淺談腐蝕環(huán)境預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞可靠性

商艷++許波

摘 要：當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土梁處于腐蝕環(huán)境下時，其結(jié)構(gòu)疲勞性能的降低要比靜態(tài)性能的降低明顯。本文在試驗的基礎(chǔ)上研究了腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞可靠度的影響因素，分析了腐蝕環(huán)境對混凝土和預(yù)應(yīng)力筋及普通鋼筋的影響，根據(jù)材料極限應(yīng)力模式提出了材料的極限狀態(tài)方程并運用累積損傷理論和一次二階矩法求解其疲勞可靠度指標(biāo)；分析表明，預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕率以及疲勞荷載的應(yīng)力比對預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞可靠度影響很大。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土梁；腐蝕；疲勞；可靠度指標(biāo)

中圖分類號：TU378.2 文獻標(biāo)識碼：A

Study on fatigue reliability of the structure of prestressed concrete beam in corrosive environment

Shang Yan， Xu Bo

（ Ordos college of Inner Mongolia Universities，Department of Civil Engineering，Inner Mongolia，Ordos，017000，China ）

Abstract： Compared with static characteristics， the decrease for Fatigue Resistance of structure is more clearly in corrosive environment for the prestressed concrete beam. Based on the experiment， this paper studies the problem of fatigue reliability of the structure of prestressed concrete beam in corrosive environment， analyses the influence of the corroding environment on the concrete and prestressed reinforcing steel and common steel， brings up a material limit state equation according to the material limit stress model and solves the fatigue reliability index with accumulate damage theory method and LOSM method. The analysis showed that the corrosion rate of prestressed steel and the stress ratio of fatigue loading have great effect on fatigue reliability.

Key word： prestressed concrete beam corrosion fatigue reliability index

0.引言

在工程結(jié)構(gòu)中很多普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，如鐵路橋梁、鐵路軌枕、公路橋梁、工業(yè)廠房的吊車梁、海洋采油平臺等，在承受自重恒載的同時，還承受車輛荷載、吊車荷載、波浪力等反復(fù)荷載的作用。在反復(fù)荷載的作用下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞特征與在靜態(tài)荷載作用下有著本質(zhì)的區(qū)別。靜態(tài)荷載作用時，結(jié)構(gòu)的承載力主要決定于材料的極限強度，而對于承受反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)，荷載將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高周疲勞，破壞是結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部由于疲勞損傷不斷累積的結(jié)果，工程上稱之為疲勞破壞。試驗表明疲勞破壞都呈現(xiàn)脆性性質(zhì)，因此對于結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能以及抗疲勞設(shè)計在工程中應(yīng)當(dāng)予以重視。

目前的結(jié)構(gòu)是按極限狀態(tài)設(shè)計法進行靜態(tài)設(shè)計的同時，驗算其在反復(fù)荷載作用下的抗疲勞能力。由于結(jié)構(gòu)材料性能固有的離散性以及荷載的隨機性，一定反復(fù)荷載作用次數(shù)下，結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生疲勞破壞，是一個不確定事件，結(jié)構(gòu)的疲勞性能需用概率方法描述，相應(yīng)的可靠度為疲勞可靠度[1]。對于疲勞可靠度，國內(nèi)外已經(jīng)有較多的研究，文獻[2]總結(jié)了近代國內(nèi)外的研究成果。在腐蝕環(huán)境下的疲勞破壞叫做腐蝕疲勞，研究表明當(dāng)同時存在腐蝕環(huán)境和反復(fù)荷載作用的時候，構(gòu)件疲勞損傷的發(fā)展速度要快得多[3]，鑒于腐蝕疲勞對于結(jié)構(gòu)耐久性的重要影響以及目前對于腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞性能的研究較少，本文在試驗的基礎(chǔ)上分析影響預(yù)應(yīng)力混凝土梁腐蝕疲勞可靠性的因素，并給出預(yù)應(yīng)力混凝土梁腐蝕疲勞可靠度指標(biāo)的計算方法。

1.腐蝕環(huán)境對預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞可靠性的影響

這里所指的腐蝕環(huán)境是指存在腐蝕介質(zhì)使預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土材料發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境。腐蝕介質(zhì)會造成鋼筋銹蝕，混凝土碳化等問題。預(yù)應(yīng)力鋼絞線以及普通鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響較對靜態(tài)性能的影響嚴(yán)重得多，比如沿海環(huán)境，海岸與近海工程的結(jié)構(gòu)物大多不能達到預(yù)計的設(shè)計使用壽命。這是因為由于腐蝕環(huán)境所造成的銹蝕不僅削弱了預(yù)應(yīng)力鋼絞線和普通鋼筋的有效截面，更嚴(yán)重的是鋼筋銹坑的不均勻性將導(dǎo)致鋼絞線和鋼筋應(yīng)力集中，對應(yīng)的疲勞荷載作用下會加速腐蝕介質(zhì)的滲透過程，這些都會加劇預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的損傷，從而使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞可靠性降低。

1.1 腐蝕環(huán)境下混凝土的疲勞性能

文獻[4]研究表明受腐蝕疲勞作用的高性能混凝土，氯離子擴散系數(shù)損失很大，導(dǎo)致其抗?jié)B性能大幅度下降。交變應(yīng)力改變了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生應(yīng)力集中，加大了孔尺寸及裂隙寬度，使外界腐蝕介質(zhì)侵入的通道更加寬暢，腐蝕破壞加劇。文獻[5]認(rèn)為混凝土的碳化不但削弱了結(jié)構(gòu)的受力面積，同時導(dǎo)致和加速了鋼筋的銹蝕，縮短了混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

1.2 腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力鋼絞線和普通鋼筋的疲勞性能

腐蝕環(huán)境會使鋼筋產(chǎn)生銹蝕，鋼筋的銹蝕是造成混凝土構(gòu)件劣化的主要原因。研究表明[6]，普通鋼筋銹蝕后其截面面積若有明顯減小，則其疲勞強度較非銹蝕鋼筋有明顯的降低。一般說來，對非銹蝕鋼筋作出的S-N曲線有一水平段，稱為鋼筋的耐疲勞應(yīng)力水平，在這應(yīng)力水平的應(yīng)力變程下，無論進行多少次應(yīng)力循環(huán)，鋼筋也不會因疲勞而破壞，但是，截面面積明顯減小的銹蝕鋼筋的S-N曲線并沒有水平段。即使應(yīng)力值再低，只要循環(huán)次數(shù)N足夠大，銹蝕鋼筋終究會破壞。普通鋼筋銹蝕后其截面面積若沒有明顯減小，則其疲勞性能沒有明顯的降低。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線對銹蝕比普通鋼筋更敏感，高強度和持久的高應(yīng)力增加了對腐蝕的敏感性。由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線斷面小且長期處于高應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力腐蝕和氫脆腐蝕現(xiàn)象特別突出，而且腐蝕環(huán)境可能在預(yù)應(yīng)力筋表面產(chǎn)生銹坑，在疲勞荷載的作用下預(yù)應(yīng)力筋的破壞縮短，破壞形式表現(xiàn)為無任何先兆的脆性破壞[7]。

1.3 腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力鋼絞線和混凝土粘結(jié)性能

預(yù)應(yīng)力混凝土梁中鋼絞線和混凝土兩種不同的材料之所以能共同工作的基本前提是兩者具有足夠的粘結(jié)強度，能承受由于兩者之前相對滑移形成的粘結(jié)應(yīng)力，然而在腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力鋼絞線腐蝕后，鋼絞線和混凝土之間的粘結(jié)性能發(fā)生了很大的變化，順筋裂紋減弱了混凝土對鋼絞線的約束作用，導(dǎo)致粘結(jié)力下降，降低結(jié)構(gòu)的極限承載力。研究表明[8]，鋼絞線腐蝕對粘結(jié)強度的影響與腐蝕程度有關(guān)，當(dāng)腐蝕程度不大時，腐蝕導(dǎo)致了摩擦作用的加強，極限粘結(jié)強度略有提高，隨著腐蝕程度加重鋼絞線銹漲，裂縫變寬，混凝土對鋼絞線的握裹作用降低，極限粘結(jié)強度降低，提高和降低的界限大致可以按銹漲裂縫寬度為0.7mm來考慮。

2.腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土梁材料的疲勞性能

研究預(yù)應(yīng)力混凝土梁在腐蝕環(huán)境下的疲勞可靠度，首先要研究預(yù)應(yīng)力混凝土梁材料的疲勞性能參數(shù)描述方法。

2.1 材料的S-N曲線

5.結(jié)論

（1）處于腐蝕環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力混凝土梁，由于預(yù)應(yīng)力筋及非預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕，其疲勞可靠性明顯降低，目前對其的定量研究較少。

（2）本文利用一次二階距法計算了試驗梁的疲勞可靠度指標(biāo)，由于其預(yù)腐蝕的時間較短，鋼絞線的腐蝕深度較小，固假定腐蝕情況下鋼絞線的疲勞可靠性不隨時間改變，主要研究了荷載應(yīng)力比對其疲勞可靠性的影響，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞可靠度指標(biāo)隨應(yīng)力比的增大而增大，即應(yīng)力幅越小，其疲勞性能越好。

（3）對于腐蝕環(huán)境中的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，在其設(shè)計中應(yīng)充分考慮荷載應(yīng)力比、應(yīng)力幅對結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

參考文獻

[1] 貢金鑫、趙國藩. 腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞可靠度的分析方法[J].土木工程學(xué)報，2000，33（6）：50-56.

[2] 姚明初. 工程結(jié)構(gòu)疲勞可靠度研究進展 土木工程學(xué)會橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會第七屆學(xué)術(shù)會議《工程結(jié)構(gòu)可靠性》

[3] 貢金鑫，王海超，李金波. 腐蝕環(huán)境中荷載作用對鋼筋混凝土梁腐蝕的影響.東南大學(xué)學(xué)報，2005，35（3）：421-426

[4] 陳拴發(fā)、廖衛(wèi)東、鄭木蓮. 腐蝕疲勞下的高性能混凝土滲透性及破壞機理[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2005，27（8）：31-34

1.2 腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力鋼絞線和普通鋼筋的疲勞性能

腐蝕環(huán)境會使鋼筋產(chǎn)生銹蝕，鋼筋的銹蝕是造成混凝土構(gòu)件劣化的主要原因。研究表明[6]，普通鋼筋銹蝕后其截面面積若有明顯減小，則其疲勞強度較非銹蝕鋼筋有明顯的降低。一般說來，對非銹蝕鋼筋作出的S-N曲線有一水平段，稱為鋼筋的耐疲勞應(yīng)力水平，在這應(yīng)力水平的應(yīng)力變程下，無論進行多少次應(yīng)力循環(huán)，鋼筋也不會因疲勞而破壞，但是，截面面積明顯減小的銹蝕鋼筋的S-N曲線并沒有水平段。即使應(yīng)力值再低，只要循環(huán)次數(shù)N足夠大，銹蝕鋼筋終究會破壞。普通鋼筋銹蝕后其截面面積若沒有明顯減小，則其疲勞性能沒有明顯的降低。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線對銹蝕比普通鋼筋更敏感，高強度和持久的高應(yīng)力增加了對腐蝕的敏感性。由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線斷面小且長期處于高應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力腐蝕和氫脆腐蝕現(xiàn)象特別突出，而且腐蝕環(huán)境可能在預(yù)應(yīng)力筋表面產(chǎn)生銹坑，在疲勞荷載的作用下預(yù)應(yīng)力筋的破壞縮短，破壞形式表現(xiàn)為無任何先兆的脆性破壞[7]。

1.3 腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力鋼絞線和混凝土粘結(jié)性能

預(yù)應(yīng)力混凝土梁中鋼絞線和混凝土兩種不同的材料之所以能共同工作的基本前提是兩者具有足夠的粘結(jié)強度，能承受由于兩者之前相對滑移形成的粘結(jié)應(yīng)力，然而在腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力鋼絞線腐蝕后，鋼絞線和混凝土之間的粘結(jié)性能發(fā)生了很大的變化，順筋裂紋減弱了混凝土對鋼絞線的約束作用，導(dǎo)致粘結(jié)力下降，降低結(jié)構(gòu)的極限承載力。研究表明[8]，鋼絞線腐蝕對粘結(jié)強度的影響與腐蝕程度有關(guān)，當(dāng)腐蝕程度不大時，腐蝕導(dǎo)致了摩擦作用的加強，極限粘結(jié)強度略有提高，隨著腐蝕程度加重鋼絞線銹漲，裂縫變寬，混凝土對鋼絞線的握裹作用降低，極限粘結(jié)強度降低，提高和降低的界限大致可以按銹漲裂縫寬度為0.7mm來考慮。

2.腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土梁材料的疲勞性能

研究預(yù)應(yīng)力混凝土梁在腐蝕環(huán)境下的疲勞可靠度，首先要研究預(yù)應(yīng)力混凝土梁材料的疲勞性能參數(shù)描述方法。

2.1 材料的S-N曲線

5.結(jié)論

（1）處于腐蝕環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力混凝土梁，由于預(yù)應(yīng)力筋及非預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕，其疲勞可靠性明顯降低，目前對其的定量研究較少。

（2）本文利用一次二階距法計算了試驗梁的疲勞可靠度指標(biāo)，由于其預(yù)腐蝕的時間較短，鋼絞線的腐蝕深度較小，固假定腐蝕情況下鋼絞線的疲勞可靠性不隨時間改變，主要研究了荷載應(yīng)力比對其疲勞可靠性的影響，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞可靠度指標(biāo)隨應(yīng)力比的增大而增大，即應(yīng)力幅越小，其疲勞性能越好。

（3）對于腐蝕環(huán)境中的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，在其設(shè)計中應(yīng)充分考慮荷載應(yīng)力比、應(yīng)力幅對結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

參考文獻

[1] 貢金鑫、趙國藩. 腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞可靠度的分析方法[J].土木工程學(xué)報，2000，33（6）：50-56.

[2] 姚明初. 工程結(jié)構(gòu)疲勞可靠度研究進展 土木工程學(xué)會橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會第七屆學(xué)術(shù)會議《工程結(jié)構(gòu)可靠性》

[3] 貢金鑫，王海超，李金波. 腐蝕環(huán)境中荷載作用對鋼筋混凝土梁腐蝕的影響.東南大學(xué)學(xué)報，2005，35（3）：421-426

[4] 陳拴發(fā)、廖衛(wèi)東、鄭木蓮. 腐蝕疲勞下的高性能混凝土滲透性及破壞機理[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2005，27（8）：31-34

1.2 腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力鋼絞線和普通鋼筋的疲勞性能

腐蝕環(huán)境會使鋼筋產(chǎn)生銹蝕，鋼筋的銹蝕是造成混凝土構(gòu)件劣化的主要原因。研究表明[6]，普通鋼筋銹蝕后其截面面積若有明顯減小，則其疲勞強度較非銹蝕鋼筋有明顯的降低。一般說來，對非銹蝕鋼筋作出的S-N曲線有一水平段，稱為鋼筋的耐疲勞應(yīng)力水平，在這應(yīng)力水平的應(yīng)力變程下，無論進行多少次應(yīng)力循環(huán)，鋼筋也不會因疲勞而破壞，但是，截面面積明顯減小的銹蝕鋼筋的S-N曲線并沒有水平段。即使應(yīng)力值再低，只要循環(huán)次數(shù)N足夠大，銹蝕鋼筋終究會破壞。普通鋼筋銹蝕后其截面面積若沒有明顯減小，則其疲勞性能沒有明顯的降低。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線對銹蝕比普通鋼筋更敏感，高強度和持久的高應(yīng)力增加了對腐蝕的敏感性。由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線斷面小且長期處于高應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力腐蝕和氫脆腐蝕現(xiàn)象特別突出，而且腐蝕環(huán)境可能在預(yù)應(yīng)力筋表面產(chǎn)生銹坑，在疲勞荷載的作用下預(yù)應(yīng)力筋的破壞縮短，破壞形式表現(xiàn)為無任何先兆的脆性破壞[7]。

1.3 腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力鋼絞線和混凝土粘結(jié)性能

預(yù)應(yīng)力混凝土梁中鋼絞線和混凝土兩種不同的材料之所以能共同工作的基本前提是兩者具有足夠的粘結(jié)強度，能承受由于兩者之前相對滑移形成的粘結(jié)應(yīng)力，然而在腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力鋼絞線腐蝕后，鋼絞線和混凝土之間的粘結(jié)性能發(fā)生了很大的變化，順筋裂紋減弱了混凝土對鋼絞線的約束作用，導(dǎo)致粘結(jié)力下降，降低結(jié)構(gòu)的極限承載力。研究表明[8]，鋼絞線腐蝕對粘結(jié)強度的影響與腐蝕程度有關(guān)，當(dāng)腐蝕程度不大時，腐蝕導(dǎo)致了摩擦作用的加強，極限粘結(jié)強度略有提高，隨著腐蝕程度加重鋼絞線銹漲，裂縫變寬，混凝土對鋼絞線的握裹作用降低，極限粘結(jié)強度降低，提高和降低的界限大致可以按銹漲裂縫寬度為0.7mm來考慮。

2.腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土梁材料的疲勞性能

研究預(yù)應(yīng)力混凝土梁在腐蝕環(huán)境下的疲勞可靠度，首先要研究預(yù)應(yīng)力混凝土梁材料的疲勞性能參數(shù)描述方法。

2.1 材料的S-N曲線

5.結(jié)論

（1）處于腐蝕環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力混凝土梁，由于預(yù)應(yīng)力筋及非預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕，其疲勞可靠性明顯降低，目前對其的定量研究較少。

（2）本文利用一次二階距法計算了試驗梁的疲勞可靠度指標(biāo)，由于其預(yù)腐蝕的時間較短，鋼絞線的腐蝕深度較小，固假定腐蝕情況下鋼絞線的疲勞可靠性不隨時間改變，主要研究了荷載應(yīng)力比對其疲勞可靠性的影響，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞可靠度指標(biāo)隨應(yīng)力比的增大而增大，即應(yīng)力幅越小，其疲勞性能越好。

（3）對于腐蝕環(huán)境中的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，在其設(shè)計中應(yīng)充分考慮荷載應(yīng)力比、應(yīng)力幅對結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

參考文獻

[1] 貢金鑫、趙國藩. 腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞可靠度的分析方法[J].土木工程學(xué)報，2000，33（6）：50-56.

[2] 姚明初. 工程結(jié)構(gòu)疲勞可靠度研究進展 土木工程學(xué)會橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會第七屆學(xué)術(shù)會議《工程結(jié)構(gòu)可靠性》

[3] 貢金鑫，王海超，李金波. 腐蝕環(huán)境中荷載作用對鋼筋混凝土梁腐蝕的影響.東南大學(xué)學(xué)報，2005，35（3）：421-426

[4] 陳拴發(fā)、廖衛(wèi)東、鄭木蓮. 腐蝕疲勞下的高性能混凝土滲透性及破壞機理[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2005，27（8）：31-34