鋼絞線銹蝕條件下的無粘結預應力混凝土梁抗彎極限承載能力試驗研究

陳瑞明

(貴陽職業技術學院，貴陽 550081)

隨著我國城市化進程的快速推進，基礎設施建設進入了高峰期，一系列的鋼筋混凝土結構和預應力鋼筋混凝土結構逐年建成投入使用。但是，隨著使用年限的增加，大量鋼筋混凝土結構出現了鋼筋銹蝕的耐久性問題，導致混凝土保護層開裂脫落，結構使用壽命大打折扣，不得已拆除重建[1]。無論國外還是國內，鋼筋混凝土結構的耐久性問題一直是業內的嚴重問題，其中影響鋼筋混凝土結構耐久性最嚴重的是鋼筋銹蝕[2]。大量混凝土結構鋼筋銹蝕的例子表明，地處濕度大且寒冷的地區，更容易使得鋼筋混凝土結構鋼筋銹蝕，特別是我國高寒地區和高緯度地區的預應力混凝土橋梁[3]。預應力可以使得混凝土結構避免出現裂縫，使得混凝土結構截面由厚變薄，從而減輕了混凝土結構的自重，對混凝土結構意義重大。如果預應力結構里面的鋼絞線發生銹蝕，就會導致預應力發生損失。如果鋼絞線銹蝕嚴重，預應力損失就會更多，從而預應力結構失去了預應力的優勢，接近于普通鋼筋混凝土結構。我國對于鋼筋混凝土結構耐久性研究起步較晚，近年來關于混凝土鋼筋銹蝕的論文也在不斷推出，為我國混凝土結構耐久性研究打下了堅實的基礎[4-10]。然而，關于無粘結預應力構件鋼絞線銹蝕后的結構極限承載力劣化情況很少有報道。因此對無粘結預應力混凝土梁開展鋼絞線腐蝕后的極限承載力研究就顯得尤為必要。

1 試驗研究

1.1 試件設計

每組試驗預應力梁均配有三根長度為1 m的無應力鋼絞線。試驗用混凝土設計強度等級為C50。采用PO42.5R普通硅酸鹽水泥;砂的細度模數2.5；石子粒徑為5～16 mm，攪拌混凝土的時候不加外加劑，混凝土設計配合比水泥∶水∶砂∶石為1∶0.4∶1.04∶1.93。鋼筋采用HRB400，預應力鋼筋采用公稱直徑為12.7 mm的1860級鋼絞線，箍筋采用HPB300級光圓鋼筋，直徑為6.5 mm。試驗梁的張拉控制應力σcon均為0.65fptk,即1 209 MPa。

1.2 快速銹蝕試驗

預應力混凝土梁鋼絞線和無應力鋼絞線的銹蝕采用結構實驗室提供的直流電源通電開展鋼絞線的快速銹蝕試驗，利用法拉第定律[8]通過用銹蝕天數來控制預應力鋼絞線的銹蝕百分比,銹蝕率分別為4.36%、8.72%和13.08%。在開展銹蝕試驗的準備階段，通過量測計算出鋼絞線平均每延米的平均質量。把開展銹蝕試驗的無應力鋼絞線和無粘結預應力梁放置于銹蝕容器中，容器中加入電解液沒過鋼絞線和無粘結預應力梁，使得即將開展銹蝕試驗的無應力鋼絞線和無粘結預應力梁鋼絞線能夠充分與電解液接觸。無應力鋼絞線和無粘結預應力梁鋼絞線與直流電源的正極連接，以此作為電解池的陽極；通過砂紙打掉表面鈍化膜的不銹鋼板與直流電源負極相接，整個銹蝕系統利用電解池原理使鋼絞線快速銹蝕，見圖1。

2 試驗加載方案

2.1 鋼絞線的拉伸試驗

鋼絞線快速銹蝕過程中，其表面逐漸由白色變為紅褐色，這層紅褐色的物質為鐵銹，包裹著鋼絞線。每組鋼絞線均參加完規定銹蝕天數的銹蝕試驗后，立即將鋼絞線置于流動自來水處進行充分沖洗，將鋼絞線表面粘附的鐵銹大部分沖洗掉，再用新的標簽標注好每根鋼絞線的銹蝕天數。待沖洗過后的鋼絞線晾干后，為了計算出每組銹蝕率條件下鋼絞線的質量損失率，需要對每組鋼絞線進行酸洗，直到酸洗的鋼絞線由紅色變為白色。然后再稱重計算鋼絞線的質量損失率。鋼絞線處理完畢以后，對各種銹蝕率條件下的鋼絞線開展靜力拉伸試驗，靜力拉伸試驗在結構實驗室1 000 kN萬能試驗機上進行。測定鋼絞線的質量損失和名義彈性模量，測試結果見表1。從表1的試驗數據可以看出，鋼絞線的質量損失隨著銹蝕率的增加而增加，鋼絞線的名義彈性模量隨著銹蝕率的增加而降低。

表1 鋼絞線銹蝕后試驗結果

2.2 預應力梁的加載試驗

無粘結預應力梁加載試驗前，嚴格制定好加載制度，并在加載過程中依據執行。試件采用三分點加載。 靜力加載分為預加載、標準加載、破壞荷載三個階段。

無粘結預應力梁在從加載到破壞的整個過程中，必須時刻注意觀察無粘結預應力梁上下邊緣混凝土應力和應變的變化。當裂縫出現后，每級荷載施加完畢后，都要量測裂縫的寬度和高度，所有數據都要準確記錄。無粘結預應力梁試驗數據見表2。從表2的試驗數據可以看出，無粘結預應力梁的有效預應力隨著銹蝕率的增加而降低，無粘結預應力梁在受彎試驗中開裂荷載和極限荷載均隨著有效預應力的增加而降低。

表2 構件銹蝕和加載數據平均值

3 鋼絞線銹蝕后無粘結預應力混凝土梁極限承載力的計算

根據《混凝土規范》中給出的關于無粘結預應力混凝土梁受彎極限彎矩計算公式，如式(1)所示，結合鋼絞線銹蝕后對鋼絞線的劣化影響，推導計算出鋼絞線銹蝕后無粘結預應力混凝土梁的極限荷載與銹蝕率的關系。

(1)

式中,h0為截面有效高度；σpu為無粘結預應力鋼筋的極限應力；hp為預應力鋼筋截面重心至截面受壓邊緣的距離，為150；hs為受拉區縱向鋼筋截面重心至截面受壓邊緣的距離，為170；β0為梁的綜合配筋指標；γs為材料分項系數，取1.2；ap為預應力鋼筋截面重心至截面受拉邊緣距離；as為受拉區縱向鋼筋至截面受拉邊緣的距離；x為預應力構件受彎截面極限受壓區高度。

通過把相關公式和數據進行計算和整理，可以得到無粘結預應力梁受彎極限彎矩關于銹蝕率的表達式

將該試驗各工況下的無粘結預應力混凝土構件計算極限荷載與實測開裂荷載進行統計對比，見表3。

從表3數據可以看到，無粘結預應力梁在鋼絞線銹蝕條件下極限彎矩隨著鋼絞線銹蝕率的增加而降低，該文推導計算出的極限彎矩計算公式也反應了這一劣化規律。而且公式計算值和實際試驗測試值吻合度較高，說明公式精度較高。

表3 極限荷載試驗平均值與計算值比較

4 結 論

通過開展無粘結預應力梁鋼絞線和無應力鋼絞線的銹蝕試驗，可以看到鋼絞線銹蝕以后預應力減小、鋼絞線彈性模量降低、質量損失率增加，直接導致無粘結預應力梁在受彎荷載作用下截面有效區高度減小以及無粘結預應力梁受彎截面極限受壓區高度減小。最后，綜合考慮以上劣化因素，推導出無粘結預應力梁極限彎矩與鋼絞線銹蝕率之間的關系，公式計算結果和試驗實測結果吻合度較高。