王金權(quán)，肖龍，毛江鴻，金偉良，3，高謙，徐方圓

（1.寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司，浙江 寧波 315317；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；3.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058）

杭州灣跨海大橋暴露試驗站建設(shè)、維護與利用

王金權(quán)1，肖龍1，毛江鴻2，金偉良2，3，高謙2，徐方圓2

（1.寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司，浙江 寧波 315317；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；3.浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江 杭州 310058）

杭州灣跨海大橋處于典型的海洋腐蝕環(huán)境，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性跟蹤檢測對評估大橋耐久性具有重要作用。為評估杭州灣跨海大橋的混凝土耐久性，在杭州灣跨海大橋建造時同步建設(shè)了杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性暴露試驗站，迄今暴露試驗站已采集了大量數(shù)據(jù)用于評估杭州灣跨海大橋混凝土耐久性。文章綜述了該暴露試驗站的建設(shè)和維護經(jīng)驗，并介紹了暴露試驗站的信息化建設(shè)與管理對評估大橋耐久性的作用。

混凝土結(jié)構(gòu)；耐久性；暴露試驗站；杭州灣大橋

0 引言

目前，國內(nèi)外針對鋼筋混凝土的耐久性試驗方法可分為真實試驗法、模擬試驗法等[1-2]。其中，真實試驗法中的現(xiàn)場暴露試驗是將混凝土試件放入真實環(huán)境中劣化，該方式具有無損檢測、工作面好、操作便利等優(yōu)點，試驗結(jié)果真實可靠。國內(nèi)外已建設(shè)有一定數(shù)量的現(xiàn)場暴露試驗站，我國在華南、華東、華北、東北等典型海域的海港工程中均建設(shè)有暴露試驗站[3-6]，有的已經(jīng)積累了30余a研究數(shù)據(jù)，不少成果被規(guī)范、標準所采納[7]。

杭州灣大橋是我國首次提出使用設(shè)計年限百年要求的重大基礎(chǔ)設(shè)施工程，杭州灣海域風(fēng)浪大、潮差高、海流急、氯離子含量高，鑒于此，在杭州灣大橋建造期便在海中平臺建設(shè)了混凝土暴露試驗站[5]，用以評估杭州灣大橋的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。本文介紹了杭州灣大橋暴露試驗站近10余a開展的研究工作，包括耐久性評估、新技術(shù)測試平臺等；并針對暴露試驗站運營過程中存在的難題，開展了信息化建設(shè)，以便高效獲取、存儲及處理數(shù)據(jù)。

1 暴露試驗站建設(shè)與維護

1.1 建設(shè)依據(jù)

人工氣候模擬試驗與現(xiàn)場暴露試驗已成熟應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究，但是人工氣候模擬試驗結(jié)果和現(xiàn)場試驗檢測結(jié)果的關(guān)聯(lián)性是將人工氣候模擬試驗的結(jié)果應(yīng)用于現(xiàn)場實際并進行耐久性評估的關(guān)鍵。針對上述關(guān)鍵問題，浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程研究所提出多重環(huán)境時間相似理論（Multi-Environmental Time Similarity，METS）[8-9]進行杭州灣大橋的耐久性評估與壽命預(yù)測。

該方法通過引入與杭州灣大橋有相似環(huán)境條件且具有服役一定年限的乍浦港作為參照物（環(huán)境相似），通過對第三方參照物的現(xiàn)場檢測結(jié)果與相應(yīng)混凝土試件的室內(nèi)加速試驗結(jié)果進行分析，建立兩種環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性參數(shù)隨時間變化的相似關(guān)系（時間相似），利用上述相似關(guān)系以及杭州灣大橋相同配合比混凝土試件的室內(nèi)加速試驗結(jié)果，可實現(xiàn)杭州灣大橋的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估[10]。在上述評估系統(tǒng)中，暴露試驗站中設(shè)置的混凝土試件可在無損實體橋梁的基礎(chǔ)上提供大量實測數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)杭州灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的跟蹤檢測與評估。

1.2 建造與維護

杭州灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性暴露試驗站的結(jié)構(gòu)設(shè)計如文獻[5]所述，該試驗站建設(shè)在大橋的海中平臺下方，具備環(huán)境代表性好、交通便利、易于管理等優(yōu)點，共設(shè)置了大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)（2層）和水下區(qū)共4個分區(qū)，5層試驗平臺，各平臺中試件分別代表實橋不同高程部位的混凝土，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 杭州灣大橋暴露試驗站Fig.1 Field exposure station of Hangzhou Bay Bridge

海洋環(huán)境中暴露試驗站主要存在結(jié)構(gòu)自身防腐以及混凝土試件保護等難題，對暴露試驗站和試件進行維護是提高數(shù)據(jù)利用效率、保證監(jiān)測數(shù)據(jù)準確的必要條件，因此采用如下措施進行維護：

1）結(jié)構(gòu)防腐：暴露試驗站為鋼結(jié)構(gòu)，試件搬運過程、海中漂浮物等均有可能撞擊和破壞防腐涂料，需定期對結(jié)構(gòu)主體、鋼格柵及結(jié)構(gòu)連接件等進行防腐涂裝。

2）試塊分類：為更好的保護試件并方便進行現(xiàn)場取粉，可依據(jù)試塊尺寸及保護層厚度，遵循方便取粉檢測的原則，將試驗站內(nèi)試件進行分類并存放于不同柵格內(nèi)。

3）試塊固定：結(jié)合暴露試驗站的結(jié)構(gòu)特征，采用不銹鋼條的形式，通過底部柵格的橫條，將試件緊密的固定在柵格內(nèi)部，防止試件的來回撞擊，保證試件完好以及柵格的完整，如圖2所示。

圖2 暴露試驗站內(nèi)試塊固定Fig.2 Fasten of specimens in field exposure station

4）數(shù)據(jù)檢測：采用4次/a的頻率對暴露試驗站試件進行氯離子濃度檢測，動態(tài)更新耐久性數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

2 暴露試驗站的信息化建設(shè)

2.1 檢測數(shù)據(jù)管理的信息化

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測與評估長期過程，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效保存與利用，基于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)編制了杭州灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性暴露試驗站試塊管理系統(tǒng)。管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成包括：結(jié)構(gòu)層、柵格層以及試塊層，如圖3所示。

1） 結(jié)構(gòu)層：將暴露試驗站分為大氣區(qū)（D）、浪濺區(qū)（L）、潮差 1區(qū)（C1）、潮差 2區(qū)（C2）和水下區(qū)（S）。

2） 柵格層：每個結(jié)構(gòu)層設(shè)置16個柵格，以浪濺區(qū)為例，設(shè)置了“L-A1”、“L-A2”至“L-A16”。

圖3 暴露試驗站管理系統(tǒng)的信息查詢功能Fig.3 Information search function of field exposure station management system

3） 試塊層：試塊信息中包括了試塊的配合比、尺寸、暴露時間、各檢測時間點的氯離子分布圖等信息。

2.2 耐久性評估的信息化

通過對室內(nèi)加速試驗、現(xiàn)場檢測試驗結(jié)果得出了杭州灣大橋不同結(jié)構(gòu)部位的耐久性主要參數(shù)的先驗信息，結(jié)合貝葉斯更新方法，利用暴露試驗站上取粉得到的參數(shù)信息，對主要參數(shù)進行信息的更新，再結(jié)合METS理論進行大橋不同結(jié)構(gòu)部位的耐久性評估和預(yù)測。編制了杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性預(yù)警系統(tǒng)（軟著登字第0492237號），如圖4所示。

圖4 杭州灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性預(yù)警系統(tǒng)Fig.4 Concrete durability warning system for Hangzhou Bay Bridge

該預(yù)警系統(tǒng)包含三個模塊：

1）數(shù)據(jù)庫模塊：利用大橋耐久性數(shù)據(jù)庫中的氯離子濃度數(shù)據(jù)，通過Fick第二定律對表面氯離子濃度Cs和擴散系數(shù)D進行參數(shù)擬合。

2）參數(shù)更新模塊：將大橋各部位每年檢測并擬合得到的表面氯離子濃度Cs和擴散系數(shù)D的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，即“更新信息”，通過貝葉斯更新方法將此“更新信息”與往年的“先驗信息”結(jié)合起來，可獲得表面氯離子濃度Cs和擴散系數(shù)D的“后驗信息”。

3） 壽命預(yù)測模塊：將表面氯離子濃度Cs和擴散系數(shù)D的后驗信息、保護層厚度c、臨界氯離子濃度Ccr等各隨機變量的統(tǒng)計參數(shù)輸入界面中，通過Monte-Carlo數(shù)值模擬方法得到大橋耐久性使用壽命。

3 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了杭州灣大橋暴露試驗站的建設(shè)和維護經(jīng)驗，并介紹了暴露試驗站的信息化建設(shè)與管理，相關(guān)成果可為國內(nèi)外類似工程提供參考，主要結(jié)論如下：

1）設(shè)計了覆蓋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)和水下區(qū)的暴露試驗站，并提出了在后期管理中要關(guān)注結(jié)構(gòu)自身防腐以及混凝土試件保護等問題，以保障數(shù)據(jù)的連續(xù)性、有效性和準確性。

2）為了有效管理和維護暴露試驗站，編制了杭州灣大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性暴露試驗站試塊管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的科學(xué)保存與利用。

3） 基于METS理論和可靠度理論，使用MATLAB GUI開發(fā)“跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性預(yù)警系統(tǒng)”，結(jié)合先驗信息和檢測數(shù)據(jù)預(yù)測杭州灣大橋耐久性使用壽命。

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Construction，maintenance and utilization of field exposure station at Hangzhou Bay Bridge

WANG Jin-quan1,XIAO Long1,MAO Jiang-hong2,JIN Wei-liang2,3,GAO Qian2,XU Fang-yuan2
（1.Ningbo Hangzhou Bay Bridge Development Co.,Ltd.,Ningbo,Zhejiang 315317,China;2.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo,Zhejiang 315100,China;3.Institute of Structural Engineering,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310058,China）

The Hangzhou Bay Bridge located at the typical marine corrosion environment.Research on the durability of reinforced concrete acted as an important role to evaluate the durability of the bridge.To evaluate the durability of Hangzhou Bay Bridge,we built the concrete durability field exposure station of the bridge during the construction.We collected large amount of data for evaluating the durability of Hangzhou Bay Bridge.In this paper,we summarized the experience of construction and maintenance for the field exposure station,and introduced the application of information construction and management of the exposure test station to evaluate the durability of the bridge.

concrete structure;durability;field exposure station;Hangzhou Bay Bridge

U446.2

B

2095-7874（2017）10-0078-04

10.7640/zggwjs201710017

2017-02-21

2017-03-23

國家自然科學(xué)基金項目（51408544，51638013）；國家科技支撐計劃項目（2015BAL02B03）

王金權(quán)（1979— ），男，遼寧鐵嶺人，碩士，高級工程師，主要從事橋梁的維護與管理工作。

E-mail：15557870206@zj165.com