杭州湾地区跨海大桥环境资料调查

8.5.1.1　工程概况［8-2～8-5］

某跨海大桥位于杭州湾中部，是国道主干线——同三线跨越杭州湾的便捷通道（见图8-6），全长36 km，是目前世界上最长的跨海湾大桥。某跨海大桥建成后将缩短宁波至上海间的陆路距离120 km。大桥按双向六车道高速公路设计，桥宽33 m，设计时速100 km/h，设计使用年限100年，总投资约118亿元。大桥于2003年11月开工，经过43个月的工程建设，2007年6月全桥贯通，2008年5月1日正式通车。

全桥纵断面分区如图8-7所示。大桥设南、北两个航道，其中北航道桥为主跨448 m的钻石型双塔双索面钢箱梁斜拉桥，通航标准35000吨；南航道桥为主跨318 m的A型单塔双索面钢箱梁斜拉桥，通航标准3000吨；中引桥和南引桥水中区为跨度70 m预应力混凝土连续箱梁桥，南引桥滩涂区为跨度5 m预应力混凝土连续箱梁桥，北引桥和南引桥陆地区采用跨度30～80 m现浇混凝土连续箱梁桥。主体结构除航道桥钢箱梁及部分钢管桩外，其余均为混凝土结构，包括钻孔桩、承台、桥墩、索塔、非通航孔箱梁、装饰块和防撞护栏底座等。全桥主要工程数量见表8-24。

图8-6　某跨海大桥地理位置图

图8-7　某跨海大桥纵断面分区图

表8-24　全桥主要工程量

（1）环境资料调查。

①气象条件。

杭州湾地处北纬30°附近的东部沿海地区，属典型的亚热带季风湿润气候区，桥区季风显著，四季分明，总的气候特征为气候温和、湿润、多雨。

1）气温及湿度。气温随季节变化明显，常年平均气温在16℃左右，最热月（7月）平均气温为28.3℃，最冷月（1月）平均气温为3.7℃。极端最高气温为39.1℃，出现在7～8月，极端最低气温为-10.6℃，出现在1月。气候湿润，空气中水汽含量高，全年平均相对湿度为81％～82％；最小相对湿度为5％～10％，出现在冬季。

2）降水。降水充沛，慈溪、乍浦累年平均降水量分别为1294.6 mm、1220.2 mm，其中6月最多，平均分别为177.6 mm、173.4 mm，12月最少，平均分别为46.3 mm、40.5 mm。最多年降水量为1754.2～1810.7 mm，最少年降水量为674.8～790.7 mm。

3）风况。全年平均风速3.0 m/s，平均风速的季节性变化不大，乍浦、慈溪累年10 min平均最大风速分别为20.3 m/s、22.6 m/s，均出现在8月，相应的风向分别为东风和东南风；极大风速慈溪、乍浦分别为31.9 m/s（NNE）、32.2 m/s（WSW），分别出现于7月和8月。极大风速≥17.2 m/s或风力≥8级的大风，其风向较集中，主要出现为西北方向和东南方向，慈溪、乍浦全年平均大风日数分别为11.1天、16.3天，全年各月均有大风出现。杭州湾地区是台风影响区，平均为2.56个/年。台风最早影响出现在5月，最迟11月，其中8月出现最多，其次为7月和9月份，风向为东南风（ESE）。

②水文条件。

杭州湾为强潮河口湾，潮汐类型为浅海半日潮，日潮不等现象明显。南航道桥区域潮汐特征值可根据附近乍浦水文站长期验潮资料以及2000年9月和1999年6月桥区南岸短期验潮资料进行分析，成果及设计值详见表8-25、表8-26、表8-27（潮位基准面采用1985国家高程基准面）。

桥区北侧水域乍浦水文站观测资料显示，全年常浪向为NW向，出现频率20.93％，平均波高0.1 m，最大波高0.7 m，次常浪向为E向，出现频率20.39％，平均波高0.2 m，实测最大波高3.0 m，强浪向为ENE～ESE向。从实测波浪资料来看，桥区水域波高较小，水域年平均波高仅为0.2 m，年内约98％的波高小于0.6 m，但受台风影响时，会产生大浪，桥区水域主要受风浪影响，风浪频率达98.72％。

表8-25　设计波要素表

续表

表8-26　设计潮位

注：括号中数值表示低潮位累积频率，与设计低潮位对应。

表8-27　潮汐特征表

（2）设计资料调查。

某跨海大桥为沿海/海上混凝土结构，根据对该地区在役混凝土结构腐蚀状况的调查结果表明：影响工程混凝土结构耐久性的主导因素为Cl-的侵蚀。大桥耐久性设计中采取的措施主要是对海洋氯化物环境进行了考虑。大桥设计中，首先确定了混凝土结构的耐久性极限状态，即将其设计使用寿命的定义为：在设计基准期内钢筋不发生锈蚀。

针对某跨海大桥服役环境的工程结构腐蚀环境侵蚀作用等级分区见表8-28。工程耐久性设计中主要依据结构构件所处的环境侵蚀等级，参照混凝土结构使用寿命预测理论和国外类似工程的实际运用情况，确定大桥不同环境分区构件的耐久性措施与指标，不同部位混凝土结构典型配合比设计详见表8-29。

表8-28　环境分区及其侵蚀作用级别

表8-29　典型配合比与实测性能

8.5.1.2　总体设计思路

混凝土中性化、碱骨料反应、硫酸盐侵蚀、海洋生物及海流冲刷等并不是混凝土结构劣化的主要原因，该地区冬季月平均气温较高，基本不存在冻融破坏［8-5］。许多研究［8-7］也以某跨海大桥为工程背景，对该地区混凝土工程的耐久性保障技术以及耐久性劣化机理、寿命预测方法、监测预警系统等开展了研究，并得出了一系列的研究结论。影响某大桥工程混凝土结构耐久性的主导因素是Cl-的侵蚀这个一般性经验已经成为大家的共识。

综上所述，海洋氯化物环境类别空间对某跨海大桥的耐久性的影响占主导作用。按照8.4.1中给出的应用流程，可以略去针对环境作用效应较弱的其他环境类型空间中的结构耐久性设计。但是，本文为了完整展示三种环境类别空间（一般大气环境、海洋氯化物环境和冻融循环环境）的混凝土结构耐久性设计区划方法体系在实际工程中的应用流程和实施方法，同时对一般大气环境和冻融循环环境这两个非主导性环境空间环境因素作用下的某跨海大桥工程混凝土进行耐久性设计。

如图8-7所示，某跨海大桥包括北引桥、北航道桥、中引桥、南航道桥、南引桥水中区、南引桥滩涂区和南引桥陆地区七个分区。桥长、工程量大、结构形式多样、所处环境复杂多变使杭州湾跨海大桥的设计与施工难度非常大。作为一个设计实例，若对全桥所有的结构构件进行逐一统计和进行耐久性设计，工程量和篇幅都是不现实的。本章对某跨海大桥的耐久性设计仅选取典型分区与典型部位进行设计。

如图8-8所示，选取某跨海大桥的南航道桥和引桥典型部位进行设计（1985国家高程基准面，本章下同）。南航道桥上部结构采用平行钢丝斜拉索扁平钢箱梁（A型塔），最高处标高为＋202 m，主梁标高为＋31.043～＋37.043 m，图8-8a中仅给出横断面的墩身截断图；引桥部分墩身的高度随位置不同存在较大的变化，图8-8b中未标出墩顶的具体高程和墩身的具体长度。根据图8-8，需要考虑耐久性设计的桥梁部位主要为桩基、承台、桥墩、箱梁。

图8-8　某跨海大桥横断面图

图8-8（续）　某跨海大桥横断面图(www.xing528.com)

8.5.1.3　环境类别空间耐久设计——海洋氯化物环境

（1）环境区划等级。

某跨海大桥属于海洋氯化物环境中的海洋竖向环境，首先根据海域的潮汐资料计算海水浸润时间比kJR随高程的变化关系如图8-9所示。

按照结构每个构件所处的高程范围，根据图8-9中高程h与海水浸润时间比kJR的关系曲线判断构件覆盖的kJR取值范围，按照7.3与8.2.1中图8-3或表8-7，确定构件的环境区划等级。南航道桥与引桥不同部位的环境区划等级见表8-30。确定构件的环境区划等级后，将具有相同设计使用年限、水胶比和环境区划等级的构件分为一类，进行构件类别的编号。

图8-9　kJR与h的关系

表8-30　某跨海大桥海洋氯化物环境下构件环境区划等级

（2）分区设计。

对上节中依据设计资料和环境区划等级整理出的6个编号对应的数据列于表8-31，并按照8.2.2中的对应规定得到需要的设计参数，最终整理得到不同部位保障其耐久性所需的保护层厚度XCl。根据相关环境或材料资料进行查表时，表中没有列出的中间数据采用线性内插进行计算。本书对海洋竖向环境混凝土结构耐久性设计区划方法体系的研究中，其基准环境取为嘉兴乍浦港区。这与某跨海大桥的自然环境是相一致的。此处对于环境温度与海水氯离子含量不进行修正，即取温度修正系数ζT＝1和氯离子含量修正系数ζCl＝1。

表8-31　某跨海大桥构件耐久性设计

8.5.1.4　环境类别空间耐久设计——一般大气环境

（1）环境区划等级。

按照某跨海大桥的地理位置，由图8-1可以看出，一般大气环境作用下大桥所处基准环境的环境区划等级为3级。由表8-25和表8-26，杭州湾地区的平均高潮位为2.52 m，平均低潮位为-2.12 m，平均潮位为0.2 m，设计水位为6.15（1％高潮位累积频率）。结合图8-7中南航道桥和引桥所处的高程范围并结合表8-21定性确定不同结构部位局部工作环境的环境条件，并据此对各部位的环境区划等级基于基准环境进行调整，得到各部位对应的环境区划等级（环境条件分类与调整方法见表8-2）。确定不同部位的环境区划等级后，整理相应的设计资料并一起列于表8-32，并对构件进行编号，将设计使用年限、抗压强度和调整后等级相同的构件作为同一类别并使用相同的编号。

表8-32　某跨海大桥一般大气环境下构件环境区划等级

（2）分区设计。

将表8-32中依据设计资料和环境区划等级整理出的4个编号对应的数据列于表8-33，并按照8.1.2中的对应规定得到需要的设计参数，最终整理得到不同部位保障其耐久性所需的保护层厚度XC。根据相关环境或材料资料进行查表时，表中没有的数据采用线性内插进行计算。

表8-33　某跨海大桥一般大气环境下构件耐久性设计

8.5.1.5　环境类别空间耐久设计——冻融循环环境

（1）环境区划等级。

按照某跨海大桥的地理位置，由图8-4可以看出，冻融循环环境作用下大桥所处基准环境的环境区划等级为1。1区划等级对应的年等效室内冻融循环次数小于2次，属于偶冻区。某跨海大桥除上部结构外，海上桩基、承台、湿接头和墩身下部均由于频繁接触水而处于高度饱水状态。上部结构则处于海上大气区，空气中水汽含量高，相对湿度达82％。确定混凝土结构冻融循环环境区划等级的一个重要参数为饱含水时间比例系数k，本书7.2.2.2中对此作了详细讨论。在对某跨海大桥各部位进行考虑时，统一按照冻融循环环境最危险的环境条件进行考虑，即认为k＝1。根据表8-15中考虑混凝土饱含水时间的等级调整方法，不需要进行环境区划等级的调整。环境区划等级确定后，整理环境资料与设计资料表8-34。构件的区划等级确定后，将具有相同设计使用年限和环境区划等级的构件归为一类，采用相同的编号。

（2）分区设计。

根据上节中的分析，仅需对一种编号类型中环境区划等级、设计使用年限tD进行设计，见表8-35。由表8-16，查得区划等级为1级时的neq建议值为2次/年，整理数据得到构件所需的抗冻等级F见表8-35。

表8-34　某跨海大桥冻融循环环境下构件环境区划等级

表8-35　某跨海大桥冻融循环环境下构件耐久性设计

8.5.1.6　设计结论与分析讨论8.5.1.3、8.5.1.4与8.5.1.5分别针对海洋氯化物、一般大气和冻融三种环境类别空间，对某跨海大桥应用本书中建立的混凝土结构耐久性设计区划方法体系进行了耐久性设计。对不同环境类别空间中构件的耐久性设计要求进行整理汇总，结果见表8-36。

表8-36　某跨海大桥构件的耐久性设计指标取值

从表8-36可以看出，相对于海洋氯化物环境，与一般大气环境对应的保护层厚度XC数值较小，这一方面是由于浙江地区属于一般大气环境作用效应较弱的地区（图8-1，3级）；另一方面是由于大桥中使用的是高配比的海工混凝土，在相同的环境条件下海工混凝土较普通混凝土需要的钢筋保护层厚度要小。

某跨海大桥耐久性设计中实际采用的各部位钢筋保护层厚度为［8-4］：桩基75 mm，海上承台90 mm，墩身60 mm，箱梁40 mm。设计时首先按照具体腐蚀环境将环境分为大气区、浪溅区、潮差区（水位变动区）和水下区四个环境侵蚀作用级别，然后根据杭州湾的腐蚀环境，总结各国标准对海工混凝土最小保护层厚度的规定，参考国外跨海工程实例，对结构部位按照其所处的环境分区规定对应的钢筋保护层厚度。

与表8-36中某跨海大桥各部位在海洋氯化物环境下对应的设计保护层厚度XCl相比，大桥实际采用的各部位钢筋保护层厚度要小很多。分析原因如下。

①某跨海大桥使用的是大比例掺入矿物掺合料（粉煤灰、矿粉）的混凝土。大比例矿物掺合料的掺入，会大幅度提高混凝土的抗氯离子渗透性能。本书建立的海洋氯化物环境下的混凝土结构分区设计规定中，没有专门针对矿物掺合料的修正规定，8.5.1.3对某跨海大桥的耐久性设计中没有考虑矿物掺合料的影响。

②某跨海大桥采用大量耐久性辅助措施，以保障大桥的耐久性和使用寿命。钢筋阻锈剂、预应力混凝土箱梁均采用塑料波纹管、真空辅助压浆技术、混凝土表面涂装、环氧钢筋、外加电流阴极保护、采用渗透性模板等方法和技术。这从一定程度上使某跨海大桥设计的保护层厚度可以适当减小。

表8-36中，冻融循环环境下混凝土抗冻等级的要求为F200。实际工程实践中应根据所需的抗冻等级对混凝土进行抗冻性的设计或验算。水胶比直接影响混凝土的抗冻性。日本电力中央研究所的实验结果表明，当混凝土水胶比在0.35时，混凝土能经受的冻融循环次数在3000次左右［8-8］。某跨海大桥工程混凝土整体采用低水胶比的海工混凝土，由表8-29，水胶比处于0.31～0.36，其抗冻等级远高于冻融循环环境的耐久性要求，不需另外进行结构的抗冻性设计。