跨海大桥墩柱及桩基础病害成因分析

■赵丹丹

（福建省交通科学技术研究所，福州 350004）

1 工程概述

某跨海大桥位于现有海堤西侧约105m处，与海堤平行，桥梁全长519.4m，最小平曲线半径R=450m，最小竖曲线半径R=3500m。桥面纵坡为2%。通航孔处设半径为4500m竖曲线，曲线中心桥面高程为12.51m。

该桥桥式布置为：（29.7+4×30）+（4×40）+（3×30）+（3×30+29.7）m简支T梁，共四联，桥面采用行车道板与铺装均连续的构造。其中40mT梁梁高2.4m，采用C50砼，预应力筋采用5-Φj15.24高强度低松弛钢绞线，弹性模量Ey=1.9×105MPa，标准强度Ryb=1860MPa。每孔布置7片T梁，梁间距2.3m，两片T梁间设有0.5m湿接缝。预留拱度为按二次抛物线跨中下拱8.3cm。30mT梁梁高2.0m，采用C40砼，每孔布置7片T梁，梁间距2.3m，两片T梁间设有0.5m湿接缝。预留拱度为按二次抛物线跨中下拱6.5cm。人行道板预制拼装采用C30砼。

40mT梁下部结构采用双柱式桥墩，两墩柱间的盖梁采用 “凸”形截面的预应力砼结构，预应力筋采用12-Φj15.24高强度低松弛钢绞线，标准强度Ryb=1860MPa。墩柱直径为Φ1.6m，钻孔桩直径为Φ2.0m，桩长16～36.6m，均嵌入微风化基岩。两墩柱间设置1.8×1.2m系梁。盖梁采用C40砼，墩柱、系梁采用C30砼，钻孔桩采用C25水下砼。30mT梁下部结构采用双柱式桥墩，两墩柱间的盖梁采用“凸”形截面的预应力砼结构。墩柱直径为Φ1.5m，钻孔桩直径为Φ1.8m，桩长14.2～49m，均嵌入微风化基岩。两墩柱间设置1.6×1.0m系梁。盖梁采用C40砼，墩柱、系梁采用C30砼，钻孔桩采用C25水下砼。

桥梁设计荷载为汽车-20级、挂-100，人群荷载为3.5kN/m2。桥梁全景如图1所示。

图1 某跨海大桥全景图

2 外观病害情况

利用桥检车对该桥墩台进行详细的外观检查，并对病害较为严重的20根桩基和10根系梁进行水下探摸检测，主要病害情况如下：

（1）墩台：桥台台帽3处锈胀露筋，共计长3.60m；桥台台身侧墙1条斜向裂缝，缝长3.50m，缝宽0.30mm；盖梁25处砼掉块露筋，共计面积S=3.85m2；盖梁33处锈胀露筋，共计长10.90m；墩柱12处砼掉块露筋，最大面积S=4.00×1.50m2（见图 2），共计面积 S=21.16m2；墩柱 1 处锈胀露筋，长1.00m；墩柱横系梁1处砼掉块露筋，面积S=4.30m2；墩柱横系梁1处锈胀露筋，长0.20m。

（2）桩基础：20根基础桩桩身从横系梁下方60cm～120cm开始到海床部分段有钢护筒包裹；8根基础桩共有8处破损，最大破损宽度和高度均为80cm，最大破损深度12cm，没有发现钢筋外露；2根基础桩各有1处网格状破损，且钢筋已经完全腐蚀（见图3），破损宽度均为160cm，破损高度均为80cm，最大破损深度15cm（见图 4）；1根基础桩表面整圈混凝土有破损，破损高度120cm，最深约13cm，钢筋网外露；1根横系梁表面有6处竖向锈胀露筋。

图2 墩柱表面砼掉块露钢筋网

图3 桩顶砼网格状破损，钢筋完全腐蚀

图4 桩顶砼破损，深度最大15cm

根据文献[3]，该大桥桥墩评分为65.1，技术状况等级评定为三类；桩基础评分为55.0，技术状况等级评定为四类。

3 无损检测

对该桥外观病害最严重的9-1、9-2#墩柱进行无损检测，主要包括钢筋保护层厚度检测、钢筋锈蚀电位检测、混凝土强度和碳化深度测试。

3.1 钢筋保护层厚度检测

利用钢筋保护层测试仪对9-1、9-2#墩柱进行钢筋保护层厚度检测，根据钢筋保护层厚度特征值Dne与设计值Dnd的比值，依据文献[4]相关规定来确定钢筋保护层厚度评定标度。检测结果见表1所示，9-1、9-2#墩柱钢筋保护层厚度特征值Dne分别为30.99mm和30.95mm，Dne/Dnd均为 0.56，处于（0.55，0.70]范围内，查文献[4]可知墩柱钢筋保护层厚度评定标度均为4，其对结构钢筋耐久性有较大影响。

表1 9-1、9-2#墩柱钢筋保护层厚度检测结果

3.2 钢筋锈蚀电位检测

采用半电池电位法，对9-1、9-2#墩柱进行钢筋锈蚀电位检测，根据构件测区锈蚀电位水平最低值，依据文献[4]相关规定来确定钢筋锈蚀电位评定标度，评定构件钢筋发生锈蚀的概率或锈蚀活动性。检测结果如表2所示，9-1#墩柱钢筋锈蚀电位最低值为-365mV，9-2#墩柱钢筋锈蚀电位最低值为-332mV，均处于（-300，400］范围内，查文献[4]可知墩柱钢筋锈蚀电位评定标度均为3，墩柱钢筋有锈蚀活动性，发生锈蚀概率大于90%。

表2 9-1、9-2#墩柱钢筋锈蚀电位检测结果

3.3 混凝土强度和碳化深度检测

采用回弹法对9-1、9-2#墩柱进行混凝土强度测试，根据构件实测强度推定值计算其推定强度匀质系数Kbt，并对进行混凝土强度回弹测试的墩柱进行混凝土碳化深度测试，根据测区碳化深度平均值与实测保护层厚度平均值的比值Kc，依据文献[4]相关规定来确定混凝土强度评定标度和混凝土碳化评定标度。检测结果见表3所示，9-1、9-2#墩柱混凝土推定强度匀质系数Kbt均为1.01，碳化深度平均值与实测保护层厚度平均值的比值Kc分别为0.164和0.166，查文献 [4]可知，墩柱混凝土强度评定标度均为1，碳化深度评定标度值均为1。

表3 9-1、9-2#墩柱混凝土强度和碳化深度检测结果

4 病害成因分析

该桥墩柱和桩基础病害较为严重，从设计角度出发，结合实体检测来考虑，我们认为有以下几个方面的原因：

（1）根据 《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ275-2000），大气区、浪溅区和水下区的构件主筋最小保护层厚度规范值分别为55mm、70mm和55mm，而位于大气区的墩柱主筋保护层厚度设计值为37.5mm，均不满足规范值要求，位于水下区的桩基础主筋保护层厚度设计值为57.5mm，但其桩头部分位于浪溅区，也不满足规范值要求。实际上，从对墩柱的无损检测结果来看，墩柱的钢筋保护层厚度实测值明显小于设计值，故构件主筋保护层厚度设计值和实测值均偏薄是导致墩柱锈胀、掉块露筋、桩基础破损腐蚀的主要原因；

（2）墩柱和桩基础的混凝土设计强度等级为C30和C25，满足 《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ275-2000）的相应最低强度等级C30和C25要求。但是根据 《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）规定，相应构件混凝土最低强度等级均为C45，可见其设计强度等级不能满足新规范的要求。从对墩柱的无损检测结果来看，墩柱的混凝土强度实测值虽然稍大于设计值C30，但是明显小于规定值C45。故构件混凝土设计强度等级偏低是导致墩柱锈胀、掉块露筋和桩基础破损腐蚀的主要原因；

（3）另外，桩基础顶部长期经受海水涨落潮和冲蚀作用，也极大加重了其腐蚀病害程度。

5 结论

该大桥处于沿海地区，环境条件较为典型，通过对其进行外观检查和无损检测，分析病害成因，得出如下结论：

（1）该跨海大桥桥墩及其桩基础外观病害较为严重，特别是墩柱表面砼掉块露钢筋网，桩基础顶部砼网格状破损（深度最大15cm）、钢筋完全腐蚀。墩柱和桩基础技术状况等级分别评定为三类和四类；

（2）墩柱钢筋保护层厚度评定标度为4，其对结构钢筋耐久性有较大影响；墩柱钢筋锈蚀电位评定标度为3，钢筋有锈蚀活动性，发生锈蚀概率大于90%；墩柱混凝土强度和碳化深度评定标度均为1；

（3）从设计角度考虑，该桥墩柱和桩基础的主筋保护层厚度设计值偏薄，以及混凝土设计强度等级偏低是导致出现严重病害的主要原因；从实体检测结果来看，墩柱的钢筋保护层厚度实测值明显小于设计值，混凝土强度实测值虽然稍大于设计值C30，但是明显小于规定值C45，这也是导致出现严重病害的重要原因；另外，桩基础顶部长期经受海水涨落潮和冲蚀作用，也极大加重了其腐蚀病害程度；

（4）鉴于该大桥墩柱和桩基础病害较为严重，无论是从安全性角度考虑，还是从耐久性角度出发，均要及时进行修复和加固处理。

[1]刘文辉.浅谈沿海地区桥梁的耐久性设计[J].北方交通，2007（7）：56-57.

[2]JTJ 275-2000，海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范[S].

[3]JTG/T H21-2011，公路桥梁技术状况评定标准[S].

[4]JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[5]GB/T 50476-2008，混凝土结构耐久性设计规范[S].