松花江公路大桥所处环境条件调查及检测

盖青山

(中铁十三局 第四工程公司,黑龙江 哈尔滨150008)

结构所处的环境条件是影响结构耐久性的重要因素之一,工程实践表明,环境温度、湿度、风向、风速、干湿循环情况等都对混凝土碳化、钢筋锈蚀、碱骨料反应、冻融破坏等耐久性破坏的发生与发展有着重要影响[1～3]。

国道主干线哈尔滨绕城高速东北段松花江大桥位于哈尔滨市东北部距市区5 km处的松花江主河道内,为新建公路桥梁。大桥全长2 324.92 m,其中主桥长595 m,引桥长1 729.92 m。主桥采用大跨度预应力混凝土连续箱梁结构,引桥采用预应力混凝土简支T形梁结构。引桥桥墩采用钢筋混凝土双柱式墩身,主桥桥墩采用钢筋混凝土实体墩。大桥位于东北寒冷地区,易受冻融循环作用的影响,因此,对大桥所处地区的气温、湿度、降雪量、冰冻时间、年冻融循环次数等进行了全面的调查和测试。此外,还对大桥的腐蚀环境进行了详细调查,内容包括侵蚀性气体检测、大气降水及松花江水质分析以及河床泥土侵蚀性离子测试。

1 环境条件调查

1.1 环境温度、湿度测试

课题组于2007-12-30～2008-01-18首赴松花江大桥现场,将温度、湿度记录仪(哈尔滨物格科技公司PDI-128型)安放在大桥桥面之上,用以监测大桥所在地区2008年全年的温度、湿度变化情况。对检测结果进行整理、分析,得到了大桥所处环境的年平均、月平均温度、湿度以及各月份的温度、湿度变化情况。具体结果如下:大桥所处地区的年平均气温为 7.8℃;月平均最高气温(8月)为28.2℃,月平均最低气温(1月)为-16.8℃,月平均温度如图1所示。大桥所处地区的年平均湿度为63%,月平均最高相对湿度(7月)为73%,月平均最低相对湿度(2月)为55%,月平均湿度如图2所示。

由于室外构件环境相对湿度的取值一般比年平均相对湿度稍高。因此,大桥箱梁、T形梁、引桥墩以及过渡桥墩这四类构件环境相对湿度可取为65%,而跨江部分的主桥墩由于接触江水,故其环境相对湿度可取为75%。

1.2 降雪、降雨及风速、风向调查

哈尔滨地处中国东北北部地区,黑龙江省南部,属于中温带大陆性季风气候。气候特点是四季分明,冬季漫长而寒冷,夏季短暂而炎热,春、秋季气温升降变化快,属于过渡季节,时间较短。哈尔滨的春季气温回升快,降水少,空气干燥,天气多变,气温月际变化强烈。春季多大风,是一年中大风天气最多的季节。夏季气候温热,雨量充沛,气温月际差异很小。夏季是降水最多的季节,但降水强度不大,平均暴雨日数 1 d～2 d,特大暴雨较少,年降雨量为524.3 mm,雨季时间为7、8两个月(降水情况如表1所示)。

图1 2008年月平均温度变化

图2 2008年月平均湿度变化

表1 哈尔滨地区降水及风速情况(1971年～2000年)

秋季天气冷暖多变,入秋后,降水量显著减少,但多于春季,风速较大,仅次于春季,风向以偏南风为主。冬季漫长,气候严寒、干燥,降水很少,有时会出现暴雪天气,年降雪天数一般为15 d～60 d,年平均无霜期约为150 d,冰冻期约为120 d。冬季盛行西南风,风速很小。

1.3 侵蚀性气体、液体、固体调查

通过查阅哈尔滨环保局的有关资料,得到了2005年～2008年大桥周边侵蚀性气体以及大气中二氧化碳含量的平均值,如表2所示。分别对松花江水、松花江河床泥土以及雨水进行取样,委托哈尔滨工业大学环境与市政工程学院实验室对试样进行了化学成分分析。通过分析得到了松花江水、雨水以及松花江河床泥土中腐蚀性离子的含量,如表3～表5所示。

表2 侵蚀性气体含量(2005年～2008年)

表3 松花江江水腐蚀性离子含量

表4 雨水腐蚀性离子含量

表5 河床泥土腐蚀性离子含量

由表2可见,需要考虑碳化对大桥结构混凝土的影响。由表3～表4可见,松花江江水以及大桥附近降水的pH值均大于5.6(酸雨限值)[4～6],由此可以判定酸雨对大桥混凝土结构的腐蚀影响可忽略不计。江水及河床泥土中的氯离子含量微少,对混凝土中钢筋的侵蚀极小[7,8]。

1.4 冻融循环调查

为了更准确地了解大桥所处地区的实际冻融循环情况,课题组于2008年9月底在大桥现场安装了两套温度自动监测系统(青岛佳奇电子JQA-1058型,见图3),对混凝土内部的温度进行实时监测。两部温度监测仪共有16个传感器,其中12个用于监测半浸泡和全浸泡条件下的混凝土试件内部温度,4个用于监测自然暴露条件下的混凝土试件内部温度。监测时间自2008年9月～2009年4月,共计8个月,覆盖了哈尔滨地区可能发生冻融循环的月份。

对各月份的日温度变化情况进行分析后发现,大桥所在地区的冻融循环主要集中在11月、12月份以及来年的1月～3月份。对温度监测结果进行统计分析后得到了大桥所在地区的年冻融循环次数约为120次。

图3 温度自动监测系统

1.5 冲刷情况调查

对于大型越江桥梁工程,桥墩基础往往建在深水当中,河床冲刷问题非常突出,因此,课题组对松花江大桥的冲刷情况做了相关的调查。通过查阅哈尔滨气象局的有关资料,得到了2006年和2007年松花江流量及水位变化情况,如表6所示。

表6 松花江流量及水位变化情况

由表6可见,松花江一年当中流量较大月份为5月～9月,水位也相应较高,此时,江水对大桥桥墩及基础的冲刷最为严重。

2 结 论

结构所处的环境条件是影响结构耐久性的重要因素之一,工程实践表明,环境温度、湿度、风向、风速、干湿循环情况等都对混凝土碳化、钢筋锈蚀、碱骨料反应、冻融破坏等耐久性破坏的发生与发展有着重要影响[1～3]。

国道主干线哈尔滨绕城高速东北段松花江大桥位于东北寒冷地区,易受冻融循环作用的影响,因此,对大桥所处地区的气温、湿度、降雪量、冰冻时间、年冻融循环次数等进行了全面的调查和测试。通过调研和测试,得到如下结论:

(1)大桥所处地区,冬季漫长,气候严寒,年平均无霜期约为150 d,冰冻期约为120 d。冻融循环主要集中在11月、12月份以及来年的1月～3月份。温度监测结果显示,大桥所在地区的年冻融循环次数约为120次。由此可见,大桥混凝土结构易受冻融循环作用影响。

(2)松花江江水以及大桥附近降水的pH值均大于5.6(酸雨限值),由此可以判定酸雨对大桥混凝土结构的腐蚀影响可忽略不计。江水及河床泥土中的氯离子含量微少,对混凝土中钢筋的侵蚀极小。

(3)需要考虑碳化对大桥结构混凝土的影响。

(4)松花江一年当中径流量较大月份为5月～9月,水位也相应较高,因此,需要考虑江水对大桥桥墩及基础的冲刷。

[1] 金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社,2002.

[2] 张 誉,蒋利学.混凝土结构耐久性概论[M].上海:上海科学技术出版社,2003.

[3] 尚岩,杜成斌.基于细观损伤的混凝土力学性能数值模拟研究进展[J].水利与建筑工程学报,2004,2(1):23-28.

[4] 牛荻涛,王庆霖,王林科.锈蚀开裂前(后)混凝土中钢筋锈蚀量的预测模型[J].工业建筑,1996,26(4):8-10.

[5] 李永和,葛修润.钢筋混凝土结构腐蚀损伤裂纹扩展轨迹模拟与数值分析[J].土木工程学报,2003,36(2):1-5.

[6] 牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京:科学出版社,2003.

[7] 惠云玲.混凝土结构中钢筋锈蚀程度评估和预测试验研究[J].工业建筑,1997,27(6):7-10,50.

[8] 曹双寅.混凝土裂缝在受弯构件承载力评估中的作用[J].工业建筑,1994,24(7):85-90.