淺談腐蝕環(huán)境預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞可靠性

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(xiàn)標(biāo)識碼：A

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。對于疲勞可靠度，國內(nèi)外已經(jīng)有較多的研究，文獻(xiàn)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，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(dá)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(xiàn)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(xiàn)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，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。

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，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

材料的S-N曲線是描述結(jié)構(gòu)材料耐疲勞性能的一個基本方程，反映了應(yīng)力幅與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系，一般可以通過對結(jié)構(gòu)材料進行等幅循環(huán)加載實驗得到，在實驗分析中S-N曲線高周疲勞段常用冪函數(shù)為：

S^mN=C （1）

對公式1兩邊取以10為底的對數(shù)

mlgS+1gN=1gC （2）

其中，S為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力幅；N為應(yīng)力幅s作用下結(jié)構(gòu)材料可以承受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，m和C是結(jié)構(gòu)材料的性能常數(shù)。根據(jù)此公式可以在給定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的情況下，求出結(jié)構(gòu)的疲勞強度，疲勞強度一般不能由實驗得到。

曾志斌等（1999）通過對兩批共19個有效實驗樣本進行回歸分析得到了用于變形鋼筋的S-N方程：

4.3827lgS+lgN=15.1348（N<10⁷） （3）

6.3827lgS+lgN=18.8471（N≥10⁷） （4）

鐵科院對預(yù)應(yīng)力鋼筋疲勞強度研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)φ5高強度鋼絲及cpl5鋼絞線疲勞強度與應(yīng)力比無關(guān)，由實驗結(jié)果給出了S-N曲線：

鋼絲 3.465lgS+lgN=18.40 （5）

（方差σ_lgN=0.2494）

鋼絞線 2.94lgS+lgN=15.82 （6）

（方差σ_lgN=0.1033）

2.2材料的線性疲勞累計損傷理論

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁腐蝕疲勞破壞，是在循環(huán)荷載和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下，損傷累積的結(jié)果。構(gòu)件的抗力隨著疲勞損傷的累積而不斷衰減，降低了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用壽命。曼納（Miner）于1945在研究鋁合金的疲勞累積損傷中最早提出結(jié)構(gòu)材料線性損傷累積公式，簡稱為Miner公式。該公式假設(shè)，損傷的累積與應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)成線性關(guān)系，且當(dāng)損傷累積達(dá)到時材料發(fā)生疲勞破壞。表示為：

其中△D_i是應(yīng)力幅為S_i時的第i級等幅荷載應(yīng)力下的損傷指標(biāo)，n_i是該級應(yīng)力水平對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，N_i是該級應(yīng)力水平的疲勞壽命，理論上當(dāng)D≥1是發(fā)生疲勞破壞。盡管Miner公式缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)，但研究表明，在一定力學(xué)條件下，其線累積循環(huán)周比關(guān)系在均值或中值意義上還是成立的，加上形式簡單，便于使用，仍是工程中應(yīng)用最為廣泛的累積損傷準(zhǔn)則。

3.疲勞可靠度計算方法

3.1荷載效應(yīng)△б_e的統(tǒng)計分析

為了對橋梁構(gòu)件或構(gòu)造細(xì)節(jié)進行疲勞可靠性分析，必須了解構(gòu)件或構(gòu)造中應(yīng)力幅的時間歷程，并得到其等效等幅應(yīng)力△б_e的統(tǒng)計參數(shù)lg△б_e，бlgN等。

3.2疲勞抗力△бR的統(tǒng)計分析

疲勞抗力即構(gòu)件或細(xì)節(jié)的疲勞強度，可由材料的S-N曲線得到。

3.3極限狀態(tài)方程

采用材料（或構(gòu)造細(xì)節(jié)）的極限應(yīng)力模式：

Vσ_R-Vσ_e≥0 （8）

式中：△б_R-材料（或構(gòu)造細(xì)節(jié)）在變幅重復(fù)應(yīng)力作用下的疲勞強度，即抗力隨機變量；△б_e-結(jié)構(gòu)構(gòu)件（或構(gòu)造細(xì)節(jié)]在相應(yīng)的變幅重復(fù)應(yīng)力作用下的等效應(yīng)力幅，即荷載效應(yīng)隨機變量。

3.4疲勞可靠度指標(biāo)

對于式（8）所示的極限狀態(tài)方程，當(dāng)假定△б_R，△б_e均近似服從對數(shù)正態(tài)分布且二者相互獨立時，結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)可根據(jù)一次二階矩方法求得。

4.計算實例

圖1所示為實驗用T型預(yù)應(yīng)力混凝土梁跨中截面。梁全長5m，計算跨度為4.6m，梁底分別配有兩根直徑18mm和8mm的Ⅱ級鋼筋以及兩根7φ5的預(yù)應(yīng)力鋼絞線（AP=140mm²）.試驗用荷載為等幅正玄函數(shù)疲勞荷載，荷載加載方式如圖2所示（不同梁的最大荷載與梁極限荷載的比值分別為0.4，0.5，0.6，最小荷載的比值均為0.05），計算不同應(yīng)力比下預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞可靠度值標(biāo)。

4.1疲勞荷載F的確定

由試驗得知梁的極限承載力為279KN，則等幅正弦函數(shù)荷載的最大值分別為111.6 KN，139.5 KN，167.4 KN，最小值均為13.95KN，荷載的頻率是1.25赫茲，應(yīng)力比p分別為0.125，0.1，0.083，以ρ=0.1為例，集中力F=62.775sin2.5Hx+76.725，計算得知F的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為76.725KN和44.4KN。

4.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線的S-N曲線的選取及應(yīng)力幅的計算

本試驗中鋼絞線的S-N曲線選用文獻(xiàn)中鐵科院的研究結(jié)果，由公式（6）計算得出當(dāng)N=2×10⁶時，鋼絞線的疲勞抗力對數(shù)值lg△6_R=3.328，SR=6_lgN/2.94 0.035由于通?？沽-N曲線是在對數(shù)（以10為底）的坐標(biāo)中進行回歸的，且所給出的lg△6_R-lg△6_e值都是取97.73%保證率，即均值減去2倍標(biāo)準(zhǔn)差的值，故

根據(jù)規(guī)范計算鋼絞線有效預(yù)應(yīng)力值6_pe=38.13MPa，鋼絞線彈性模量與混凝土疲勞彈性模量的比值a_ep=10.83，混凝土截面有效高度h₀=330，混凝土受壓區(qū)高度x=204m，跨中截面慣性矩I_f=11776×10⁵mm⁴，M=Fa=1700F帶入式（10），計算得到疲勞應(yīng)力均值△6_e=786.99MPa，變異系數(shù)S_e=0.111。

4.3疲勞可靠度指標(biāo)計算

在腐蝕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞破壞主要以預(yù)應(yīng)力鋼絞線的斷裂為標(biāo)準(zhǔn)，因此預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞可靠性可以以預(yù)應(yīng)力鋼絞線的疲勞可靠度指標(biāo)來衡量。根據(jù)公式（9）計算得知在ρ=0.1時，預(yù)應(yīng)力混凝土梁在疲勞200萬次的可靠度指標(biāo)為

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出預(yù)應(yīng)力混凝土梁疲勞可靠度指標(biāo)與應(yīng)力比的關(guān)系如圖3所示：

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。