钢绞线腐蚀时变效应对预应力混凝土梁桥影响研究.pdf
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1、公路 交通技术2 0 1 5年 2月 第 1期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t F e b 2 0 1 5 N o 1 D O I : 1 0 1 3 6 0 7 j c n k i g l j t 2 0 1 5 0 1 0 0 1 4 钢绞线腐蚀时变效应对预应力混凝土梁桥影响研究 王 鹏, 张 力, 王福敏, 张赞鹏 ( 招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆4 0 0 0 6 7 ) 摘要: 基于混凝土碳化理论分析预应力筋腐蚀开始时间, 提出预应力钢绞线腐蚀截面积退化 时变模型。通过已有 试验成果
2、对比研 究 , 提 出由腐蚀 电流 密度和时 间表 达的 腐蚀 钢 绞线力 学性 能退化 时 变模 型 , 包括 名 义极 限强度 、 极 限延伸率 、 名 义弹性模量 时变模型 ; 并推 导建立 由于钢绞 线腐蚀 引起 的预应 力损失 时变模 型。在 此基础 上 , 以预应 力混凝土空心板桥为例, 分析预应力钢绞线腐蚀后其梁体应力、 抗弯承载力和可靠度等的经时变化。研究表明: 预 应力筋是预应力混凝土粱桥性能表现的重要参数, 一旦发生腐蚀, 其应力水平、 抗弯承载力及可靠度将急剧下降, 在 短短几年 内就可能危及桥 梁的安全。 关键词: 预应力混凝土; 钢绞线; 腐蚀; 时变模型; 可靠度
3、文章编号 : 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 6 6 0 8 中图分 类号 : U 4 4 8 3 5 文献标识码 : A Re s e a r c h o n I n f l u e n c e s o f Ti me v a r y i n g E ff e c t o f St e e l St r a n d Co r r o s io n o n Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e B e a m Br id g e s W ANG P e n g,ZHANG L i ,W ANG Fu mi n,ZHANG
4、 Za n p e n g Abs t r a c t :Th i s p a p e r a n a l y z e s s t a r t t i me o f c o r r o s i o n o f pr e s t r e s s e d r e i n f o r c e me n t s b a s e d o n t h e t h e o r y o f c o n c r e t e c a r b o n i z a t i o n a n d p r o p o s e s a t i me v a ryi ng mo d e l o f c r o s s s e
5、c t i o n a l a r e a d e g r a d a t i o n o f p r e s t r e s s e d s t e e l s t r a n d c o r r o s i o n By c o mpa r a t i v e r e s e a r c h o n e x i s t i n g t e s t r e s u l t s ,t h e p a p e r p r o p o s e s a t i me v a r y i n g mo d e l o f me c h a n i c a l p r o p e rty d e g r
6、 a d a t i o n o f c o r r o d e d s t e e l s t r a n d e x p r e s s e d b y c o r r o s i o n c ur r e n t d e ns i t y a n d t i me, i nc l u d i n g no mi n a l u l t i ma t e s t r e n g t h,ma x i mum e l o n g a t i o n a n d t i me v a ryi n g mo d e l o f n o mi n a l e l a s t i c mo d u
7、l us ;a n d d e r i v e s a n d e s t a b l i s h e s t i me v a ryi n g mo d e l o f p r e s t r e s s e d l o s s c a u s e d b y s t e e l s t r a n d c o r r o s i o n O n t h i s b a s i s t h e p a p e r a n a l y z e s o n g o i n g c h a n g e s o f b e a m s t r e s s ,b e n d i n g c a pa
8、c i t y a n d r e l i a b i l i t y,e t ea f t e r p r e s t r e s s e d s t e e l s t r a n d c o rro s i o nTh e r e s e a r c h s h o ws t h a t p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e me n t i s a n i mp o rta n t pa r a me t e r f o r p e r f o r ma nc e o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t
9、e b e a m b r i d g e s, a n d i t s s t r e s s l e v e l ,b e n di n g c a p a c i t y a n d r e l i a bi l i t y wi l l d e c r e a s e s h a r p l y a n d ma y e n d a n g e r t h e s a f e t y o f b ridg e s i n a f e w y e a r s o n c e c o rro s i o n h a p p e n s Ke y wo r d s:p r e s t r e
10、 s s e d c o n c r e t e;s t e e l s t r a n d;c o rro s i o n;t i mev a ryi n g mo d e l ;r e l i a b i l i t y 由于预应力混凝土梁桥 的建设时间相对较短 , 故该类桥梁的病害暴露还不是十分充分 , 相关研究 也不足 。但从 已有 的观察和检测情况看 , 在役预应 力混凝土梁桥病害与普通钢筋混凝土梁桥类似 , 其 特殊性主要在于上部结构梁体部分 设置 了预应力 筋 , 而预应力筋也存在腐蚀问题。 氯离子侵入 、 混凝土碳化 、 灌浆不饱满 、 混凝 土 缺陷或裂缝等都是预应力筋腐蚀的
11、诱因。对钢绞线 而言 , 腐蚀介质穿透其钢丝钝化膜引起钝化膜溶解 基金项目: 交通运输部西部交通建设科技项 目( 2 0 1 0 3 1 8 7 4 0 0 0 8 ) 收稿 日期 : 2 0 1 40 71 4 作者简介 : 王鹏 ( 1 9 7 3一) , 男 , 山东省邹平县人 , 博士 , 副研究员 的部位 比钢筋少 , 因此 , 生成的少量蚀核受供水条件 或供氧条件的限制相对较小 , 腐蚀更加充分 , 导致坑 蚀 的出现。S t e w a rt 的研究认为 , 预应力筋在碳 化 作用下的腐蚀形式 为均匀腐蚀。李富 民、 袁迎 曙 研究认为腐蚀的发展伴随着新蚀坑的不断开发和老 蚀坑的
12、不断融合 , 总体可按均匀腐蚀考虑预应力筋 的腐蚀损失。 预应力筋在腐蚀作用下 的失效模式有应力腐蚀 开裂 、 氢断 、 脆断和屈服。Ma e s 的研究认为 , 预应 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 第 1期 王鹏 , 等 : 钢绞线腐蚀时变效应对预应力混凝土梁桥影响研究 6 7 力筋在腐 蚀环 境下 的失效 模式 为 应力腐 蚀 开裂。 D a r m a w a n l 4 的试 验研究发现 , 在氯离子腐蚀 下, 先 张法预应力筋 的失效模式为非延性屈服 , 预应力筋 的屈服强度 随着腐蚀比例增加而降低。P e n g J S t e
13、w a 的研究认为 , 碳化腐蚀下预应力筋 的失效 模式为延性失效 。李 富民、 袁迎 曙 通过试验研究 认为 , 在非氧化性酸溶液 中, 钢绞线容易发生全面的 均匀腐蚀 , 腐蚀速率相对 中、 低碳钢更快 ; 在氧化性 酸及碱溶液中, 钢绞线非常耐蚀 ; 在碳化或受氯盐侵 蚀的混凝土介质 中, 钢绞线容易发生长坑状腐蚀及 缝 隙腐蚀 ; 钢绞线发生应力腐蚀及氢致开裂 型应力 腐蚀的可能性很小 。 本文在已有研究成果基础上 , 分析并提 出腐蚀 预应力筋面积 、 力学性能 的时变模型 , 对预应力筋腐 蚀给预应力混凝土桥梁正 常使用状态 、 抗弯承载力 及可靠度带来的影响进行研究。 1 预应力
14、筋腐蚀的时变模型 1 1 基于混凝土碳化的预应力筋腐蚀开始 时间 混凝土碳化的钢筋腐蚀开始时间主要 由混凝土 碳化深度和混凝土碳化残量 2个参数确定。混凝土 碳化深度与碳化时间的关系如公式( 1 ) 所示 : X= k 4 t ( 1 ) 式 中: 为混凝土碳化深度 ; 为碳化系数 ; t 为碳化 时间。 牛荻涛 J 、 徐善华 提 出如下碳化系数公式 : : k f 一 0 7 6 1 ( 2 ) 、 c “ k 式中 : 为计算模式不定性 随机变量 , 均值为 1 8 , 标准差为 0 2 5 ; Ji 为钢筋位置修正系数, 角部 = 1 4 , 非角部 , =1 0 , 预应力 筋 均按
15、 非角 部考虑 ; k c o 2为C O 浓度影响系数 , k 。 , =1 11 4 ; k 为浇注 面修正系数 , k = 1 2 ; 为工作应力影 响系数 , 受拉 时取 k =1 1 ; k 为与环境温度 、 湿度 相关 的系数 , k : 2 5 6 ( 1一R H) R H; f c 为混凝 土立方体抗压 强度标准值 , MP a ; T为环境温度 , , 可按全年平均 温度考虑 ; R H为环境湿度 , 。 试验和实际工程都发现 , 很多情况下 , 混凝土碳 化深度 尚未到达钢 筋表面 时, 钢筋 已经开始腐蚀。 产生这一现象的原 因是多方面的 , 最主要的原因是 混凝土中部分
16、碳化区的存在 。实际上 , 钢筋在部分 碳化 区很可能就开始腐蚀 了。此外 , 钢 筋的脱钝速 度等因素也会影响钢筋开始腐蚀 的时间。 碳化残量即是混凝土完全碳化深度与钢筋表面 之问的距离。徐 善华 对 国内外 对于碳化模 型的 研究进行了系统总结 , 在其计算中采用 了如下碳化 残量公式 : n = 4 8 6 (一 日 +1 5 R H一 0 4 5 ) ( C 一 5 ) ( 1 n 一 2 3 ) ( 3 ) 式中 : c为混凝土保护层厚度 , m m。 根据混凝土碳化深度 和碳化残量 , 钢筋开始腐 蚀时间可通过下式确定 : t 。 = ( c 。 ) k ( 4 ) 1 2 预应力
17、筋截面积退化时变模型 均匀腐蚀情况下 , 1根腐蚀 的预应力钢丝在 时 刻 t 的半径减少量采用彭建新 提出的模型 : A r ( t )= 0 1 1 6 i ( t t ) ( 5 ) 式中: t 为腐蚀开始时间, 年; i 为腐蚀电流密度, 取中等腐蚀电流密度 0 2 5 A c m ; A r ( t ) 为 t 时刻 钢丝的半径减少量 。 钢绞线腐蚀损失模型如图 1 所示。由图 1可以 看出, 1 股预应力钢绞线 由 6根钢丝 围绕 1根 中心 钢丝缠绕而成。假设所有预应力丝的腐蚀电流密度 相同, 则 由于外围钢丝紧邻包裹 中心丝 , 只有外围暴 露部分发生腐蚀。钢绞线剩余截面面积可
18、近似按图 2计算 , 由此可得该预应力筋在 t 时刻的剩余 面积 , 如公式( 6 ) 所示 。钢绞线腐蚀情况如图 3所示 。 f 71 T r 0 tt A ( t ) = , 、, 。 ( 6 ) 【 4 w r + 3 叮 r r A r ( t ) t t 式中: A ( t ) 为钢绞线在 t 时刻的剩余截面面积 ; r 为 组成钢绞线的钢丝半径。 根据公式 ( 6 ) , 可进一步得到钢绞线 的腐蚀损 失率为 : 图 1 钢绞线腐蚀损失模型示意 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1
19、 5年第 1 期 王鹏 , 等 : 钢绞线腐蚀时变效应对预应 力混凝土梁桥影响研究 6 9 分析 , 得到钢丝 的名义弹性模量与腐蚀损失率 的关 系。曾严红 】 、 罗小 勇 分别通 过试验 给出腐蚀 钢绞线的名义弹性模量与腐蚀率之间的关系公式。 罗小勇公式如下: E 1 =( 1 4 0 4 6 3 3 p 。 ) E ( 1 0 ) 式中: E 为腐蚀钢绞线 的名义弹性模量 ; E p 为未腐 蚀钢绞线的弹性模量 。 郑亚明模型 、 罗小勇模型 、 曾严红模型中名义弹 性模型与腐蚀率的关系 比较的比较如图 6所示 。 本文选用罗小勇模型来估算钢绞线腐蚀后 的弹 性模量公式 , 可得钢绞线腐
20、蚀损失率为 1 0 时腐蚀 后预应力筋弹性模量仅 为原 弹性模 量 的 8 3 。根 据公式( 5 ) 、 ( 7 ) 、 ( 1 0 ) , 可建立预应力钢绞线 的名义 弹性模量时变公式 : :1 - 5 _ 4 5 0 4 1 一 f 1 一 丝 1 也。 L r , ( 1 1 ) 1 3 3 腐蚀钢绞线与混凝土的粘结性能特征 已有试验研究表明, 在 0 0 7 m m锈胀裂缝范 围内, 腐蚀导致钢绞线与混凝土之间的粘结延性有 所降低 , 但 其极 限粘 结强度和粘结 刚度有所 增高。 在腐蚀程度不大 的条件下, 腐蚀会较大幅度地提高 长粘结钢绞线的短期锚固粘结强度, 但随着腐蚀程 度加
21、重 , 提高幅度有所下 降。由于此 时钢绞线 的抗 拉性能成为结构性能退化 的控制 因素 , 因而其粘结 性能可按照无腐蚀钢绞线进行考虑。 1 4预应力筋腐蚀后预应力损失的时变模型 这里单独讨 论预应力 筋腐蚀导致 的预应 力损 失 。假定通车后 3年预应力混凝土桥梁收缩徐变损 失 已完成 , 当预应力筋遭受腐蚀时, 预应力筋的面积 减少 , 此时梁 内将 发生应 力重分布 , 受力达 到新的 平衡。 前述分析表明, 腐蚀钢绞线与混凝 土之问无相 对滑移 , 预应力混凝土梁仍保持平截 面假定。以腐 蚀后预应力混凝 土梁截面为分析对象 , 内力重分布 后 , 设预应力筋应变变化为 , 而同一位置
22、混凝土 应变变化为 , 由于预应力筋和混凝 土的变形协 调 , 可得 A e P =A e ( 1 2 ) 钢绞线腐蚀后所有有效预应力为: : ( 8 + s ) E ( 1 - p ) A ( 1 3 ) 式中: 为腐蚀前预应力筋扣 除所有损失后 的有效 应变 ; A 为预应力筋初始 截面面积 ; : 为预应力筋 腐蚀后的弹性模量。 预应力筋重心处混凝土所受应力为 : = 一 E ( 1 4 ) 式中: 为腐蚀 前预应力 筋重心 处混凝 土所受 应 力 ; E 为混凝土弹性模量。 A ( 1 + ) ( 15 ) 式 中: 为扣除相关预应力损失后的预应力筋有效 预应力; A 。 为梁换算截面
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- 钢绞线 腐蚀 效应 预应力 混凝土 影响 研究
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