李化建 董昊良 楊志強 溫家馨 易忠來

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081

混凝土具有資源分布廣、技術經(jīng)濟性好、可加工性能強等優(yōu)點，已成為高速鐵路建設的主要工程材料。中國高速鐵路運營里程已達4 萬km，高速鐵路混凝土平均用量超過2萬m3/km。受高頻疲勞荷載、露天服役環(huán)境以及無砟軌道層狀結構與信號傳輸影響，高速鐵路混凝土結構設計使用年限的確定更為復雜。設計使用年限是指滿足一定可靠度和保證率的預期使用時間［1］。各行業(yè)規(guī)范對設計使用年限均做出了相應要求，設計使用年限一般在30～100 年。設計使用年限的確定主要與結構耐久性有關，混凝土結構耐久性主要受一般荷載作用（如自重、列車荷載、風、雪）、偶然作用（如地震、爆炸）和環(huán)境作用（如溫濕度，凍融，以及鹽、酸等侵蝕）等的影響，必須有足夠的保證率或安全儲備才能滿足《中華人民共和國建筑法》提出的“必須確?！敝黧w結構在合理使用壽命內(nèi)的質量要求［2］。隨著中國高速鐵路建設規(guī)模不斷擴大，逐漸形成了高速鐵路混凝土結構耐久性技術體系，保證了高速鐵路工程的正常運營［3］。面對部分氣候惡劣、地形復雜的極端環(huán)境，高速鐵路混凝土結構可能無法滿足規(guī)定的設計使用年限要求。

本文通過分析設計使用年限的確定原則，梳理國內(nèi)外規(guī)范對設計使用年限的要求，探討鐵路混凝土結構設計使用年限的要求，提出高速鐵路混凝土結構設計使用年限存在的問題，并通過鐵路混凝土結構實際服役年限案例加以佐證，以期為鐵路行業(yè)混凝土結構設計使用年限的合理確定提供參考。

1 混凝土結構設計使用年限規(guī)定

1.1 設計使用年限規(guī)定原則

在凍融、氯鹽侵蝕等環(huán)境因素作用下，混凝土結構耐久性隨時間發(fā)展不斷劣化（圖1）［4］。服役時間越長，混凝土結構耐久性的下降速率越快，當混凝土結構耐久性下降到一定范圍時便無法滿足基本服役要求，對結構安全產(chǎn)生威脅所對應的狀態(tài)被認為是耐久性極限狀態(tài)，對應服役時間即為設計使用年限。設計使用年限的確定與混凝土結構的受力特征、服役環(huán)境、技術經(jīng)濟性和可更換程度有關。

圖1 混凝土結構設計使用年限劃分原則

1）受力特征?；炷两Y構的受力狀態(tài)決定其能達到的最大服役年限，鐵路混凝土結構不僅受自重的影響，還受列車自重靜載及列車運行疲勞荷載的影響。TB/ T 3466—2016《鐵路列車荷載圖式》［5］指出高速鐵路無砟軌道所受動態(tài)荷載響應頻率超過30 Hz，在確定鐵路混凝土的設計使用年限時應考慮在長期列車荷載作用下能否達到預期使用壽命。

2）服役環(huán)境。確定混凝土結構設計使用年限時往往需要考慮碳化環(huán)境、氯鹽環(huán)境、凍融環(huán)境和酸雨侵蝕作用對混凝土結構耐久性的影響。TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范》［6］依據(jù)設計使用年限和鐵路混凝土所處環(huán)境確定了混凝土結構應達到的抗壓強度等級和基本耐久性要求。

3）技術經(jīng)濟性。在滿足服役要求的前提下，需要考慮建設和維護運營成本，確保結構在設計使用年限內(nèi)安全服役的要求在技術上可行，在經(jīng)濟上合理［7］。

4）可更換程度。對于無法更換或者更換時成本較高的混凝土構件，其設計使用年限應提高；對于可更換的混凝土結構部位，可采用更加經(jīng)濟、設計使用年限低的結構類型。

1.2 設計使用年限規(guī)定

混凝土結構設計使用年限要求見表1。整體而言，中國對混凝土結構設計使用年限的設定要求與歐洲規(guī)范相似?；趪H標準ISO 2394：1998General Principles on Reliability for Structures和歐洲規(guī)范EN 1990：2002Eurocode?Basis of Structural Design，結合中國建筑工程特點，GB 50153—2008《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》［8］為中國房屋建筑、鐵路、公路、港口、水利水電等領域混凝土結構的設計使用年限的制定提供了參考，并細化了符合行業(yè)混凝土結構服役特點的設計使用年限要求。GB/ T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計標準》［9］規(guī)定混凝土結構的設計年限不應低于GB 50153—2008 的規(guī)定。GB 50068—2001《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》［10］將混凝土結構的設計使用年限分為100、50、25、5 年四個等級。GB 50216—2019《鐵路工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》［11］將鐵路工程混凝土結構設計使用年限確定為100、60、30 年三個等級，鐵路橋梁、隧道、無砟軌道等主體結構的設計標準依此確定了相應的設計使用年限。與其他行業(yè)相比，JTG 2120—2020《公路工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》［12］對于混凝土結構的設計使用年限進行了更為統(tǒng)一、詳細的規(guī)定，從公路橋涵、公路隧道和公路路面三方面確定了100、50、30、20、15、10年六個等級要求。GB 50158—2010《港口工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》［13］要求永久性港口建筑物的設計使用年限為50 年，比其他標準設計使用年限低。GB 50199—2013《水利水電工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》［14］對水利水電工程混凝土結構的長期服役性能更加重視，要求永久性建筑物的設計使用年限為50～100 年，一級至三級建筑物混凝土結構的設計使用年限均為100 年。SL 654—2014《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規(guī)范》［15］中首次規(guī)定了Ⅰ類水庫以及建筑物級別為一級的水庫壅水建筑物和水庫泄洪建筑物的合理使用年限為150 年，這為建筑地位同等重要的高速鐵路混凝土結構設計使用年限的制定提供了借鑒。

表1 混凝土結構設計使用年限要求

國際上對一般房屋建筑混凝土結構的設計壽命多在50～75 年，重要建筑物和一般橋隧等基礎設施工程的設計使用年限多為100年［16］。歐洲將混凝土結構設計使用年限分為五個等級，其中對于建筑結構混凝土的設計使用年限要求與中國GB 50068—2001相似。英國將混凝土結構設計使用年限分為30、60、90、120年四個等級，采用英國標準設計的大型工程，其設計年限多為120 年，如中國香港青馬大橋與港珠澳大橋等工程［8］。本質上，實際工程建設中120 年的設計使用年限對應的混凝土性能要求與歐洲、日本設計使用年限100年處于同一級別。美國對混凝土結構設計使用年限未進行具體分類，通常情況下橋梁的設計使用年限應高于75～100 年。日本建筑學會提出了建筑物的設計年限分為長期（不需要大修年限100 年）、標準（設計使用年限100 年）和一般（設計使用年限65 年）三個等級。

2 鐵路行業(yè)混凝土結構設計使用年限要求

2.1 鐵路混凝土結構設計使用年限

鐵路混凝土結構設計使用年限見表2?？芍?，TB 10005—2010中確定了100、60、30年三類設計使用年限，并將橋梁、涵洞、隧道等主體結構的設計使用年限規(guī)定為100 年。2016 年以后發(fā)布的TB 10003—2016和TB 10002—2017規(guī)范最終確定鐵路橋涵、隧道主體結構的設計使用年限為100年。

表2 鐵路混凝土結構設計使用年限

除橋涵、隧道兩類主體結構外，無砟軌道是高速鐵路的主要結構形式。高速鐵路無砟軌道以高平順、高平穩(wěn)、少維修等優(yōu)勢常作為設計時速300 km 及以上高速鐵路的軌道結構，包括板式無砟軌道、雙塊式無砟軌道兩類。目前各國對高速鐵路無砟軌道混凝土結構設計使用年限的要求仍存在差異，中國對無砟軌道混凝土結構設計使用年限的要求與德國規(guī)范相似，TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》［19］明確規(guī)定無砟軌道主體結構的設計使用年限應不低于60 年。TB 10005—2010 規(guī)定高速鐵路無砟軌道軌道板、支承層的設計使用年限至少為60 年。德國規(guī)定無砟軌道的設計使用年限為60年，且要最大限度地減少養(yǎng)護維修工作量。日本東北新干線軌道板的設計使用年限為50年，比中國和德國規(guī)范要求稍低。國際鐵路聯(lián)盟UIC 713RDesign of Monoblock Concrete Sleepers以40 年作為軌枕的最低設計使用年限。除對無砟軌道主體結構設計使用年限的規(guī)定外，中國還規(guī)定高速鐵路無砟軌道道床使用年限為60 年，軌枕使用年限為40 年，道岔的設計使用年限為20 年。不同結構部位設計使用年限不同可以保證高速鐵路建設過程的經(jīng)濟性，但無砟軌道主體結構的設計使用年限要求仍低于橋梁和隧道主體結構。

2.2 鐵路混凝土結構實際服役年限調(diào)研

國內(nèi)外已存在實際使用壽命超過100年的鐵路混凝土結構。根據(jù)《鐵路客運專線橋隧涵折舊年限分析報告》［1］，中國鐵路使用時間超過百年且仍在使用的鋼筋混凝土梁橋有22 座（跨度在10 m 及以下）、混凝土拱橋有19 座。中國鐵路使用時間超過百年且仍在使用的隧道有195 余座，濱洲線興安嶺隧道（混凝土襯砌）已使用117 年，京張線八達嶺隧道（預制混凝土塊砌體襯砌）已使用112 年，長圖線土們嶺1 號隧道（混凝土襯砌）已使用108 年。在高速鐵路方面，日本在1964 年修建了世界上第一條高速鐵路——東海道新干線，至今已使用58 年，所使用的混凝土結構未出現(xiàn)大規(guī)模破壞，可以滿足正常服役運營要求［20］。英國在1977年修建了時速200 km往返于倫敦、布里斯托爾和南威爾之間的高速鐵路，至今已服役45 年。法國于1981 年建成了歐洲的第一條高速鐵路——TGV 東南線［21］。德國、西班牙、意大利等國的高速鐵路也服役了40 年左右，混凝土結構整體服役情況良好，混凝土材料的耐久性并未出現(xiàn)急劇劣化。

從國內(nèi)外鐵路混凝土結構使用情況來看，鐵路建設早期雖受設計理念、建設標準、施工技術水平制約以及運營維護水平因素的影響，但仍有部分橋梁、隧道的服役時間超過百年，國內(nèi)外高速鐵路混凝土結構的服役狀態(tài)整體良好，這說明高速鐵路混凝土結構的設計使用年限高于100年是可能的。

3 存在的問題

3.1 未基于混凝土環(huán)境作用劣化模型確定設計使用年限

目前，高速鐵路混凝土結構僅有碳化和氯鹽侵蝕環(huán)境下與混凝土鋼筋銹蝕的劣化模型得到公認，并作為標準制定的依據(jù)。GB/ T 51355—2019《既有混凝土結構耐久性評定標準》［22］依據(jù)國內(nèi)外試驗及實測數(shù)據(jù)，規(guī)定碳化環(huán)境下和氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土結構的劣化模型分別為

式中：ti為鋼筋開始銹蝕耐久年限，a；Kk為碳化系數(shù)對鋼筋銹蝕耐久年限影響系數(shù)；Kc為保護層厚度影響系數(shù)；Km為局部環(huán)境對鋼筋開始銹蝕耐久年限的影響系數(shù)。

式中：c為保護層厚度，mm；K為氯鹽侵蝕系數(shù)，m/a1/2；t1為混凝土表面氯離子濃度達到穩(wěn)定值的時間，a。

關于凍融環(huán)境、化學侵蝕環(huán)境、鹽類結晶等環(huán)境下混凝土結構劣化模型的制定還存在較大爭議，GB/ T 50476—2019 對混凝土結構耐久性設計時僅規(guī)定可采用氯離子侵入混凝土的經(jīng)驗擴散模型進行氯鹽環(huán)境劃分，其他環(huán)境并未提出對應的混凝土劣化模型。GB/ T 51355—2019 中根據(jù)硫酸根離子在混凝土內(nèi)與水泥中鋁相物質發(fā)生反應導致的膨脹開裂原理，用硫酸鹽腐蝕速率對硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土使用年限進行了計算，但未考慮硫酸鹽物理結晶破壞的影響。

現(xiàn)有研究對鹽類侵蝕和結晶破壞環(huán)境以及凍融環(huán)境下混凝土的劣化模型已取得諸多成果。Li 等［23］發(fā)現(xiàn)在鹽類侵蝕和結晶破壞環(huán)境下，混凝土的抗化學侵蝕和鹽類結晶破壞性能與其滲透性有關。Garavaglia 等［24］依據(jù)鹽類侵蝕結晶破壞的概率特征提出了在化學侵蝕和鹽類結晶環(huán)境下混凝土耐久性隨時間演變的概率模型。Lu 等［25］提出了混凝土在鹽漬土環(huán)境下的劣化模型，并以此預測了不同強度混凝土在鹽漬土環(huán)境下的使用壽命和不同時期的劣化程度。在凍融環(huán)境下，混凝土的劣化與混凝土內(nèi)部孔隙水在凍融過程中產(chǎn)生的靜水壓和滲透壓有關。Penttala等［26］建立了無砟軌道平面結構混凝土在鹽凍和水凍環(huán)境下的損傷劣化模型。Hang 等［27］以質量損失率和相對動彈性模量為評價指標，提出了不同含氣量混凝土在凍融環(huán)境下的劣化模型。Yu 等［28］結合凍融環(huán)境下最大應力比模型，提出了在凍融環(huán)境下混凝土不同時期的劣化模型。

雖然已有文獻研究了混凝土在不同環(huán)境中的劣化模型，但還未提出統(tǒng)一的高速鐵路混凝土結構環(huán)境作用劣化模型。標準中對凍融環(huán)境、化學腐蝕、鹽類結晶破壞以及磨蝕環(huán)境下高速鐵路混凝土結構和耐久性設計大多還是基于試驗和工程經(jīng)驗得到的，基于環(huán)境作用的高速鐵路混凝土結構劣化模型還未上升到標準，使得不同環(huán)境下高速鐵路混凝土結構設計使用年限的確定缺乏理論支持。

3.2 未考慮疲勞荷載與環(huán)境的耦合作用

高速鐵路混凝土結構設計使用年限的確定需要考慮列車疲勞荷載與服役環(huán)境對混凝土結構耐久性的影響，但規(guī)范中未考慮高速鐵路疲勞-環(huán)境耦合作用下混凝土結構的劣化規(guī)律。Li 等［29］發(fā)現(xiàn)高速鐵路混凝土結構在疲勞-環(huán)境耦合作用下，混凝土結構耐久性的劣化速率大大增加。劉丹［30］發(fā)現(xiàn)在應力水平為0.7的疲勞荷載的疲勞-碳化耦合作用下，無砟軌道混凝土中CO2氣體擴散系數(shù)增加240%，并證明了疲勞-凍融耦合會極大加速混凝土的劣化。Lei 等［31］認為當應力水平小于0.2時無砟軌道混凝土的碳化深度有所降低，原因是較低的應力水平產(chǎn)生的損傷程度較低，能夠使混凝土的內(nèi)部結構更加致密。Jiang 等［32］認為混凝土的氯離子擴散系數(shù)隨疲勞損傷程度呈指數(shù)增長，且與疲勞荷載的類型無關。Boyd 等［33］發(fā)現(xiàn)凍融環(huán)境下混凝土的疲勞壽命隨凍害程度的增加而降低。

3.3 高速鐵路混凝土結構設計使用年限不一致

高速鐵路混凝土結構包括橋梁、隧道和軌道，無砟軌道作為高速鐵路列車的承載結構與橋梁和隧道組成整體結構，與鐵路橋梁和隧道具有同等重要的地位。由于無砟軌道直接受列車疲勞荷載和露天服役環(huán)境耦合作用的影響，為滿足軌道電路信號傳輸要求，高速鐵路混凝土結構內(nèi)部采用了不同的絕緣措施，使得現(xiàn)有標準規(guī)定無砟軌道的設計使用年限為60年，這會影響高速鐵路整體結構的服役壽命［34-35］。TB 10005—2010 提出應加強對無砟軌道軌道板、支承層的研究試驗和再創(chuàng)新，以實現(xiàn)與橋隧結構等壽命期的目標?，F(xiàn)有鐵路工程實際服役年限和相關研究證明，已存在實際使用壽命超過100 年的鐵路混凝土結構［36］，將高速鐵路主體結構的設計使用年限統(tǒng)一按100年進行設計是未來研究方向。

4 結論及建議

1）設計使用年限是進行混凝土結構耐久性設計的前提，根據(jù)承受荷載特征、技術經(jīng)濟性以及可更換性等，將鐵路混凝土結構的設計使用年限分為三個級別，這對確保中國高速鐵路混凝土結構在設計年限安全服役具有重要意義，為高速鐵路耐久混凝土制備、構造措施優(yōu)化、施工期裂縫控制等提供標準依據(jù)。

2）基于不同環(huán)境作用下混凝土的劣化模型確定高速鐵路的設計使用年限，能夠提升不同結構類型在制定設計使用年限時的可靠性，為高速鐵路混凝土結構耐久性量化設計提供理論依據(jù)。

3）高速列車疲勞荷載和環(huán)境的耦合作用加速了混凝土結構的劣化，現(xiàn)有標準在高速鐵路混凝土結構耐久性設計時應考慮疲勞-環(huán)境耦合作用的影響。

4）高速鐵路工程整體使用壽命取決于服役壽命最短的混凝土結構，亟待研究與橋隧結構同壽命的無砟軌道混凝土結構提升技術；已有服役超過百年的鐵路工程實踐表明，更長壽命高速鐵路混凝土結構是可行的，也是未來的發(fā)展方向。