20140314 海港钢筋混凝土建筑物破坏原因分析_方璟

第22卷第4期

2004年11月海洋工程

THEOCEANENGINEERINGVol122No14Nov.2004

文章编号:1005-9865(2004)04-0137-06

海港钢筋混凝土建筑物破坏原因分析

方 ,张燕迟,王 宏,武世翔

(南京水利科学研究院,江苏南京 210029)

摘 要:根据对港口混凝土建筑物破坏实例调查结果的分析,指出造成结构物破坏的环境因素是多方面的。要重视海港宏观和微观条件,精心设计细部结构,重视混凝土新技术的应用。在北方地区,还要考虑钢筋混凝土的抗冻性。

关键词:港口;混凝土;建筑物;环境;破坏

中图分类号:TU375;TG17215 文献标识码:A

Damageofconcretestructuresinseaportsandanalysisonenvironmentalfactors

FANGJing,ZHANGYan-chi,WANGHong,WUSh-ixiang

(NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

Abstract:Accordingtotheinvestigationresultsofconcretestructuresincoastalseaports,environmentalfactorsleadingtothedamageofcon-cretestructuresareconsiderable.Theoceanandlocalenvironmentsshouldbenoticed.Thedetailsofportstructuresshouldbecarefullyde-signed.Advancedtechniquesandnewmaterialsshouldbeappliedinconstruction.InnorthChinathedurabilityofconcretestructuresshouldbeensured.

Keywords:port;concrete;structure;damage;environment

根据调查,港口混凝土建筑物破坏程度按区域排列,可分为水下区、浪溅区、水位变动区、大气区,水下区未发现钢筋锈蚀破坏

>水下区>浪溅区。[1]。湛江暴露实验站检测置于不同区域的混凝土试件氯离子浓度的结果是[2]:潮差区

由港口混凝土建筑物破坏程度按区域的排列顺序及暴露实验站不同区域的混凝土试件氯离子浓度排列顺序分析比较知道,引发钢筋锈蚀不仅仅取决于氯离子含量,氧气向混凝土内部扩散的难易快慢也是重要的因素。潮差区和水下区的混凝土长期饱水,钢筋附近极度缺氧,虽其氯离子含量相对较高,但难以引发锈蚀;而浪溅区的混凝土处于经常性的干湿交替,钢筋附近氧气供应充足的环境下,虽氯离子含量相对较低,但容易引发锈蚀。这就是处于浪溅区的钢筋混凝土构件锈蚀破坏最严重的原因。

环境条件对结构物发生锈蚀破坏的影响,大到不同地区、港区,小到同一港口、同一码头的不同泊位,差异都是十分明显的。环境条件对结构物发生锈蚀速度的影响因素,主要是海水状况、地区的气候以及结构物所处地理位置是否利于风浪的直接作用。

1 破坏的环境原因

我国沿海海水的年平均盐度以河口地区为最低[3]:珠江口约为10.0j,钱塘江口约为12.4j,长江口约为15.4j,海河口为25.0j左右。渤、黄海沿岸以辽南沿岸西部,渤海海峡北部和山东半岛东部、南部盐度较高,为31.0j左右,其余沿岸较低,为26.0j~30.0j。东海沿岸以舟山群岛一带盐度最低为2413j~

收稿日期:2003-09-01

基金项目:国家重点科技攻关资助项目(96-415-04-01)方 (),,,,,

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海 洋 工 程第22卷

2919j,舟山以南浙闽沿岸由北向南递增,石浦到闽江由28.2j递增到30.7j,闽江口以南增至3210j以上。台湾省沿岸盐度最高,平均为34.0j以上。南海沿岸以南海诸岛和海南岛为33.5j~34.0j,粤东和雷州半岛沿岸为32.5j左右,粤西和海口附近沿岸盐度较低,为30.0j,北海附近沿岸最低,为27.5j左右,南沙群岛年平均盐度则在33.0j以上。可见,总体上除河口地区外,我国沿海海岸的海水盐度受内河输水量影响,总体趋势是由北向南增大,但在30j以下,而内河流量小的台湾岛、海南岛和南海沿岸以及远离大陆的南海诸岛海水盐度较大,可达34j。

我国沿岸海水表层水温状况的地域差异相当悬殊[3]。各海区海水温度的情况见表1。

表1 我国各海区海水温度

Tab.1 SeawatertemperaturesofcoastalareasofChina

月 份二月五月八月十一月

海水深度/m

025025025025

渤、黄海/(e)

0~12

0~139~206~1123~298~258~1912~19

东 海/(e)5~239~2317~2710~2626~2920~2817~2620~26

南 海/(e)16~17~24~23~25~21~21~22~

2827302931292928

由表1可见,冬季,北方的渤海海水最低表面水温在0e以下,沿岸常有冰冻现象,年冰期30~120天;黄海最低表面水温也在0e以下,其北部沿岸偶有冰冻现象;东海最低表面水温在5e以上;南海最低表面水温在16e以上;而据调查地处亚热带的粤东、西沿岸最低表面水温在15e以上;南海诸岛北部岛屿地区的可达23e;地处热带的南沙群岛的更高,达27e。夏季,渤海海水最低表面水温在23e,水深25m处最低水温在8e以上;黄海与渤海相差不大;东海最低表面水温在26e以上,水深25m处最低水温在20e以上;南海最低表面水温在25e以上,水深25m处最低水温在21e以上。

海水中所含盐分几乎完全处于电离状态,因而海水是电导性很强的电解质溶液。海水的电导率主要取决于于盐度和温度。由于各海区盐度的变化幅度不大,所以电导率主要受温度影响。测试知道,每升高5e,海水的电导率就增高11%左右。温度高,对加速钢筋电化学腐蚀和氧在混凝土内的扩散也有重要影响。正因为南方海水的盐度和温度都高于北方,所以一般南方港口混凝土建筑物的钢筋锈蚀比北方严重,并且南海地区更加严重。

港区掩护状况对建筑物锈蚀破坏有重要影响。湛江港一区码头正前方由大小不等的岛屿形成天然屏障,构成港区。该地区盛行风为东北风,港区东南面水域相对开阔,有利于风浪作用。深圳赤湾港为人工掩护港。其港池口门与出海口珠江水流方向几乎垂直,池内风浪小。调查发现,赤湾港码头许多面板底部施工时垫敷的纸张仍清晰可见。在几乎相同的运行年限,湛江港的破坏情况就相对严重得多。

在连云港和赤湾港港区放置了钢筋混凝土试件,对其内氯离子含量的检测结果示于表2。

表2 相同材料暴露于不同港区的氯离子含量差异

Tab.2 Chlorideconcentrationsinthesamesamplesexposedindifferentseaports地 点赤湾港1#泊位连云港木材码头

暴露时间/a

394

距表面不同深度Cl-含量/(%)30mm50mm0.0930.0530.3570.3180.7710.163

连云港依天然地形的半人工掩护,港池的水域较大,相对于赤湾港,其结构物实际受风浪作用频率较高。由表2可见,在近乎相同的年限,暴露于连云港的试件中,氯离子含量是赤湾港暴露试件的数倍。

港口微环境对建筑物的锈蚀破坏也有影响。赤湾港的5和A、E泊位,位于口门边侧,浪溅作用小,与

4#泊位相比,混凝土中氯离子含量低一倍以上。9#泊位布置于港池之外,所经受的风浪作用较大。该泊位虽仅使用5年,但混凝土中氯离子的含量已超过了运行9年的5#泊位的。天津新港地区的常风向为SW向,,,#

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13段的锈蚀破损严重得多[4]。

同泊位浪溅区的结构构件,空气流动相对较好的,混凝土中的氯离子含量较大,破坏比例和程度都较大。对湛江港的现场调查情况见表3、表4。

表3 湛江港码头下前后部位氯离子含量

Tab.3 ChlorideconcentrationsinconcreteoffrontandbackstructuresinZhanjiangport

构件及位置

散粮泊位前承台

后承台纵 梁

南件杂泊位前承台纵 梁

后承台

取样标高/m

+5.0+5.32+5.0+5.32

表面Cl-含量/(%)

0.250.202

0.2900.243

在同一泊位的浪溅区,码头下相近标高位置上,靠近前沿部分的结构混凝土中氯离子相对较高(见表3),结构破坏比例也相对大,程度相对更严重(见表4)。这是因为这里的空气流动性相对较好,蒸发速度相对更快。

表4 湛江港码头下前后部位构件破坏程度比较

Tab.4 ThedamageoffrontandbackstructuresinZhanjiangport

构件及位置北件杂泊位纵 梁南件杂泊位纵 梁散粮泊位纵 梁

前后前后前后

Ô级/(%)根 数长 度39.343.426.516.947.851.227.850.046.8

19.361.446.4

Ó级/(%)根 数长 度42.821.439.216.856.731.944.747.750.7

22.833.429.1

Ò级/(%)根 数长 度43.716.65.509.252.719.018.453.638.5

6.025.213.2

由表4可见,各泊位纵梁发生Ò)Ô级破坏根数的比例,前承台的都大于后承台。裂缝长度占构件长度之比,也是前承台的大于后承台。散粮泊位Ó级破坏,后承台虽大于前承台,但从裂缝长度比看,构件上裂缝程度还是轻于前承台。

调查发现,码头后承台破坏的构件较多集中在最后一根纵梁。这是波浪沿斜坡爬升,在码头下的里端破碎,冲溅端部构件的结果。

湛江港各泊位前承台破坏的根数都大于后承台。天津港调查统计的结果与湛江港的基本相同。由表5可见,天津港客运码头,码头前承台的构件破损率都比后承台的高得多。天津港其他码头的调查结果也显示了相同的规律

[4]

。

在同一港池内码头结构的不同方位,受海水侵蚀破坏程度也呈规律性。

对挪威Hadsel桥的调查表明,处于下风面的构件所含氯离子量值很高(水泥重量的4%),而处于迎风面结构,由于受雨水的冲刷等作用,氯离子含量水平相对稍低一些(<水泥重量的0.6%)。

湛江港一区南一期码头南件杂和北件杂泊位分别布置于凸堤的两侧,港区的盛行风向为东北东。北件杂泊位占上风面时间长。由表6可知在破坏构件根数的比例和裂缝长度的比例上,北件杂泊位都大于南件杂泊位。

障碍物对波浪的阻挡作用相当重要。调查发现,由于码头轨道梁的高度大于其他纵梁,位于其后部的纵梁受到的浪溅作用就很少,一般破坏的也较少。码头前胸墙下沿高程较低时,其后部梁的破坏程度也因此明显降低。

由此可见,海港码头结构破坏,还受环境条件微小区别的影响,并有规律可循。这些微环境影响的根本,主要还在于造成不同位置上氯离子环境的差别,其影响之明显不可忽视。

混凝土结构物的受力状态也是其内部钢筋锈蚀产生和发展的重要因素。从构件破坏状况看,锈裂多发生在主受拉力部位。受拉、受剪部位混凝土锈蚀破坏较严重,受压部位较少发生锈裂。

赤湾港油码头至1998年调查时,结构腐蚀普遍已相当严重(图1)。第五排架浪溅区范围内,横梁下沿二,,,

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外流。钢筋锈胀开裂均发生于上述构件的受拉和受剪部位。与此紧邻的另一排架,设计横梁高度较一般横梁高1/2,且二根横梁并列。由于受力条件改善,这二根横梁主筋位置及与其他横梁在同一高程的中和轴位置的构造筋、箍筋外表也未观察到混凝土开裂、锈水外流的现象。方桩上端与桩帽差不多处于同一高程,与横梁主筋类似,也受到氯离子二维扩散影响,但方桩主要为承压构件,所以未见桩的上端有破坏现象。

表5 天津新港码头上部结构破损构件统计

Tab.5 ThedamageofupperstructuresinTianjinnewport

码头泊位

建造年代

构件名称

构件总块件数

使用年限

/a

69

138

*

前承台面板

破损构件数量裂缝剥皮露筋)459106874798083)121214151619))))))))272727272727

132532434558820334661244143767676781224455

构件破损比/(%)裂缝剥皮露筋)2.942.87.349.53.57.58.60.)2.2.3.3.362016603

9.418.123.231.232.61.11.71.74.47.210.013.325.543.645.780.980.980.983.01.12.12.14.34.35.35.3

构件破损率/(%)2.950.158.771.780.489.292.71.14.34.37.410.513.517.425.543.645.780.980.980.983.01.130.830.833.033.034.034.0

客运码头

1979年O其中1996年进行了大修O

后承台面板

460*

*

1416171819691416171819691416171819691416171819

前承台横梁

94

**

3.54.1))))))))28.28.28.28.28.28.777777

后承台横梁

94*

注:*破损以裂缝为主;**破损较轻,以剥落露筋为主

表6 湛江南一期码头浪溅区不同标高氯离子及构件破坏情况

Tab.6 ThedamageandchlorideconcentrationsofstructuresofZhanjiangsouthfirstphaseportatdifferentheights

构件及位置北件杂泊位横 梁南件杂泊位横 梁

前承台后承台前承台后承台

取样标高/m++++4.64.94.64.9

表面氯离子含量/(%)0.2860.3430.2450.375

Ô级/(%)根数长度35.16.786.522.41.60.215.33.4

Ó级/(%)

根数长度56.818.578.426.719.72.859.318.1

注:设计高水位为4.8m。

油码头2#泊位引桥为板梁高桩结构。二座引桥与岸连接的四个桩帽钢筋锈蚀严重,混凝土开裂以至脱落。而稍离岸的其他桩帽均无破坏痕迹(见图2),受压的桩头部位没有钢锈现象。仔细观察发现,由岸上通向码头前沿的输油管均支承在桩帽上。由于岸墙后回填土的沉降,油管荷载集中作用于近岸第一排桩帽上。

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第4期方 ,等:海港钢筋混凝土建筑物破坏原因分析141

图1 赤湾油码头1998年调查时结构腐蚀状况

Fig.1CorrosiveappearanceofstructuresofChiwan-oilportin1998

调查发现:同一跨排架,混凝土开裂的部位可同时发生在不同高程的横梁底部和纵梁底部,而与纵梁底部相同高程的横梁上部及中上部,其箍筋和构造筋的破坏程度明显轻微。这也与构件不同部位的受力状态

有关。

在赤湾港A泊位的横梁剪力缝上取芯(直径5mm),在其中一条剪应力缝上(缝宽约0.2mm)取芯深度达8cm时遇主筋。断面上钢筋位置应力缝通过处留下明显锈斑,其他部位则未见锈迹(见图3)。这种现象使得构件荷载产生的应力裂缝对氯离子渗透的影响引起重视。

高桩码头桩基的沉降位移变形,会带来严重的后果。如建于1983年的某港盐码头,1990年进行现场调查时发现,有45%的横梁出现了沿梁截面的环形裂缝。分析表明,桩的不均匀沉降导致连续梁产生过大的内力,从而引起大量受力裂缝。裂缝促使梁内钢筋的锈蚀,反过来又加速梁的破坏[4]。

我国南方地区气温高,空气湿度大,阳光直射下蒸发量很大,而且夏秋季多台风。该地区处于大气区的建筑物比其他地区的锈蚀破坏要严重得多。如海南岛八所港远离海岸75~200m的钢筋混凝土东栈桥和引桥,运行10多年,就已经发现钢筋锈蚀开裂。修补后10年左右,于1983年观察到该桥混凝土剥落面积增大,顺筋裂缝增多,钢筋直径因锈蚀显著减小,一些部位的钢筋锈断,已达到严重锈蚀程度。这种远离海岸的陆地建筑物混凝土中含有大量氯离子的情况从南向北延续到浙江沿海(如宁波北仑港)。这与该地区多台风、高温的环境有明显的关系。而杭州湾以北的海港陆地建筑物尚未发现这种现象。

许多调查结果都指出,不同地区港口混凝土建筑物,一般南方的比北方的腐蚀破坏严重,但北方码头结构中混凝土未采取抗冻措施的比采取抗冻措施的腐蚀破坏严重,因保护层混凝土遭受破坏,氯离子侵蚀破坏速度甚至比南方地区更快。

2 初裂时间和破坏发展

调查指出[1],南方20世纪50~70年代末建造的港口码头结构,多在建成5年左右,混凝土表面即出现微细裂缝和轻度锈斑;一般在7~8年,较好的不到15年,就有构件出现因钢筋锈胀混凝土开裂、剥落情况,需要进行修补;此后破坏速度明显加快,钢筋大面积锈蚀、混凝土大面积剥落,15年~20年,就有70%左右的结构构件处于这种状态。在这一时期,属严重破坏的码头中,构件的Ó级破坏比例可高达50%~100%。,