预应力混凝土结构耐久性研究综述.pdf
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1、第 3 2卷第 2期 2 0 1 5年 3月 建筑科 学与 J o u r n a 1 0 f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d Ci v i l En g i n e e r i n g VoI 3 2 M a r NO 2 2 O 1 5 文章编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 0 1 2 0 预应 力混凝土结构 耐久性研究综述 李富民 , 邓天 慈, 王江浩 , 罗小雅 ( 中国矿业大学 江苏省土木工程环境灾变 与结构可靠性 重点实验室 , 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ) 摘 要 : 针 对预 应力
2、 混凝 土 结构 耐久性 的现 实问题 和 未来 矛盾 日益 突 出的趋 势 , 对预 应 力混凝 土 结构 耐 久性 的研 究进展 进行 了 系统梳 理 和 总结 。提 出了预 应 力混 凝 土 结构 耐 久性 的研 究体 系, 包括 研 究背景、 对象、 思路 、 目标、 科学问题 、 技术问题 、 内容、 技 术路线等; 对预应力混凝土结构耐久性 问题 的研究现状分 5个方面进行了综述 , 包括混凝土损伤有关耐久性问题、 预应力钢筋腐蚀有关耐久性 问题 、 锚 固连接 体 系腐 蚀有 关耐久性 问题 、 耐久性 测试 和提 升及 试 验技 术 、 耐久性 数值 模拟技 术 ; 提 出了
3、7个有 关预 应 力混凝 土 结构 耐久性 研 究 尚需进 一步 解 决的 问题 , 即环 境作 用定 量模 型 、 腐 蚀介 质传 输行 为 、 腐蚀 疲 劳损伤 演化 模 型 、 锚 固连 接体 系腐蚀行 为 、 岩 土预应 力 结构 的腐蚀 行 为 、 耐 久性 提 升技 术 、 耐久性 数值 模拟 技 术 。所做研 究可 为进 一步 拓展 和 完善 预 应 力混 凝 土 结 构耐 久 性研 究 提 供 参 考 。 关键 词 : 预应 力 混凝 土结 构 ; 耐久性 ; 综述 ; 研 究体 系; 腐蚀 ; 损 伤 演化 中 图分 类号 : T U3 7 8 文献标 志码 : A Re v
4、 i e w o f Re s e a r c h o n Du r a b i l i t y o f Pr e s t r e s s e d Co nc r e t e St r u c t u r e s L I F u mi n ,DENG Ti a n c i ,W ANG J i a n g h a o ,LUO Xi a o - y a ( J i a n g s u Ke y La b o r a t o r y o f E n v i r o n me n t a l I mp a c t a n d S t r u c t u r a l S a f e t y i n
5、En g i n e e r i n g, C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y,Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ,J i a n g s u,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Ai m e d a t t he e x i s t i ng p r ob l e ms a n d f u t ur e r e qui r e m e nt s on t he d ur a b i l i t y of pr e s t r e s s e d c o nc r
6、 e t e ( PC)s t r uc t u r e s,t h e r e s e a r c h p r o c e e di ng o n du r a bi l i t y o f PC s t r u c t u r e s wa s s umm a r i z e d s ys t e ma t i c a l l y a nd a na l y z e d Th e r e s e a r c h s y s t e m o f t he dur a b i l i t y of PC s t r u c t ur e s wa s pu t f o r wa r d,wh
7、e r e t h e r e s e a r c h b a c k g r o u n d,o b j e c t s ,c l u e ,a i m,s c i e n t i f i c i s s u e s ,t e c h n o l o g i c a l i s s u e s。c o nt e nt s a nd t e c hn i c a l 1 i ne s we r e c on c e r ne d i n Th e s t a t e o f t he a r t o f t he r e s e a r c h wa s r e v i e w e d a s
8、 f i v e pa r t s : t he i s s u e s o f du r a bi l i t y a bo ut t he d a ma ge o f c o nc r e t e, t he i s s u e s o f d ur a bi l i t y a b ou t t h e c or r o s i o n of s t e e l ba r s , t he i s s ue s o f du r a bi l i t y a b o ut t he c o r r o s i on o f a n c h o r a g e a n d j o i n
9、t s y s t e m,t h e t e c h n o l o g y o f t e s t i n g ,r a i s i n g a n d e x p e r i me n t o f d u r a b i l i t y ,a n d t h e t e c hn ol og y o f n ume r i c a l s i m ul a t i on o f du r a bi l i t y Se ve n i s s u e s a b ou t t h e du r a bi l i t y o f PC s t r u c t ur e s, wh i c h
10、 ne e d e d m o r e r e s e a r c h wo r k, we r e s ug ge s t e d The i s s ue s i nc l ud e d t h e q ua nt i t a t i v e m o de l s o f e nv i r o nme n t a l a c t i on,t h e t r a ns po r t i n g be ha v i o r o f c o r r o s i ve me di u m s,t he e v o l v i n g mo d e l s o f c o r r o s i o
11、n f a t i g u e d a ma g e ,t h e c o r r o s i o n b e h a v i o r o f a n c h o r a g e a n d j o i n t s ys t e m ,t h e c o r r os i o n be ha v i o r o f ge o t e c hn i c a l PC s t r u c t u r e s,t he t e c hno l o gy o f r a i s i ng dur a bi l i t y a n d t h e t e c h n o l o g y o f n u
12、me r i c a l s i mu l a t i o n o f d u r a b i l i t y Th e s t u d y c a n p r o v i d e r e f e r e n c e s f o r f u r t h e r e x p a n d i n g a n d i mp r o v i n g t h e r e s e a r c h wo r k o n d u r a b i l i t y o f P C s t r u c t u r e s 收稿 日期 : 2 0 1 4 1 1 - I 2 基金 项 目: 国家 自然科 学基金项 目
13、( 5 1 1 7 8 4 5 4 ) ; 徐州市科 技基 金项 目( XM1 3 B1 2 5 ) 作者简介 : 李富民( 1 9 7 2 一 ) , 男 , 甘肃静 宁人 , 教授 , 博 士研究 生导师 , 工 学博 士, E ma i l : l f mf m 1 6 3 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 建筑科学与工程学报 2 0 1 5 鱼 Ke y wo r ds :pr e s t r e s s e d c o nc r e t e s t r uc t ur e;d ur a bi l i t y;r e v i e w ;
14、r e s e a r c h s ys t e m ;c o r r os i o n;d a m a g e e v ol u t i o n I J 引 昌 由于预 应力混 凝 土结构 采用 较高 强度等 级 的混 凝土以及力筋拥有 多道保护层 体系, 因此 曾被认为 具有优 良的耐久性能 , 然而现实情况并非如此乐观。 在侵蚀环境( 尤其氯盐环境) 下 , 对于先张法体系 、 抽 芯成孔或金属波纹 管成孔的后 张法体系中, 良好的 保 护层 体 系对力筋 的腐 蚀 只能起 到延缓 作用 而并 不 能起到阻止作用 , 腐蚀介质穿过保护层体系( 包括腐 蚀透金属 波纹 管) 到达力 筋表
15、面只是一 个时 间问 题 n , 而这 种 延缓 作 用 其 实远 不 能完 成 许 多预 应 力 工程所承载的“ 百年大计” 之使命 ; 更为甚者 , 后张预 应力混凝土结构还存在着灌浆 质量无法保 证( 包括 先进的真空辅助灌浆工艺 e - a ) 这一关键问题 , 这使 得 即使在塑料波纹管体系中也有可能会发生力筋的 腐 蚀 问题 _ 4 。另一 方 面 , 预 应 力 混凝 土结 构 中混 凝 土 的应 力水 平往往 较 高 , 因而对 碱一 骨料 反 应 以及 冻 融循环 作用 的破坏 更 为敏感 。 近年来 , 各国已有不少学者对预应力混凝土结 构 耐久 性 问题展 开 了研 究
16、, 并 取 得 了阶段 性 研 究 成 果 , 本文将尽可能详尽地对这些成果进行梳理和总 结 , 以期 为 进一 步拓 展 和 完善 预 应 力 混凝 土结 构 耐 久性研究工作提供参考。 预应力混凝土结构耐久性问题属于结构工程科 学中的一个分支问题 , 它必然有其来龙去脉 和纵横 关联 , 为此 , 本文 首先 提 出预应力 混凝 土结 构耐 久性 的研究体系, 以期采用这个体系作为参照 , 在综述既 有各项 研究 成果 时 能够 明确其来 自何 源 , 去 向何 处 , 能够 明确 其纵横 关 联 关 系 , 并从 中提 炼 出进 一步 需 要解决 的问题及 其研 究思路 。 1 预应力混
17、凝土结构耐久性研 究体 系 1 1 研 究 背景 1 1 1 既有 预应 力 混凝 土 结 构 已存 在 较 为 严 重 的 耐 久 性 问题 自从 二战之 后 预应力 混凝 土结 构大 量使用 以来 至今 将近 7 O年 的 时间 内 , 世界 范 围内 已出现大 量预 应力混凝土结构耐久性失效 的事故 , 其 中预应力钢 筋 腐 蚀 引 起 的 破 坏 占 绝 大 多 数 。S c h u p a c k _ 5 于 1 9 7 8年提出的一份关于后张力筋( 结构) 耐久性能 的调查 报告 表明 : 在 1 9 5 O 1 9 7 7 年 的 2 8年期 间 , 世 界范围内共发生 2 8
18、起著名的因后张力筋腐蚀导致 整体结构破坏的工程实例。1 9 8 2年 S c h u p a c k等 的另一份 关于美 国预应力 体 系腐 蚀脆 断 的调查 报告 表 明 : 在 1 9 7 8 1 9 8 2年 的 5年 间 , 仅 美 国就 有 5 O幢 结构物出现了不 同程度的力筋腐蚀现象 , 其 中 1 0起 严重的脆性破坏是 由于应力腐蚀或氢脆引起的。 国 际预应力 协 会 ( F I P ) 7 , 根 据 文 献 及 政 府 机 构 的报道 统计得 到 , 在 1 9 5 1 1 9 7 9 年 的 2 9年期 间 , 世界 范 围 内至少 发 生 2 4 2起预 应力筋 腐蚀
19、 损坏 的事 故 , 这些事故遍布各种类型及各种工艺的结构物; 引 起腐蚀损坏的原 因也各种各样 , 有来 自内在 的因素 , 如力筋或锚具的防腐保护不当, 张拉或锚固不当, 采 用了对腐蚀敏感的预应力筋 等, 也有来 自外在的因 素 , 如处于潮湿环境 , 受环境或侵蚀性 内盛物侵蚀 的 影响等。 作 为地下 预应 力 结构 的预 应 力锚 索 ( 杆 ) , 其 工 作环境中往往存在着大量 以水为载 体的腐蚀性介 质 , 再加上该类结构 自身特有的复杂构造特点 , 保护 浆体受拉开裂 , 高难度施工控制以及施工和维护的 高隐蔽性等特点 , 使得 锚体腐蚀 问题 十分突 出l_ 8 。 截至
20、 1 9 8 6年 , F I P的地锚 工作小组就 已收集 到 3 5 起 因腐蚀 造成 锚索 ( 杆 ) 断裂 的著名 事故 。 1 1 2 预 应力 混凝 土 结 构服 役 于恶 劣环 境 的 情 况 日趋普遍 随 着人 类 活 动 空 间的不 断 拓 展 , 需要 在 恶 劣环 境 中服役的工程结构 日益增多 。近年来, 各 国正在 和即将 大量兴 建 的跨海 大桥 、 海底 隧道 、 海港码 头 以 及 沿海 地 区 、 除 冰 盐 地 区 、 盐 碱 地 区 兴 建 的高 速 铁 路 、 高速公路 、 桥梁、 工业建筑等重大工程都广泛采 用预应力混凝土结构 , 这些结构所处 的环境
21、不仅侵 蚀 作用 强度 高 , 而 且 往往 还 存 在 多 种侵 蚀 作 用耦 合 并存的现象 1 。严酷的侵蚀环境使得 这些结构不 可避免 地存 在耐久 性 问题 。 1 1 3 预应力混凝 土结构高耐久性的需求在不断 增 多 预应力 混凝 土结 构具 有优越 的 承载能力 和使用 性能 , 因而往往被用来建造大 ( 大跨、 大型) 、 高 ( 高 层、 高耸) 、 重( 重载) 、 特 ( 特种) 等重要工程 , 这些工 程投 资大 , 使用要 求 高 , 社 会 影 响 广泛 , 因 而往 往 需 要具有更高的耐久性水平 , 如杭州湾跨海 大桥和胶 州湾跨海大桥的设计使用寿命均为 1
22、0 0年 , 而港珠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 李富民, 等 : 预应力混凝土结构耐久性研 究综述 3 澳跨海大桥的设计使用寿命更是高达 1 2 0年 。需要 强调的是 , 上述高耐久性要求不仅仅体现在传统的 长期承载力要求方 面, 也体现 在长期 刚度甚至平顺 性等使用性能要求方面L 1 。 人类社会绿色、 可持续发展 已成为趋势 , 这要求 工 程结 构 的耐 久性 水 平 不 断 提 高 , 从 而 减 少 资 源 消 耗 和 环境 破 坏 , 预 应 力 混 凝 土 结 构 不 能 成 为例 外 。 从这个意义上讲 , 不仅需要 纠正中国
23、长期 以来盛行 的速建 速 拆模 式 , 而 且 应该 重新 考量 中 国工 程 结 构 的 目标设计使用年限; 当前大部分结构 5 0年的设计 使用年限低于国外发达国家的水准较多 , 因此 , 提高 这一水准很有必要。 综 上所述 , 预应力混凝土结构 的耐久性 问题不 仅 是存 在 的 , 而且 是严 峻 的 ; 开 展预 应力 混凝 土结 构 耐久 性研 究 , 对确 保 重 大 土 木 工 程结 构 全 寿 命 使 用 安全 , 推 动混 凝土 结构 理论 与 技术应 用 , 实 现经 济社 会绿色、 可持续发展具有重要意义 。 1 2研 究 对象 预应 力 混凝 土结 构可 用 于各
24、种 工业 与 民用 建筑 中。考 虑耐 久性 问 题存 在 的可 能性 , 预应 力 混 凝 土 结构 耐久 性研 究 所涉 及 的对象 可 以总结 为 如下 5个 方 面 : ( 1 ) 地 面常规 预应 力 混 凝 土 结 构 , 如 房 屋 结 构 、 路桥 结 构 、 市 政工 程结 构 等 。 ( 2 ) 地 面特种 预应 力 混 凝 土 结 构 , 如 盛 储 结 构 、 高耸结构、 核 电安全壳结构等 。 ( 3 ) 水工 预应 力 混 凝 土 结 构 , 如 河 港 码 头 、 排 污 管道 、 排 沙管 道 、 堤坝 结构 等 。 ( 4 ) 海工 预应 力 混 凝 土 结
25、构 , 如 海 港 码 头 、 海 上 钻井 平 台等 。 ( 5 ) 岩 土 预 应 力 混 凝 土 结 构 , 如 预 应 力 锚 索 ( 杆) 、 预应力混凝土管桩等。 1 3研 究 思路 前 已述及 预 应力 混凝 土结 构耐 久性 问题 是结 构 工程 科学 中的一 个分 支 问题 , 因此 , 研究 预应 力混 凝 土结构的耐久性问题, 务必将 其纳入 到整个结构工 程科学体系中去 , 只有这样 , 才能使每一项具体的研 究 工 作 目标 明确 , 定位 准确 , 抽 象合 理 。 事实 上 , 耐久 性 问题是 由环境作 用 引起 的 , 但 又 必须 考虑 力学 作 用 的影
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