交通科技管理中心
     
  首页>项目成果>重大成果  
  冰冻海域跨海大桥耐久性保障体系建立与实现  
  日期:2014-01-13    来源:西部项目中心  
  【字号  我要打印  
 
 

中国公路学会科学技术奖 一等奖

    1项目简介

本项目属交通运输科学技术领域,系结合我国冰冻海域首座跨海大桥青岛海湾大桥(现名胶州湾大桥)涉及的冻融破坏和海水侵蚀双重作用下的结构耐久性研究。

青岛海湾大桥所处胶州湾海水含盐度为29.4~32.6‰,每年有47~52次自然冻融循环。项目系统研究了钢筋混凝土结构的耐久性设计、施工保障技术、跟踪监测、动态评估、运营维护策略制定等,同时对钢箱梁腐蚀及其检监测技术进行了探索。通过近8年的研究,取得了以下主要成果:

1.首次提出了冰冻海域跨海大桥耐久性多层次设计理念、参数指标及控制方法,建立了冰冻海域的桥梁结构耐久性保障技术体系,丰富了双重侵蚀作用下钢筋混凝土结构耐久性设计理论。所提出的混凝土冻融破坏-钢筋腐蚀多模态下的结构耐久性设计和控制指标及应用方法、以及可综合反映钢筋混凝土保护层几何厚度和其抗渗性的耐久性评价指标,填补了相关技术空白。

2.成功开发了抗冻融及抗海水侵蚀的大体积耐久混凝土;首次建立了抗冻融耐腐蚀混凝土-透水模板布-防腐涂层的联合长效防护体系,显著提高了表层混凝土质量及涂层与混凝土的粘结力,同时将涂层施涂龄期缩短10天,成倍提高了混凝土的长期抗冻融耐侵蚀能力;早龄期干法涂装技术杜绝了施工期海水对混凝土的污染,为混凝土性能长期稳步提高提供良好保护。理论分析及系统实验均表明该技术体系长效、可靠、实用、经济、易推广。

3.建立了贯穿设计-施工-运营的动态钢筋混凝土耐久性数据平台,重点包括施工期检测数据、常规暴露站定期实测数据、分布式暴露站实时监测数据、代表性实体结构在线拾取数据,全桥构件定期巡检数据;首次实现了混凝土冻融-氯离子侵蚀作用下的耐久性在线监测,搭建了基于耐久性数据链的大桥管养数据体系,为实现主动防护提供数据支持。

4.首次建立了带涂层钢箱梁的腐蚀寿命评估方法,开发了钢箱梁腐蚀在线监测系统及涂层破损率检测仪,探索了钢箱梁疲劳腐蚀在线监测的可能性,填补了相关技术空白。

5.提出了考虑涂层防护和混凝土性能增长共同作用下的钢筋脱钝时间估算方法;建立了考虑失效模型-可靠度、失效检出概率-事件树的钢筋混凝土维护维修措施成本优化方法;提出了考虑区域经济水平的土建行业实际折现率计算方法;为运营期维护维修方案的制定提供了分析工具。

项目成果已成功应用于青岛海湾大桥,并在冰冻海洋环境下的海即跨海大桥、南北长山连岛大桥、大连长山大桥等工程中得到推广应用,产生的经济效益超过5亿元。获得国家发明专利授权5项、受理12项,实用新型专利14项,省部级施工工法4项,参编《海港工程高性能混凝土质量控制标准》,《结构混凝土性能技术规范》。

项目经济、社会、环保效益显著,经专家会议鉴定,研究成果总体达到了国际领先水平。鉴于在设计、科研、施工及人才培养方面取得的成绩,青岛海湾大桥先后荣获美国“福布斯”杂志评选的11座全球最棒桥梁称号,第30届国际桥梁大会“乔治·理查德森”奖。

    2立项背景

青岛海湾大桥是我国首座冰冻海域跨海大桥,一期工程全长28.88km,所处海域的海水冰冻和氯离子侵蚀是影响大桥长期安全使用的首要因素。我国在类似环境下的港口工程结构耐久性方面积累了一定经验,但在跨海公路大桥的耐久性技术方面尚处于尝试阶段。

建于上世纪80年代的丹麦Great-belt Link大桥和加拿大Confederation大桥均采用了低渗透性硅灰混凝土来保证混凝土的耐久性。然而,由于我国和欧美国家的水泥存在显著差异,采用硅灰大体积混凝土时容易出现开裂,需要冰水冷却,工程成本高,施工难度大,这曾经是深圳西部通道香港段建设初期一个非常棘手的问题。

针对钢筋腐蚀,香港青马大桥、深圳西部通道香港段的下部结构最外层钢筋采用了进口不锈钢钢筋;杭州湾大桥等则采用了环氧涂层钢筋和钢筋阻锈剂,这些技术虽然有效,但初期成本高,从国内外实践情况看,这些技术的长期防护性能有待进一步观察。

跨海大桥的通航孔桥多采用带涂层钢箱梁结构,其寿命能否达到设计使用要求,威胁其安全耐久的世界性难题焊缝区腐蚀或腐蚀疲劳该如何处理,也是青岛海湾大桥不得不考虑的重要技术难题。

纵观国内外研究,尚无现成技术成果可直接借鉴,只有通过技术创新,才能解决上述技术难题。

青岛海湾大桥需要解决的关键技术问题包括:

1)应采取什么样的措施来避免目前普遍存在的钢筋过早腐蚀及混凝土冻融剥落问题?各项耐久性措施在设计-施工-运营的全过程中该如何规划和落实?工程结构耐久性应如何控制与验收?

2)针对当前最新的结构耐久性保障措施,如根本措施、辅助措施和改善措施,该如何正确选择与优化组合?

3)维护维修措施极大程度上决定着完工后结构的安全使用年限,以往的被动维护维修已被证明效果差、成本高,能否实现维护维修策略的科学化、变被动维修为主动防护?另外,维护维修措施的技术经济性该如何科学评估?

4)海洋大气环境下,钢箱梁的腐蚀寿命应如何科学评估?对带涂层钢箱梁应如何实施腐蚀监测与检测?如何解决钢箱梁焊缝热影响区的疲劳腐蚀问题?能否进行适当监测?

5)关于涂层对延迟钢筋脱钝时间的贡献,国内外的计算方法都是简单叠加一个年限(如1015年),但在早龄期实施涂装后,混凝土的性能还会不断提高,这种情况下,钢筋脱钝时间该如何估算?

因此,本项目的研究目标就是建立一套实用性强的,基于数据链的大桥结构耐久性保障技术体系,以确保大桥的设计使用寿命能够科学、经济地实现,并为我国未来北方冰冻海域跨海大桥的建设提供数据支持。

    3主要创新点

 1.首次提出了冰冻海域跨海大桥的耐久性多层次设计理念、参数指标及控制方法,建立了冰冻-腐蚀条件下的桥梁结构耐久性保障技术体系,丰富了双重侵蚀作用下钢筋混凝土结构耐久性设计理论。所提出的混凝土冻融破坏-钢筋腐蚀多模态下的结构耐久性设计和控制指标及应用方法、以及可综合反映钢筋混凝土保护层几何厚度和其抗渗性的耐久性评价指标,填补了国内外相关技术空白。

2.首次建立了抗冻融耐腐蚀混凝土-透水模板布-防腐涂层的联合长效防护技术体系,利用开发的透水模板布-防腐涂层技术,成倍提高了混凝土的长期抗冻融耐侵蚀能力,并将涂层施涂龄期缩短10天;早龄期干法涂装技术杜绝了施工期海水对混凝土的污染,为混凝土性能长期稳步提高提供良好保护;该技术体系为保障冰冻海域钢筋混凝土耐久性开辟了新的技术途径。

3.建立了贯穿设计-施工-运营的动态耐久性数据平台以及基于耐久性数据链的大桥管养数据体系,重点包括施工期检测数据、常规暴露站定期实测数据、分布式暴露站实时监测数据、代表性实体结构在线拾取数据,全桥构件定期巡检数据;首次提出并实现了混凝土冻融-氯离子侵蚀作用下的耐久性在线监测。

4.首次建立了海洋大气环境下带涂层钢箱梁的腐蚀寿命评估方法,开发了钢箱梁腐蚀在线监测系统及涂层破损率检测仪,探索了钢箱梁疲劳腐蚀在线监测的可能性,填补了国内外相关技术空白。

5.提出了考虑涂层防护和混凝土性能增长共同作用下的钢筋脱钝时间估算方法;建立了考虑失效模型-可靠度、失效检出概率-事件树的钢筋混凝土维护维修措施成本优化方法;提出了考虑区域经济水平的土建行业实际折现率计算方法;为运营期维护维修方案的制定提供了分析工具。

    4应用情况

本项目研究成果直接应用于青岛海湾大桥的所有混凝土工程中,为保证工程建设质量、选择科学实用的维护措施提供了可靠数据支持。提出的海水冻融-氯盐侵蚀协同作用下桥梁耐久性多层次设计理念以及基于数据链的管养决策技术体系,为降低工程的全寿命周期成本提供行之有效的技术渠道,对桥梁建设单位及设计单位具有重要的借鉴意义。研发的抗冻融耐腐蚀混凝土透水模板布涂层联合防护技术已成为类似环境下保证混凝土工程耐久性的首选技术路线,在海即跨海大桥、南北长山连岛工程等北方冰冻海域修建的跨海大桥中被广泛采用,取得了良好的效果。建成了以监测氯离子侵入、冻融破坏深度等参数为主的传感器系统以及数据采集、传输系统,实现了大桥耐久性参数的实时监测,部分传感器已经被纳入辰塔路跨黄浦江大桥耐久性监测的采购范围中。开发的钢结构腐蚀监检测技术以及涂层破损率检测仪器已在东营胜利黄河大桥(1987年建成的钢桥)的日常检测中得到验证和广泛使用。部分研究成果已纳入《海港工程高性能混凝土质量控制标准》,《结构混凝土性能技术规范》等行业标准规范中。研究成果对北方冰冻海域修建类似工程具有重大的借鉴意义,极大程度的提高了行业技术水平。

  
 
 
版权所有:交通科技管理中心
电话:010-58278709 传真: 010-58278723 E-mail: westjtt@126.com
地址:北京市朝阳区惠新里240号(邮编:100029)


此统计数据自2014年1月26日开始