腐蝕預(yù)應(yīng)力鋼絞線的疲勞試驗分析

余芳，賈金青，姚大立，吳鋒

（1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024；2.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧沈陽110870；3.大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院，遼寧大連116028）

腐蝕預(yù)應(yīng)力鋼絞線的疲勞試驗分析

余芳1，2，賈金青1，姚大立2，吳鋒3

（1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024；2.沈陽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧沈陽110870；3.大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院，遼寧大連116028）

為了研究鋼絞線腐蝕后的疲勞性能，采用通電加速腐蝕方法制作了包括5根無腐蝕與22根腐蝕預(yù)應(yīng)力鋼絞線試件，并通過軸向拉伸疲勞試驗對預(yù)應(yīng)力鋼絞線腐蝕后的疲勞性能退化規(guī)律進行了研究分析，試驗主要考察了腐蝕率與應(yīng)力水平對鋼絞線疲勞壽命的影響。試驗結(jié)果表明，腐蝕后的鋼絞線疲勞壽命顯著降低，腐蝕鋼絞線的名義應(yīng)力幅與疲勞壽命在雙對數(shù)坐標(biāo)系下仍近似符合線性關(guān)系，同級荷載水平下的鋼絞線疲勞壽命隨腐蝕率的增長按指數(shù)函數(shù)衰減。此外，本文根據(jù)試驗結(jié)果還建立了腐蝕鋼絞線的疲勞曲面方程，并給出了不同保證率下的腐蝕鋼絞線疲勞強度建議值。關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土；鋼絞線；腐蝕；疲勞性能；疲勞壽命；應(yīng)力水平；疲勞強度

預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕作為影響預(yù)應(yīng)力混凝土耐久性的主要因素之一，越來越引起人們重視［1-2］。國內(nèi)外不少學(xué)者已開展了腐蝕預(yù)應(yīng)力筋（特別是預(yù)應(yīng)力鋼絞線）的軸向靜力拉伸試驗［3-6］，研究了腐蝕鋼絞線的極限強度、極限應(yīng)變以及彈性模量等力學(xué)性能衰減規(guī)律、破壞特征及破壞機理。盡管目前腐蝕鋼絞線的靜力性能研究已取得了一些成果，但在腐蝕鋼絞線疲勞性能方面的研究還比較有限。Li［7］對懸索橋用鋼絲和鋼絲束腐蝕后的疲勞壽命進行了試驗研究和模型預(yù)測，結(jié)果表明，鋼絲腐蝕會增大缺陷存在的風(fēng)險，顯著降低鋼絲疲勞壽命，而鋼絲束疲勞的失效概率則取決于每束鋼絲的數(shù)量，但鋼絲束的平均疲勞壽命不受鋼絲數(shù)量影響。然而，由于懸索橋用鋼絲與鋼絲束與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)用鋼絞線從外形和用途存在較大差異，仍需對鋼絞線腐蝕后的疲勞性能進行細(xì)致全面的試驗研究，為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系的耐久性評估和結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測掃除障礙。

為了研究鋼絞線腐蝕后的疲勞性能，本文采用通電加速腐蝕法得到包括對比試件在內(nèi)的27根腐蝕預(yù)應(yīng)力鋼絞線試件，通過單軸拉伸疲勞試驗，分析了鋼絞線腐蝕后疲勞性能的退化規(guī)律，建立了腐蝕鋼絞線的疲勞壽命方程，并給出了不同保證率下的腐蝕鋼絞線的疲勞強度建議值，為腐蝕預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁剩余壽命的評估提供合理依據(jù)。

1 單軸拉伸疲勞試驗

1.1 試驗概況

鋼絞線的腐蝕是通過外加直流電加速銹蝕獲得的，除腐蝕試件外，須預(yù)留一部分無腐蝕鋼絞線用作對比件。根據(jù)鋼絞線疲勞試驗的要求，選取每根鋼絞線的長度統(tǒng)一為900 mm?？紤]到鋼絞線端部的夾持問題和鋼絞線的捻距長度，將鋼絞線中間部位300 mm長的距離作為鋼絞線的腐蝕長度。為了模擬鋼絞線在混凝土中的腐蝕情況，設(shè)計尺寸為300 mm×100 mm×150 mm的混凝土試模在鋼絞線中心位置澆注，混凝土兩端側(cè)模上預(yù)留孔洞以便鋼絞線穿出。由于應(yīng)力對鋼絞線的腐蝕影響不大［5，8］，為試驗方便，使鋼絞線在無應(yīng)力狀態(tài)下進行加速腐蝕，混凝土試模兩側(cè)不施加預(yù)應(yīng)力。圖1為拆模后的鋼絞線腐蝕試件。

圖1 腐蝕鋼絞線試件Fig.1 Corroded strand specimens

混凝土的設(shè)計強度等級為C30，大連小野田水泥廠生產(chǎn)的P.O.32.5R普通硅酸鹽水泥，粗骨料為粒徑不大于10 mm的碎石；細(xì)骨料為天然河砂（中砂）；細(xì)骨料為河砂，配合比為水泥：水：砂：石＝345： 624：1159：214（kg），混凝土養(yǎng)護28天后拆模，準(zhǔn)備加速腐蝕試驗。鋼絞線外包的混凝土將整根鋼絞線等分為3段，兩端裸露。為了防止裸露部分的鋼絞線在外加電流的作用下與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)而發(fā)生腐蝕，必須事先對裸露部分的鋼絞線進行密封處理。在密封處理之前，為了方便對鋼絞線施加電流，須在每根鋼絞線的任一段裸露鋼絞線的中間引出一根200 mm的導(dǎo)線用來連接鋼絞線與電源正極，導(dǎo)線與鋼絞線接觸面處應(yīng)事先用砂紙磨光，以保證導(dǎo)線與鋼絞線的良好接觸。用環(huán)氧樹脂對混凝土以外的鋼絞線進行密封（包括引出導(dǎo)線的部位），待環(huán)氧樹脂硬化后將制備好的鋼絞線試件放入腐蝕池中進行腐蝕。

1.2 鋼絞線腐蝕率的測定

鋼絞線按設(shè)計腐蝕率0、5%、10%、15%和20%分為5組試件，根據(jù)法拉第公式確定通電腐蝕時間［9］。待腐蝕結(jié)束后，將試件破碎取出鋼絞線，清除表面的浮銹和混凝土碎塊后進行疲勞試驗。待試驗結(jié)束后收集試件，在同一鋼絞線上截取同等長度的腐蝕段（避開鋼絞線在混凝土側(cè)端與空氣交界處的腐蝕嚴(yán)重部位）和無腐蝕段（避開夾持部位）作為一組記下編號，先用電子秤（精度為0.1 g）稱下各組無腐蝕與腐蝕鋼絞線的初始質(zhì)量m1、m2，然后按照規(guī)范GB／T 50082-2009［10］的要求，用12%的鹽酸溶液對同組鋼絞線進行酸洗，直到腐蝕鋼絞線表面的銹蝕產(chǎn)物完全清除。將鋼絞線撈出，依次用清水漂洗、石灰水中和，再以清水沖洗干凈。放入干燥箱中存放4 h后取出，用電子秤（精度為0.1 g）分別稱取每組鋼絞線的酸洗后的質(zhì)量，無腐蝕與腐蝕鋼絞線的實際質(zhì)量分別記作m3、m4，則鋼絞線的實際質(zhì)量腐蝕率為

1.3 軸向拉伸疲勞試驗

在大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗室的MTS 810材料試驗機上進行，如圖2。

圖2 鋼絞線疲勞試驗裝置Fig.2 Setup for fatigue test of prestressing strands

采用載荷控制，按正弦波加載，加載頻率為10 Hz。為了解決鋼絞線在疲勞試驗中的夾持問題，在鋼絞線兩端采用特制的雙層疊加夾具［11］進行錨固，結(jié)果表明，除1個試件外（未參與統(tǒng)計），其他所有試件斷裂部位均在夾持端部之外。

國內(nèi)外諸多研究成果表明［12］，影響無腐蝕鋼絞線疲勞壽命的主要因素是疲勞應(yīng)力幅的大小，鋼絞線的疲勞試驗一般不考慮平均應(yīng)力的影響。因此，本試驗參照文獻［12］取疲勞應(yīng)力下限為950 MPa，疲勞荷載幅范圍為160～330 MPa，共分5種應(yīng)力幅進行等幅疲勞試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

圖3為腐蝕鋼絞線疲勞破壞后的部分照片。從圖中可以看出，腐蝕鋼絞線的疲勞斷裂一般在表面受到腐蝕的外圍鋼絲中的某一根上發(fā)生，少數(shù)腐蝕嚴(yán)重的鋼絞線會發(fā)生兩根或多根鋼絲同時斷裂的情況。鋼絞線的斷口位置受腐蝕率的影響，與坑蝕深度有關(guān)。當(dāng)腐蝕率η較小（η≤5%）時，由于鋼絞線的坑蝕現(xiàn)象不顯著，觀察到的斷口位置比較隨機，當(dāng)腐蝕率η較大（η＞5%）時，鋼絞線的斷裂均在坑蝕最嚴(yán)重的部位發(fā)生。觀察斷面截面，可以看出，斷口處整齊無緊縮，顯示出明顯的脆性破壞。

圖3 腐蝕鋼絞線的疲勞破壞形態(tài)Fig.3 Fracture mode of corroded strands in fatigue test

2.2 疲勞試驗結(jié)果

鋼絞線的腐蝕受到諸多因素的影響，實際上是一個不均勻腐蝕的過程，這里考慮鋼絞線均勻腐蝕截面損失對疲勞壽命產(chǎn)生的影響，見表1。表中的名義應(yīng)力幅代表鋼絞線按均勻腐蝕后的剩余面積計算的，拉力為名義應(yīng)力與平均腐蝕截面面積的乘積。

表1 腐蝕鋼絞線試件疲勞試驗參數(shù)及試驗結(jié)果Table 1 Experimental parameters and results of corroded strand specimens in fatigue tests

2.3 疲勞方程與壽命預(yù)測

大量的疲勞試驗證明，金屬材料在等幅荷載下的疲勞應(yīng)力幅S與其疲勞壽命N在雙對數(shù)坐標(biāo)上符合線性規(guī)律［13］，其關(guān)系可表示為

式中：C與m為等幅疲勞試驗確定的常數(shù)。對于無腐蝕鋼絞線，式（2）也成立。

為了研究腐蝕鋼絞線的疲勞壽命規(guī)律，將疲勞名義應(yīng)力幅Δσ代替S（Δσ指疲勞荷載幅值與考慮均勻腐蝕后的鋼絞線剩余截面面積之比），作lgN－lgΔσ曲線，如圖4。由圖可以看出，同組鋼絞線的疲勞壽命對數(shù)lgN隨名義應(yīng)力幅對數(shù)lgΔσ的增加而按比例減小，且腐蝕率η越大，曲線斜率越大，疲勞壽命的下降速度越快。圖5表示了鋼絞線腐蝕率η對lgN的影響。由圖可以看出，當(dāng)名義應(yīng)力幅Δσ恒定時，腐蝕鋼絞線的疲勞壽命N隨腐蝕率η的增加按指數(shù)規(guī)律衰減。

圖4 腐蝕鋼絞線應(yīng)力幅與疲勞壽命的關(guān)系曲線Fig.4 S-N curves of strands with different corrosion rates

圖5 腐蝕鋼絞線的腐蝕率與疲勞壽命的關(guān)系曲線Fig.5 η-N curves of strands with different corrosion rates

例如，當(dāng)Δσ＝190 MPa時，腐蝕率從5%增加到20%時，腐蝕鋼絞線與無腐蝕鋼絞線相比，其疲勞壽命分別降低了47.8%、85.9%、95.7%、98.8%。因此，在恒定荷載作用下，考慮均勻腐蝕的鋼絞線在腐蝕率為5%左右時，受鋼絞線疲勞斷裂控制的腐蝕預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)歷設(shè)計目標(biāo)年限的50%或更短便需要替換或加固。文獻［14］根據(jù)對自然腐蝕鋼筋疲勞拉伸試驗的結(jié)果分析指出，普通鋼筋的名義應(yīng)力幅為180 MPa，腐蝕率為15%左右時，腐蝕鋼筋的疲勞壽命幾乎為無腐蝕鋼筋疲勞壽命的50%。因此對比以上腐蝕鋼筋與鋼絞線的試驗結(jié)果可以看出，腐蝕引起鋼絞線疲勞壽命的減小比鋼筋疲勞壽命的減小更加顯著，說明鋼絞線的疲勞性能退化對腐蝕更加敏感。在實際工程中，自然腐蝕對既有受損橋梁疲勞壽命的影響程度比人工電流加速腐蝕的疲勞預(yù)測結(jié)果更為嚴(yán)重，對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)果的耐久性評價需更加謹(jǐn)慎保守。

腐蝕鋼絞線的疲勞性能總是受到諸多因素的影響，例如，沿長度方向上腐蝕的不均勻性、腐蝕引起的應(yīng)力集中和截面腐蝕的不對稱性等都可能導(dǎo)致鋼絞線的疲勞壽命發(fā)生變化。為比較疲勞與靜載對腐蝕敏感性的差異，以上對鋼絞線的疲勞壽命的分析，為了方便起見，都是以理想均勻腐蝕為條件，這樣可能會過高估計腐蝕鋼絞線的疲勞壽命，引入當(dāng)量截面積的概念，將在實際工程中或試驗中難以合理區(qū)分影響腐蝕鋼絞線的眾多因素引起的力學(xué)性能退化，簡單地看作是腐蝕鋼絞線平均截面損失的結(jié)果。定義當(dāng)量截面積為腐蝕鋼絞線的極限荷載與未銹蝕鋼絞線的極限強度的比值：

用當(dāng)量極限截面積計算的應(yīng)力幅稱之為當(dāng)量應(yīng)力幅，采用Δσeq表示。圖6給出了腐蝕鋼絞線的lgN-lgΔσeq曲線。由當(dāng)量應(yīng)力幅的定義可知，lgN-lgΔσeq曲線實際上是lgN-lgΔσ在雙對數(shù)坐標(biāo)系中向無腐蝕鋼絞線疲勞壽命曲線方向平移的結(jié)果。由圖可以看出，腐蝕鋼絞線的當(dāng)量應(yīng)力幅-疲勞壽命曲線仍在無腐蝕鋼絞線的疲勞壽命曲線的下方，這表明即使考慮了腐蝕的初始缺陷對應(yīng)力幅增大影響，鋼絞線的疲勞壽命仍明顯小于無腐蝕鋼絞線的疲勞壽命，這一結(jié)果說明腐蝕產(chǎn)生的初始缺陷僅是鋼絞線疲勞壽命減小的原因之一，而腐蝕缺陷與疲勞作用的耦合發(fā)展才是導(dǎo)致疲勞壽命下降的主要原因，因此腐蝕對鋼絞線疲勞性能的影響遠(yuǎn)比鋼絞線的靜力性能的影響大。

由于鋼絞線表面環(huán)境或電流損失等原因，同組腐蝕率下的鋼絞線的平均腐蝕率之間各不相同，為了便于分析，可假定鋼絞線的腐蝕率與式（2）中的C、m線性相關(guān)。則可根據(jù)表1的試驗結(jié)果得到鋼絞線關(guān)于腐蝕率的二元線性回歸方程，其表達式如下：

式中：η為鋼絞線的平均截面腐蝕率（由于本文不考慮鋼絞線的非均勻腐蝕，所以鋼絞線的平均截面腐蝕率等同于質(zhì)量腐蝕率）；θ為疲勞次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，經(jīng)試驗結(jié)果統(tǒng)計分析可得θ＝0.051 25e7.4948η；K為保證率影響系數(shù)，若假設(shè)鋼絞線的疲勞壽命的對數(shù)值服從正態(tài)分布，則保證率為50%（均值）、95%和97.5%對應(yīng)的K值分別為0、1.65和2。

根據(jù)鋼絞線關(guān)于腐蝕率的疲勞方程可以對腐蝕鋼絞線的疲勞壽命進行預(yù)測。表2給出了腐蝕鋼絞線的實測壽命Nm、預(yù)測壽命Np與預(yù)測誤差ER。

圖6 腐蝕鋼絞線的當(dāng)量應(yīng)力幅與疲勞壽命關(guān)系曲線Fig.6 Seq-N curves of strands with different corrosion rates

表2 腐蝕鋼絞線疲勞壽命的預(yù)測值Table 2 Predictive fatigue life for corroded strands

由表2可以看出，當(dāng)η＜10%時，預(yù)測誤差的絕對值在0.64%～46.83%，這在工程應(yīng)用上是可以接受的；當(dāng)η＞10%時，多數(shù)試件的預(yù)測誤差超過40%，最高達到了76.08%，說明預(yù)測壽命與實際壽命之間存在較大偏差，此時的預(yù)測結(jié)果須慎重使用。工程中應(yīng)特別注意這類較高腐蝕率的鋼絞線的疲勞斷裂，避免鋼絞線直接暴露在腐蝕環(huán)境中。

對于式（4）取不同的保證率可得到相應(yīng)的腐蝕鋼絞線的疲勞強度建議值，目前國內(nèi)外對K值的取法不盡相同，例如，美國AREA采用95%的保證率取K＝1.645，英國標(biāo)準(zhǔn)BS-5400、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會（ECCS）取K＝2，我國規(guī)范采用97.7%的保證率對應(yīng)的K＝2。本文給出了不同保證率下的腐蝕鋼絞線的疲勞強度建議值，見表3。

表3 腐蝕鋼絞線疲勞強度建議值Table 3 Predictive fatigue life for corroded strands

3 結(jié)論

1）鋼絞線的斷口位置受腐蝕率的影響，與坑蝕深度有關(guān)，腐蝕鋼絞線的名義應(yīng)力幅與疲勞壽命在雙對數(shù)坐標(biāo)系下仍近似符合線性關(guān)系，同級荷載水平下的鋼絞線疲勞壽命隨腐蝕率的增長按指數(shù)函數(shù)衰減；

2）腐蝕缺陷與疲勞荷載之間的耦合作用是導(dǎo)致疲勞壽命迅速下降的主要原因，腐蝕對鋼絞線疲勞性能的影響遠(yuǎn)比對鋼絞線的靜力性能影響大；

3）通過對不同腐蝕程度的鋼絞線S-N曲線統(tǒng)一回歸，建立了以腐蝕率為參量的腐蝕鋼絞線疲勞曲面方程。

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Experimental analysis of fatigue properties of corroded prestressing strands

YU Fang1，2，JIA Jinqing2，YAO Dali2，WU Feng3
（1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.School of Architecture and Civil Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China；3.School of Civil and Safety Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

In order to study the fatigue properties of corroded prestressing strands，five uncorroded and twenty－two corroded strand specimens were prepared by accelerated corrosion method and then tested under constant amplitude axial tensile fatigue loading.The law of fatigue property degeneration of corroded strands was studied.The effects of corrosion rate and stress level on fatigue life of corroded strands were considered.Test results showed that the fatigue life of prestressing strands is reduced obviously due to corrosion.The nominal stress magnitude and the fatigue life of the corroded strand showed a nearly logarithmic linear relationship.When in the same stress level，the fatigue life of the corroded strand decays according to the exponential law approximately with corrosion rate increasing.In addition，the fatigue surface equation of the corroded strand was built according to the experimental results and the recommended values of fatigue strength under different guarantee ratios were proposed.

prestressed concrete；prestressing strand；corrosion；fatigue property；fatigue life；stress level；fatigue strength

10.3969／j.issn.1006-7043.201308054

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006－7043.201308054.html

TU378.8

A

1006-7043（2014）12-1487-05

2013-08-27.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-12-02.

國家自然科學(xué)基金資助項目（51078059，11102118）.

余芳（1981-），女，講師，博士；賈金青（1962-），男，教授，博士生導(dǎo)師.

余芳，E-mail：xn_yufang＠163.com.