴露区域划分以及结构混凝土可能的耐久性过程。通过环境影响因素和材料组成确定了不同耐久性过程的风险水平。耐久性设计总体原则确定为通过材料成分控制盐类腐蚀和内部膨胀反应，通过材料与结构设计来控制碳化、氯离子引起的钢筋锈蚀过程。对于海洋环境氯离子引起的钢筋锈蚀过程使用了Fick模型进行定量化耐久性设计。
　　对于主要混凝土构件DLS取为钢筋表面脱钝状态；设计采用了分项系数法进行，初步设计的目标设计可靠度指标为β=1.3。在近30年创剟劧秢华南地区暴露试验和工程调查数据的基础上，分析确定了各个模型参数的统计规律；在此基础上使用全概率方法以β=1.3为目标校准了模型参数的分项系数和操作允差(保护层厚度)。基于校准模型的设计给出了不同暴露条件、不同设计年限下钢筋保护层厚度(名义值)与对应的氯离子扩散系数设计值之间的关系。　
　　确定了港珠澳大桥混凝土构件的钢筋保护层厚度和质量(氯离子扩散系数)的关系与取值，并作为港珠澳大桥混凝土结构设计的耐久性基本要求为详细设计阶段所采纳。本文进一步探讨了作为耐久性设计值的暴露条件氯离子扩散系数(NSSD)和作为耐久性质量控制值的快速电迁移系数(NSSM)的关系；并根据试验研究结果，实现了设计值与质量控制值的转换。