陳艾榮，馮師蓉，馬如進(jìn)

（同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

我國地域廣闊，東西南北氣候和地型差異明顯，河流分布廣，跨越河流的橋梁處于不同的自然環(huán)境中.如果不考慮橋梁所處的環(huán)境作用的差異，采用通用的橋梁結(jié)構(gòu)和構(gòu)造形式將不可避免地產(chǎn)生耐久性問題.作為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，環(huán)境區(qū)劃的技術(shù)發(fā)展與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及方法的發(fā)展息息相關(guān)，相應(yīng)的環(huán)境作用類別及等級的劃分也受到規(guī)范、規(guī)程中采用的設(shè)計(jì)理論及方法的制約.

目前，國外土建工程中對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能設(shè)計(jì)主要采取條文說明方法，這導(dǎo)致在耐久性能設(shè)計(jì)過程中對環(huán)境作用類別和等級劃分的要求不高，半定量甚至定性的描述即可滿足方法的需求，相應(yīng)對環(huán)境作用類別及等級的劃分也多基于此.條文說明法及其對應(yīng)的設(shè)計(jì)理念雖然易于理解，且設(shè)計(jì)過程易于實(shí)施，但其無差別的處方式設(shè)計(jì)過程忽略了因環(huán)境和結(jié)構(gòu)不同而導(dǎo)致的性能要求差異，容易導(dǎo)致安全隱患，急需改進(jìn)［1-7］.與國外規(guī)范類似，目前國內(nèi)主要規(guī)范和指南［8-12］在耐久性設(shè)計(jì)過程中大多采用了條文說明法，對應(yīng)環(huán)境類別和作用等級的劃分也大多采用定性表格規(guī)定的形式，而未提供全國范圍的環(huán)境區(qū)劃圖，一定程度上影響了耐久性設(shè)計(jì)方法的可操作性.在對耐久性作用的形式和等級的表達(dá)中，雖然部分規(guī)范引入了定量形式，但離實(shí)際應(yīng)用存在一定的距離.

對我國混凝土橋梁進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，首要的是要對我國各地區(qū)混凝土橋梁所處的環(huán)境及環(huán)境作用對橋梁的影響程度認(rèn)識清楚，才能據(jù)此從材料、構(gòu)造、施工及后期養(yǎng)護(hù)維修等各個(gè)方面對混凝土橋梁進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì).因此，對環(huán)境作用和環(huán)境區(qū)劃的研究至關(guān)重要.

1 環(huán)境對混凝土橋梁耐久性的作用

環(huán)境作用指結(jié)構(gòu)處于某一特定環(huán)境（包括自然環(huán)境、使用環(huán)境）中受到的侵蝕作用.混凝土結(jié)構(gòu)所處的工作環(huán)境變化多端，影響因素復(fù)雜，氯鹽侵蝕、碳化物侵蝕、冰凍、水、工業(yè)廢水和廢氣等都會(huì)引起結(jié)構(gòu)耐久性劣化.不同地區(qū)的氣候、地理等環(huán)境條件伴隨著侵蝕介質(zhì)的不同直接導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的耐久性劣化的地區(qū)差異.

影響混凝土橋梁耐久性的因素有結(jié)構(gòu)的內(nèi)部因素和外部因素2個(gè)方面，如表1所示.其中內(nèi)部因素主要為混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度、水灰比和密實(shí)度、水泥品種、標(biāo)號和用量、外加劑類型、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的構(gòu)造、混凝土和鋼筋的應(yīng)力大小、裂縫等.外部因素主要為氣候、潮濕程度、高溫、氯離子侵蝕、化學(xué)介質(zhì)（酸、酸鹽、海水、堿類等）侵蝕，還有凍融、磨損破壞等.

表1 橋梁結(jié)構(gòu)病害和耐久性的影響因素Tab.1 Influence factors of disease and durability of the bridge structure

2 混凝土橋梁耐久性環(huán)境作用調(diào)查

我國幅員遼闊，跨緯度較廣，距海遠(yuǎn)近差距較大，地勢高低不同，氣候多種多樣.我國氣候主要有以下3個(gè)特征：①南北溫差大，北部年較差（一年中最高月平均氣溫與最低月平均氣溫之差）和日較差（一天中氣溫最高值與最低值之差）較大，冬夏極端氣溫較差更大；②降水分布很不均勻，年降水量自東南向西北逐漸減少，比差為40∶1，冬季降水少，夏季降水多，且年際變化很大；③冬夏風(fēng)向更替十分明顯，冬季的冷空氣來自高緯度大陸區(qū)，多為偏北風(fēng)，寒冷干燥，夏季的風(fēng)主要來自海洋，多為偏南風(fēng)，濕潤溫暖.

2.1 大氣溫度

氣溫主要受太陽輻射影響，大地表面接收太陽輻射的過程是極其復(fù)雜的，包括輻射、反射、漫射、吸收、傳導(dǎo)等過程.就北半球來說，緯度越高溫度越低；近地面處海拔高度每增加1km，氣溫降低6～7℃.白天地表受日光照射后，溫度上升而放熱，大氣獲得熱量而增高，而夜間日照消失，地表冷卻，因此大氣溫度隨之下降.一日的最高氣溫一般出現(xiàn)在日照最強(qiáng)的12：00以后的1～2h，而天亮前的溫度則為日最低氣溫.

根據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)整理出我國具有代表性的210個(gè)城鎮(zhèn)1976—2005年共30年的氣溫特征值，基于這210個(gè)城鎮(zhèn)氣溫特征值，采用反位移插值方法獲得全國范圍內(nèi)的相應(yīng)氣溫特征值，如圖1所示.該過程利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn).

圖1 1976—2005年年平均氣溫分布（單位：℃）Fig.1 Distribution of annual average temperature during 1976—2005（unit：℃）

2.2 大氣濕度

濕度用于表示大氣中所含水蒸氣量，主要分為絕對濕度和相對濕度.絕對濕度指1m3大氣中含有水蒸氣的質(zhì)量；相對濕度指1m3大氣中所含水蒸氣質(zhì)量與同溫度時(shí)大氣所含飽和水蒸氣質(zhì)量之比.濕度和溫度一樣，在大氣環(huán)境中也發(fā)生規(guī)律性變化，包括濕度的日變化和年變化.我國1976—2005年的年平均相對濕度分布如圖2所示.

2.3 降水

圖2 1976—2005年年平均相對濕度分布（單位：%）Fig.2 Distribution of annual average relative humidity during 1976—2005（unit：%）

降水包括液態(tài)降水和固態(tài)降水.液態(tài)降水一般指降雨，固態(tài)降水包括雪、雹、霰等，此外還有如雨夾雪等液態(tài)固態(tài)混合型降水.降水量指從天空降落到地面上的所有液態(tài)和固態(tài)（經(jīng)融化后）降水在不經(jīng)蒸發(fā)、滲透和流失而在水平面上積聚的深度.降水量一般會(huì)影響結(jié)構(gòu)表面干濕循環(huán)狀況.我國1976—2005年的年平均降水量分布如圖3所示.

圖3 1976—2005年年平均降水量分布（單位：mm）Fig.3 Distribution of annual average precipitation during 1976—2005（unit：mm）

2.4 風(fēng)速、風(fēng)向

大氣層的溫度在各個(gè)區(qū)域不同，由此氣壓也不同.大氣由高氣壓區(qū)域流向低氣壓區(qū)域，即由于氣壓差而產(chǎn)生大氣流動(dòng)，成為風(fēng).風(fēng)與地貌、高度等因素有關(guān).我國1976—2005年的年平均風(fēng)速分布如圖4所示.

2.5 大氣中CO2

對混凝土結(jié)構(gòu)而言，在一般大氣環(huán)境下，CO2引起的混凝土碳化是導(dǎo)致其中鋼筋銹蝕的主要原因.

圖4 1976—2005年年平均風(fēng)速分布（單位：m·s-1）Fig.4 Distribution of annual average wind velocity during 1976—2005（unit：m·s-1）

目前，CO2濃度觀測點(diǎn)及已有觀測數(shù)據(jù)均過少，難以推斷其余廣大地區(qū)的近地表大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)時(shí)空分布的準(zhǔn)確狀況.根據(jù)已有觀測點(diǎn)及其觀測值可將這些地區(qū)分為3級：第1級為全球基準(zhǔn)站的瓦里關(guān)山，屬于人口稀少、經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)的大氣潔凈區(qū)，其年平均體積分?jǐn)?shù)最小，日變化和年變化幅度也最??；第2級為上甸子、臨安和龍鳳山三地，地處大型（特大型）城市或工業(yè)區(qū)50km到數(shù)百千米距離內(nèi)的農(nóng)村或郊區(qū)，屬人口密集發(fā)達(dá)地區(qū)的相對大氣潔凈區(qū)，觀測所得年平均體積分?jǐn)?shù)比第1級高0.4%～1.2%，日變化和年變化相對明顯；第3級為年平均體積分?jǐn)?shù)最高的北京和太湖區(qū)域，屬大型城市城區(qū)或人口密集城市帶包圍區(qū)，北京年平均體積分?jǐn)?shù)可高于第1級瓦里關(guān)的4.6%～10.3%.

3 混凝土橋梁耐久性環(huán)境區(qū)劃

3.1 區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

環(huán)境區(qū)劃是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要研究混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件所處的環(huán)境類別及其耐久性作用等級.在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)中，環(huán)境作用作為一種廣義荷載，對結(jié)構(gòu)性能的退化過程產(chǎn)生十分重要的影響，如表2所示.一般情況下，環(huán)境條件是十分復(fù)雜的，包括了很多參數(shù)如溫度、相對濕度、CO2體積分?jǐn)?shù)、氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)等.為了便于設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行，需在這些參數(shù)中選擇對耐久性退化過程影響較大的參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)的取值進(jìn)行環(huán)境作用等級的劃分.例如，混凝土碳化過程受相對濕度影響較大，因此選擇相對濕度作為碳化作用的環(huán)境等級劃分指標(biāo)；氯離子侵蝕過程受構(gòu)件表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較大，因此選擇構(gòu)件表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為氯鹽侵蝕作用的環(huán)境等級劃分指標(biāo).

表2 環(huán)境作用效應(yīng)的主要影響因素Tab.2 Major influence factors of environmental effects

在明確了不同耐久性退化過程的控制指標(biāo)后，根據(jù)影響耐久性能的主要環(huán)境因素將結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境劃分為5類，其類型特征如表3所示.下文的環(huán)境作用等級劃分在表2和表3的基礎(chǔ)上進(jìn)行.

表3 環(huán)境類別劃分Tab.3 Classification of environmental types

本文所提出的環(huán)境區(qū)劃方法采用了圖表結(jié)合的方式.這種環(huán)境區(qū)劃不僅包括了現(xiàn)有規(guī)范常見的根據(jù)具體環(huán)境參數(shù)劃分的環(huán)境等級，還包括了根據(jù)實(shí)測資料繪制的我國環(huán)境影響與作用的區(qū)劃圖，既體現(xiàn)了區(qū)劃表對局部環(huán)境特點(diǎn)的考慮，又體現(xiàn)了區(qū)劃圖可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn).

3.2 碳化作用

國內(nèi)外學(xué)者開展的大量試驗(yàn)研究表明，影響混凝土碳化的環(huán)境因素包括CO2體積分?jǐn)?shù)、溫度和相對濕度RH，其中，相對濕度的影響最為顯著.對于暴露于大氣環(huán)境中的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)而言，CO2體積分?jǐn)?shù)的差異較小，而溫度的影響是以相對濕度為前提的.因此，將相對濕度作為碳化環(huán)境等級劃分的依據(jù)，如表4所示.

表4 碳化環(huán)境作用等級Tab.4 Grades of carbonation effect

根據(jù)表4的區(qū)劃結(jié)果可知，當(dāng)相對濕度居中時(shí)，碳化過程較為嚴(yán)重，而當(dāng)相對濕度較低或較高時(shí)，碳化過程均較輕微.這是因?yàn)?，混凝土碳化速率主要考慮2個(gè)因素，一個(gè)是CO2的擴(kuò)散速率，一個(gè)是化學(xué)反應(yīng)速率.當(dāng)相對濕度較低時(shí)，CO2擴(kuò)散速率較大，但化學(xué)反應(yīng)速率較小；而當(dāng)相對濕度較高時(shí)，正好相反.只有當(dāng)相對濕度適中時(shí)，CO2擴(kuò)散速率和化學(xué)反應(yīng)速率均較大，此時(shí)碳化情況最為嚴(yán)重.

圖5中，XT3等級主要包括新疆、西藏、青海、甘肅、寧夏及內(nèi)蒙古大部分地區(qū)，XT1等級主要包括海南及沿海邊緣地帶，其他大部分地區(qū)均屬于XT2等級.

圖5 混凝土橋梁碳化環(huán)境等級劃分Fig.5 Classification of carbonation effect of concrete bridges

3.3 氯鹽侵蝕作用

根據(jù)環(huán)境中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)劃分氯鹽侵蝕作用等級，如表5所示.

表5 氯鹽侵蝕環(huán)境作用等級Tab.5 Grades of chlorine effect

根據(jù)資料顯示，需要考慮氯離子侵蝕作用的范圍只在海岸線附近，影響范圍不超過1.5km.其中，浪濺區(qū)氯鹽侵蝕作用最為嚴(yán)重，隨著距離海岸線距離加大，影響逐漸減少.內(nèi)陸地區(qū)在有化學(xué)工業(yè)區(qū)域，或是冬季有除冰鹽作用的地區(qū)需要考慮氯離子侵蝕的影響.

3.4 凍融循環(huán)作用

已有的大量文獻(xiàn)研究均表明，凍融破壞是混凝土在負(fù)溫和正溫的交替循環(huán)作用下從表層開始發(fā)生剝落、結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度降低、直到破壞的一種現(xiàn)象.冬季處于溫度頻繁變化的地區(qū)，依照最冷月平均氣溫T劃分凍融環(huán)境等級能夠反映環(huán)境作用的嚴(yán)酷程度，且便于設(shè)計(jì)和工程人員使用，如表6及圖6所示.

表6 凍融循環(huán)作用等級Tab.6 Grades of freezing-thawing effect

圖6 混凝土橋梁凍融循環(huán)環(huán)境等級劃分Fig.6 Classification of freezing-thawing effect of concrete bridges

圖6中，XD3包括東北三省、內(nèi)蒙、甘肅、青海、西藏及新疆北部地區(qū)；XD2包括河北、山西、陜西、寧夏、甘肅南部及新疆南部等地區(qū)；XD1包括山東、河南、陜西南部及四川等地區(qū)；XD0為南方大部分地區(qū)，基本不發(fā)生凍融破壞.

3.5 硫酸鹽腐蝕作用

由于酸雨的監(jiān)測點(diǎn)有限，根據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)，整理出我國85個(gè)監(jiān)測點(diǎn)1993—2004年共12年的pH值，基于這些數(shù)值，采用反位移插值方法獲得全國范圍內(nèi)的相應(yīng)的pH值.該過程利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn).圖7中根據(jù)pH值大小劃分為4個(gè)等級，并采用等高線和不同顏色區(qū)塊表示，以反映各特征值在我國的分布情況.

表7 硫酸鹽腐蝕環(huán)境作用等級Tab.7 Grades of sulfate attack

圖7 混凝土橋梁硫酸鹽腐蝕環(huán)境等級劃分Fig.7 Classification of sulfate attack of concrete bridges

3.6 磨蝕作用

混凝土結(jié)構(gòu)的磨蝕是環(huán)境因素造成的物理破壞現(xiàn)象，磨蝕作用主要分為風(fēng)蝕和流水沖刷，表8中根據(jù)風(fēng)力等級和時(shí)間進(jìn)行了分級.

根據(jù)資料，風(fēng)蝕主要發(fā)生的西北部分地區(qū)，而流水沖刷則是根據(jù)水流速率等數(shù)據(jù)來判斷，因此區(qū)劃圖（圖8）只給出了大概區(qū)域，具體等級劃分需要進(jìn)一步的實(shí)測數(shù)據(jù).

表8 磨蝕環(huán)境作用等級Tab.8 Grades of abras ioneffect

3.7 區(qū)劃圖的使用說明

圖8 混凝土橋梁磨蝕環(huán)境等級劃分Fig.8 Classification of abrasion effect of concrete bridges

由于在區(qū)劃圖表的制作過程中，一些地區(qū)（尤其是中西部偏遠(yuǎn)而氣象站點(diǎn)又比較少的區(qū)域）缺少實(shí)測數(shù)據(jù)，只能由周邊區(qū)域的數(shù)據(jù)插值得到.這就容易導(dǎo)致一些不合理的結(jié)果，在這種情況下需要在區(qū)劃圖的基礎(chǔ)上根據(jù)我國地域的實(shí)際特點(diǎn)對某些特殊區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，強(qiáng)調(diào)這些區(qū)域的取值應(yīng)按照實(shí)際情況選擇，對區(qū)劃所獲得的環(huán)境作用等級進(jìn)行補(bǔ)充和調(diào)整，以考慮區(qū)劃圖中未能體現(xiàn)的其他環(huán)境作用影響.

區(qū)劃圖的使用步驟如下：①橋址處的環(huán)境調(diào)查；②若能獲取當(dāng)?shù)丨h(huán)境的實(shí)測數(shù)據(jù)，則根據(jù)區(qū)劃表獲取作用等級，若無法開展環(huán)境參數(shù)調(diào)查，可根據(jù)區(qū)劃圖找到橋址處的環(huán)境作用等級；③查詢區(qū)劃表，確定環(huán)境作用等級；④根據(jù)得到的環(huán)境作用等級進(jìn)行耐久性驗(yàn)算.

4 結(jié)語

耐久性環(huán)境區(qū)劃是以環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響程度為主要標(biāo)準(zhǔn)，并綜合考慮結(jié)構(gòu)形式、重要性、結(jié)構(gòu)使用條件等因素，把全國劃分為不同危險(xiǎn)程度的區(qū)域，并以圖表結(jié)合的形式表示出來，從而便于設(shè)計(jì)中的考慮與應(yīng)用.其核心功能就是體現(xiàn)影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的環(huán)境因素在地域上的差異性，為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

（1）依托國家氣象中心的有關(guān)數(shù)據(jù)，對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有顯著影響的環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)查分析.

（2）系統(tǒng)地研究了混凝土橋梁耐久性環(huán)境區(qū)劃參數(shù)，針對5種常見混凝土耐久性退化過程分別確定了各自的區(qū)劃參數(shù).

（3）基于區(qū)劃研究的原則和方法，根據(jù)調(diào)研所得的環(huán)境參數(shù)，借鑒現(xiàn)有的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)筑物工作環(huán)境的分類，合理地選擇區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，對我國混凝土橋梁耐久性的環(huán)境作用進(jìn)行了區(qū)劃，得到了對應(yīng)于不同環(huán)境參數(shù)的環(huán)境區(qū)劃圖表，并對各等級區(qū)域的耐久性要求給出具體的說明和設(shè)計(jì)要求.

進(jìn)行耐久性能設(shè)計(jì)時(shí)需要參考較為詳細(xì)的環(huán)境參數(shù)，當(dāng)沒有實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)，雖然可參考環(huán)境區(qū)劃圖，但現(xiàn)有的環(huán)境區(qū)劃相對較粗糙，對于耐久性環(huán)境因素差異性較大的省份和自治區(qū)并不能完整反映其耐久性失效在空間上的差異，還應(yīng)根據(jù)其更加具體的環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、局部特殊侵蝕環(huán)境（如鹽湖區(qū)、鹽堿區(qū)、重污染區(qū)等）開展各省份和自治區(qū)的耐久性二級環(huán)境區(qū)劃.

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