淺談腐蝕環境預應力混凝土梁疲勞可靠性

商艷++許波

摘 要：當預應力混凝土梁處于腐蝕環境下時，其結構疲勞性能的降低要比靜態性能的降低明顯。本文在試驗的基礎上研究了腐蝕環境下預應力混凝土梁疲勞可靠度的影響因素，分析了腐蝕環境對混凝土和預應力筋及普通鋼筋的影響，根據材料極限應力模式提出了材料的極限狀態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；分析表明，預應力鋼筋的腐蝕率以及疲勞荷載的應力比對預應力混凝土梁疲勞可靠度影響很大。

關鍵詞：預應力混凝土梁；腐蝕；疲勞；可靠度指標

中圖分類號：TU378.2 文獻標識碼：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

在工程結構中很多普通鋼筋和預應力混凝土結構或構件，如鐵路橋梁、鐵路軌枕、公路橋梁、工業廠房的吊車梁、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、波浪力等反復荷載的作用。在反復荷載的作用下，結構或構件的破壞特征與在靜態荷載作用下有著本質的區別。靜態荷載作用時，結構的承載力主要決定于材料的極限強度，而對于承受反復荷載的結構，荷載將使結構產生高周疲勞，破壞是結構材料內部由于疲勞損傷不斷累積的結果，工程上稱之為疲勞破壞。試驗表明疲勞破壞都呈現脆性性質，因此對于結構的耐疲勞性能以及抗疲勞設計在工程中應當予以重視。

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

1.腐蝕環境對預應力混凝土梁疲勞可靠性的影響

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

1.1 腐蝕環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，氯離子擴散系數損失很大，導致其抗滲性能大幅度下降。交變應力改變了混凝土的微觀結構，產生應力集中，加大了孔尺寸及裂隙寬度，使外界腐蝕介質侵入的通道更加寬暢，腐蝕破壞加劇。文獻[5]認為混凝土的碳化不但削弱了結構的受力面積，同時導致和加速了鋼筋的銹蝕，縮短了混凝土結構的疲勞壽命。

1.2 腐蝕環境下預應力鋼絞線和普通鋼筋的疲勞性能

腐蝕環境會使鋼筋產生銹蝕，鋼筋的銹蝕是造成混凝土構件劣化的主要原因。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力水平，在這應力水平的應力變程下，無論進行多少次應力循環，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。即使應力值再低，只要循環次數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。

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

1.3 腐蝕環境下預應力鋼絞線和混凝土粘結性能

預應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強度，能承受由于兩者之前相對滑移形成的粘結應力，然而在腐蝕環境下預應力鋼絞線腐蝕后，鋼絞線和混凝土之間的粘結性能發生了很大的變化，順筋裂紋減弱了混凝土對鋼絞線的約束作用，導致粘結力下降，降低結構的極限承載力。研究表明[8]，鋼絞線腐蝕對粘結強度的影響與腐蝕程度有關，當腐蝕程度不大時，腐蝕導致了摩擦作用的加強，極限粘結強度略有提高，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.腐蝕環境下預應力混凝土梁材料的疲勞性能

研究預應力混凝土梁在腐蝕環境下的疲勞可靠度，首先要研究預應力混凝土梁材料的疲勞性能參數描述方法。

2.1 材料的S-N曲線

5.結論

（1）處于腐蝕環境下的預應力混凝土梁，由于預應力筋及非預應力筋的腐蝕，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，由于其預腐蝕的時間較短，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，主要研究了荷載應力比對其疲勞可靠性的影響，結果表明預應力混凝土梁的疲勞可靠度指標隨應力比的增大而增大，即應力幅越小，其疲勞性能越好。

（3）對于腐蝕環境中的預應力混凝土結構，在其設計中應充分考慮荷載應力比、應力幅對結構耐久性的影響。

參考文獻

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

[2] 姚明初. 工程結構疲勞可靠度研究進展 土木工程學會橋梁及結構工程學會第七屆學術會議《工程結構可靠性》

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

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

1.2 腐蝕環境下預應力鋼絞線和普通鋼筋的疲勞性能

腐蝕環境會使鋼筋產生銹蝕，鋼筋的銹蝕是造成混凝土構件劣化的主要原因。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力水平，在這應力水平的應力變程下，無論進行多少次應力循環，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。即使應力值再低，只要循環次數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。

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

1.3 腐蝕環境下預應力鋼絞線和混凝土粘結性能

預應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強度，能承受由于兩者之前相對滑移形成的粘結應力，然而在腐蝕環境下預應力鋼絞線腐蝕后，鋼絞線和混凝土之間的粘結性能發生了很大的變化，順筋裂紋減弱了混凝土對鋼絞線的約束作用，導致粘結力下降，降低結構的極限承載力。研究表明[8]，鋼絞線腐蝕對粘結強度的影響與腐蝕程度有關，當腐蝕程度不大時，腐蝕導致了摩擦作用的加強，極限粘結強度略有提高，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.腐蝕環境下預應力混凝土梁材料的疲勞性能

研究預應力混凝土梁在腐蝕環境下的疲勞可靠度，首先要研究預應力混凝土梁材料的疲勞性能參數描述方法。

2.1 材料的S-N曲線

5.結論

（1）處于腐蝕環境下的預應力混凝土梁，由于預應力筋及非預應力筋的腐蝕，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，由于其預腐蝕的時間較短，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，主要研究了荷載應力比對其疲勞可靠性的影響，結果表明預應力混凝土梁的疲勞可靠度指標隨應力比的增大而增大，即應力幅越小，其疲勞性能越好。

（3）對于腐蝕環境中的預應力混凝土結構，在其設計中應充分考慮荷載應力比、應力幅對結構耐久性的影響。

參考文獻

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

[2] 姚明初. 工程結構疲勞可靠度研究進展 土木工程學會橋梁及結構工程學會第七屆學術會議《工程結構可靠性》

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

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

1.2 腐蝕環境下預應力鋼絞線和普通鋼筋的疲勞性能

腐蝕環境會使鋼筋產生銹蝕，鋼筋的銹蝕是造成混凝土構件劣化的主要原因。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力水平，在這應力水平的應力變程下，無論進行多少次應力循環，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。即使應力值再低，只要循環次數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。

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

1.3 腐蝕環境下預應力鋼絞線和混凝土粘結性能

預應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強度，能承受由于兩者之前相對滑移形成的粘結應力，然而在腐蝕環境下預應力鋼絞線腐蝕后，鋼絞線和混凝土之間的粘結性能發生了很大的變化，順筋裂紋減弱了混凝土對鋼絞線的約束作用，導致粘結力下降，降低結構的極限承載力。研究表明[8]，鋼絞線腐蝕對粘結強度的影響與腐蝕程度有關，當腐蝕程度不大時，腐蝕導致了摩擦作用的加強，極限粘結強度略有提高，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.腐蝕環境下預應力混凝土梁材料的疲勞性能

研究預應力混凝土梁在腐蝕環境下的疲勞可靠度，首先要研究預應力混凝土梁材料的疲勞性能參數描述方法。

2.1 材料的S-N曲線

5.結論

（1）處于腐蝕環境下的預應力混凝土梁，由于預應力筋及非預應力筋的腐蝕，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，由于其預腐蝕的時間較短，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，主要研究了荷載應力比對其疲勞可靠性的影響，結果表明預應力混凝土梁的疲勞可靠度指標隨應力比的增大而增大，即應力幅越小，其疲勞性能越好。

（3）對于腐蝕環境中的預應力混凝土結構，在其設計中應充分考慮荷載應力比、應力幅對結構耐久性的影響。

參考文獻

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

[2] 姚明初. 工程結構疲勞可靠度研究進展 土木工程學會橋梁及結構工程學會第七屆學術會議《工程結構可靠性》

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

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