「胶州湾耐久性」科技支撑山东高速胶州湾大桥屹立百年

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青岛胶州湾大桥是由山东高速集团投资、建设、经营、管理，于2007年5月24日正式开工，2011年6月30日建成通车，是我国目前国有独资单一企业投资建设的最大规模的交通基础设施项目,是我国自行设计、施工、建造的特大型桥梁集群工程。胶州湾大桥投资规模超过100亿元，是目前世界第一跨海长桥。胶州湾大桥自青岛经红岛至黄岛，从根本上解决青岛“青黄不接”、“青红不接”的问题，将“青岛—红岛—黄岛”三岛有机的联系在一起，成为山东半岛蓝色经济战略核心区的重要交通枢纽。
“作为我国冰冻海域首座特大型跨海桥梁集群工程，大桥所处的胶州湾海水含盐度2.94%~3.29%，极端低温为-14.3℃，年冻融循环达47~52次，遭受冻融和氯盐的共同侵蚀，如何保证其使用寿命达到100年的设计设想是此工程建设面临的重大技术挑战。”胶州湾大桥建设指挥部总工程师、2014年度山东科技进步一等奖项目完成人邵新鹏对记者说，我国北方处于冰冻海域的基础设施受盐害、冻融交迭侵蚀，破坏严重。据查，我国上世纪90年代前修建的沿海桥梁有些使用10～20年即因腐蚀破坏而成危桥，不得不反复维修、加固、甚至拆除重建，造成巨大损失。因此胶州湾大桥，从设计建造之初，桥梁的耐久性就一直为人所关注。
为保障胶州湾大桥工程的耐久性，建设团队创新了海水冻融-氯盐侵蚀作用下桥梁耐久性设计。首次实现了结构耐久性设计、施工控制和管养决策的一体化设计；建立了冻融-氯盐侵蚀作用下混凝土结构耐久性评定方法，及结构可靠度时变下的维护成本优化算法，以保障胶州湾大桥经济合理地达到设计使用寿命。前后历时七年，通过一系列的研究，该团队在冰冻海域跨海大桥耐久性设计、结构联合防护及管养决策等方面取得多项重大技术突破，建立了冰冻海域跨海大桥百年寿命耐久性保障技术体系。
在耐久性保障技术研发过程中，由于世界上尚没有冻融监测传感器，而胶州湾大桥遭受冻融循环和氯盐侵蚀的协同作用，要建立耐久性监测系统，必须先开发冻融监测传感器，没有经验可以借鉴，需要开展原创性的工作；耐久性监测系统包含冻融、氯盐、温度、湿度等多个耐久性关键参数的同时获取，需要现场多次调试，海上风大浪高，冬季温度极低，作业环境恶劣；桥上高频率的断电与启动对监测系统硬件的要求很高，精选的野外用工作站外加及不间断电源等，也经常被破坏，为此开发了独立的保护软硬件系统。按照春秋、夏、冬不同季节，现浇、预制不同施工工艺，桩、台、柱、梁不同结构物类别，伴随施工过程成型有代表性暴露试件。只要既定的结构物混凝土浇筑，无论什么时间都组织人力到施工现场成型，有时是寒冬腊月，有时是凌晨海上，有时交通船搁浅……，整个过程坚持4年，参研人员付出了艰辛的努力。
经过艰苦努力，项目研发团队建立了我国首座基于传感技术的混凝土及桥梁用钢暴露实验站，搭建了反映混凝土及桥梁用钢耐久性时变的数据平台；建立了带涂层混凝土及钢箱梁的腐蚀寿命评估方法；创新了桥梁管养策略的经济评估方法；实现了桥梁的主动维护。在冰冻海域跨海大桥耐久性设计、结构联合防护及管养决策等方面取得多项重大技术突破，建立了冰冻海域跨海大桥百年寿命耐久性保障技术体系。
目前，胶州湾大桥耐久性保障技术直接应用于胶州湾大桥，还在海阳-即墨跨海大桥、大连长山大桥、烟台南北长山大桥多座冰冻海域跨海桥梁工程以及青龙高速、济东高速等工程中投放使用。仅在胶州湾大桥工程中产生的直接经济效益就达3.174亿元，全桥工程共节省水泥50余万吨，减少二氧化碳排放量约50万吨，对环境保护、节能减排和可持续发展具有重要意义。此外，项目共申请国家专利20余项，已获得国家发明专利授权10项，实用新型专利授权8项。同时，该技术建立的冰冻海域桥区暴露实验站、全桥典型部位耐久性在线监测系统，实现了耐久性数据的实时获取，将对行业标准规范的修订起到重要的支撑作用，为国家耐久性数据的积累和科学研究提供了基础条件。
胶州湾大桥耐久性保障技术填补了我国冰冻海域跨海大桥建设的相关技术空白。形成的胶州湾大桥耐久性保障技术，全面提高了桥梁建造品质，可经济、有效延长结构物的安全使用寿命，对北方冰冻海域工程的建设具有引领和指导意义。随着环渤海湾经济圈的发展，项目研究成果将对我国冰冻海域沿海桥梁和跨海湾通道的建设发挥重要的技术引领和支撑作用。