曾香華，肖春發(fā)，趙杰

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

我國建筑結(jié)構(gòu)耐久性問題日益突出[1]，截止20世紀末，有近23.4億m2建筑物進入老齡期，處于提前退役的局面。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，我國民用建筑的室外構(gòu)件在干濕交替的環(huán)境中使用年限約為30～40 a，工業(yè)廠房使用20～30 a后須進行大修，海港碼頭和除冰鹽侵蝕的建筑結(jié)構(gòu)損傷程度則更加嚴重。

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展，海邊、海島大型建筑越來越多，結(jié)構(gòu)耐久性受到關(guān)注。影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素有很多種，其中由于鋼筋銹蝕造成的結(jié)構(gòu)耐久性失效問題尤為突出。本文依托港珠澳大橋橋隧轉(zhuǎn)換人工島島上建筑為工程實例，對外海環(huán)境中建筑結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計進行分析。

1 工程特點

港珠澳大橋集橋、島、隧為一體，主航道采用隧道形式，修建了2座人工島提供橋隧轉(zhuǎn)換所需設(shè)施。島上建筑作為港珠澳大橋的養(yǎng)護、消防、監(jiān)控、沉管隧道通排風(fēng)以及管理辦公等多種用途使用。島上建筑主要采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，局部采用鋼結(jié)構(gòu)。人工島處于外海環(huán)境，海上環(huán)境具有溫差大、濕度大以及含鹽高等特點，這對結(jié)構(gòu)耐久性是很不利的。海洋環(huán)境氯離子侵蝕引起鋼筋銹蝕是結(jié)構(gòu)耐久性的主要影響因素。其次，島上建筑120 a的設(shè)計使用壽命，對結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計及后期耐久性維護都提出了更高的要求。

2 耐久性設(shè)計的內(nèi)容

結(jié)構(gòu)的耐久性是其抵抗大氣影響、化學(xué)侵蝕和其他劣化過程而長期維持其性能的能力。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，耐久性被看成是結(jié)構(gòu)所需的一種功能而不是其固有的內(nèi)在性能，所以結(jié)構(gòu)耐久性定義[2]：在設(shè)計確定的環(huán)境作用和維修、使用條件下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計使用年限內(nèi)保持其適用性和安全性的能力。

結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐久性設(shè)計應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的設(shè)計使用年限、具體環(huán)境類別及作用等級進行。結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的內(nèi)容可包含以下要求[3]：

1）合理選擇耐久性材料。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋的銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷的最主要因素。為了防止鋼筋銹蝕，國內(nèi)外學(xué)者從20世紀60年代開始根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的措施，主要措施有：恰當(dāng)?shù)剡x擇混凝土原材料和配合比，從各個方面加強混凝土的密實性，以加強對鋼筋的保護；提高鋼材自身的防腐性能，采用環(huán)氧涂層鋼筋，摻鋼筋阻銹劑等；研究開發(fā)新型防腐材料，如纖維增強塑料（FRP）筋[4]等。

2）加強裂縫寬度控制。一般混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件允許在荷載作用下出現(xiàn)裂縫，但從耐久性要求考慮，裂縫寬度應(yīng)加以限制。

3）重視結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計。合理地選擇結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的幾何形狀，使其不能形成侵蝕性物質(zhì)停留區(qū)；構(gòu)造設(shè)計中要特別避免結(jié)構(gòu)中的受力突然轉(zhuǎn)移和截面的突然變化造成的應(yīng)力集中引起的開裂。

3 本工程耐久性設(shè)計

3.1 環(huán)境類別和環(huán)境作用等級確定

島上建筑按表1、表2[2]確定環(huán)境類別、環(huán)境作用等級。本工程環(huán)境類別、環(huán)境作用等級為Ⅲ-E。

表1 環(huán)境類別和環(huán)境作用等級Table 1 Classification of environment and grading of environmental actions

表2 海洋氯化物環(huán)境的作用等級Table 2 Action grading of marine chloride environment

3.2 混凝土材料要求及保護層厚度選取

島上建筑設(shè)計使用年限為120 a，其耐久性設(shè)計高于國內(nèi)的相關(guān)規(guī)范。根據(jù)港珠澳大橋管理局正式頒布的《港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計指南》，島上建筑耐久性設(shè)計指標(biāo)參考表3、表4取值。

本工程采用港珠澳大橋試驗中心配制的海工高性能混凝土。海工高性能混凝土用混凝土的常規(guī)材料和工藝，在常溫下，以低水膠比、大摻量優(yōu)質(zhì)摻合料和較嚴格的質(zhì)量控制制作的滿足結(jié)構(gòu)要求的強度、較高耐久性、高尺寸穩(wěn)定性及良好工作性的混凝土。

表3 港珠澳大橋混凝土構(gòu)件耐久性設(shè)計指標(biāo)Table 3 Durability design index for concrete members of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

表4 港珠澳大橋混凝土質(zhì)量要求Table 4 Quality requirements for concrete of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

島上建筑參考上述表中取值如下：混凝土強度等級為C50，混凝土保護層：梁柱60 mm，板墻50 mm。

3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫控制

以GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》為依據(jù)，島上建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫控制等級為三級，最大裂縫寬度限值為0.2 mm，按裂縫控制驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件及配筋。

3.4 混凝土表面防腐蝕涂層

島上建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于嚴酷的海風(fēng)環(huán)境中，具有潛在腐蝕風(fēng)險，為了保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件在120 a使用壽命周期內(nèi)保持良好的耐久性，應(yīng)采取必要的附加防腐蝕措施。常見的附加防腐蝕措施有[5]：混凝土表面硅烷浸漬、環(huán)氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑等。

通過對不同外加防腐措施的分析，島上建筑非清水混凝土構(gòu)件采用一次硅烷浸漬。清水混凝土構(gòu)件由于考慮到外觀要求，采用SKK硅系、氟系清水混凝土保護涂層。

3.5 混凝土耐久性的施工要求

混凝土構(gòu)件宜由工程預(yù)制，減少現(xiàn)場作業(yè)量。本工程采用了鋼筋整體預(yù)制裝配工藝：結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋籠工廠預(yù)制，再現(xiàn)場吊裝。比現(xiàn)場綁扎鋼筋質(zhì)量牢靠，保護層厚度合格率高，木模板損壞少，混凝土澆筑質(zhì)量好且有保證。

混凝土施工時應(yīng)盡量減少暴露的工作面，澆筑完成后1～2 h內(nèi)，使用塑料布覆蓋進入養(yǎng)護階段。在養(yǎng)護期間應(yīng)保持混凝土表面一直處于濕潤狀態(tài)，混凝土的潮濕養(yǎng)護時間不低于15 d[6]。

3.6 主體鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用耐候鋼

鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用耐候鋼，不但能夠提高結(jié)構(gòu)的安全性、承載能力和服役壽命，而且具有降低維護成本等優(yōu)點。本工程采用了鞍鋼Q345qENH，以鐵素體+貝氏體為主的組織結(jié)構(gòu)，加之合理的Cu、Cr、Ni匹配，其耐腐蝕性能明顯優(yōu)于普通碳素鋼和傳統(tǒng)的耐大氣腐蝕鋼種，可以用于制造具有耐大氣腐蝕要求的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

3.7 耐久性維護管理

結(jié)構(gòu)運營期間，應(yīng)針對結(jié)構(gòu)構(gòu)件建立耐久性檢測制度。檢測制度應(yīng)根據(jù)不同需要分別建立驗收檢測、日常檢測、定期檢測、特殊檢測以及終期檢測的檢測項目、頻次以及相應(yīng)的檔案管理制度。及時采集結(jié)構(gòu)耐久性監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實時定量評估結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性狀態(tài)。應(yīng)根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐久性起點狀態(tài)，建立合理的構(gòu)件維護制度。維護制度應(yīng)結(jié)合構(gòu)件在具體環(huán)境條件下的實際劣化過程，以及相關(guān)的耐久性檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)，合理安排構(gòu)件維護強度和維護時間與頻次，以最優(yōu)的維護成本保證混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐久性可靠指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

1）設(shè)計階段是保證結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵步驟，措施適當(dāng)才能有效保證結(jié)構(gòu)的使用年限，要增強設(shè)計人員的結(jié)構(gòu)耐久性意識。

2）惡劣的外海環(huán)境項目，應(yīng)結(jié)合工程實際情況，耐久性設(shè)計應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計方案選型、施工工藝、到后期運營維護管理，全生命周期考慮，制定一個系統(tǒng)的方案。

3）對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有重大影響的混凝土密實度、混凝土保護層厚度的變異性，在很大程度上取決于施工質(zhì)量。加強施工管理，提高施工質(zhì)量對提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有非常重要的作用。

4）在混凝土結(jié)構(gòu)的使用階段，應(yīng)重視對結(jié)構(gòu)的正常維護和管理，以及對服役混凝土結(jié)構(gòu)的檢測和評估，必要時進行修理和加固，以保證結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)的安全。

5）本項目基于耐久性設(shè)計要求確定的混凝土強度及保護層厚度、配合比和施工養(yǎng)護要求，從項目完成后的實際效果來看，達到了設(shè)計要求，得到了各方好評。