基于耐久性的預應力混凝土結構研究

董圓夢

摘 要：預應力混凝土強度以及各種性能都要比普通混凝土高，耐久性也相應得好很多，出現的結構耐久性事故相對于普通混凝土少，但只要問題一出現，預應力混凝土產生的危害比普通鋼筋混凝土嚴重的多。因此，從預應力筋銹蝕原因入手，闡述了鋼筋銹蝕對結構耐久性的危害，總結了防止鋼筋銹蝕的防護措施。

關鍵詞：預應力混凝土；耐久性；鋼筋銹蝕；防護措施

中圖分類號：TU375 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0145-02

1 概 述

自混凝土問世以來的很長一段時間，人們都認為混凝土性能比較好，能夠保護內部鋼筋不受侵蝕且自身也具有足夠的強度，能保證混凝土結構具有足夠的安全性、承載力和使用壽命，從而忽視了其自身的耐久性問題，由此，無論是經濟還是生命財產方面都付出了很大的代價。美國等一些發達國家，提出了“全壽命經濟分析”（LCCA-Life Cycle Cost Analysis）的概念，即在概念設計之初，就將結構耐久性考慮其中，采取適當的措施保證結構在其設計使用年限內的安全性、適用性、耐久性、可靠性、經濟性、與環境的協調性。

預應力混凝土結構相對于普通混凝土而言，結構性能好、節材，且適用于大型、重要結構、惡劣環境等，應用前景越來越好，林同炎教授曾說：“目前是預應力混凝土世界”。但實際中預應力筋容易發生電化學腐蝕、化學腐蝕以及應力腐蝕，自開始銹蝕至失效歷時時間很短，一旦發生損壞，常表現為無任何先兆的脆性斷裂破壞，造成嚴重的損失。所以應嚴格注意預應力結構的耐久性問題，將其與概念設計結合在一起。做到未雨綢繆，注重前期措施，著眼長遠效益。

2 預應力鋼筋的銹蝕

當預應力混凝土結構保護措施不當或者當結構處于惡劣環境中時，就會出現一系列的耐久性問題，例如，凍融環境使得混凝土出現裂縫，有害物質進入混凝土內部，使得混凝土更容易發生碳化，內部鋼筋也更容易銹蝕，從而鋼筋有效受力面積減小，與混凝土間的“握裹力”下降，進而使得混凝土結構力學性能改變、構件承載能力下降。國外學者總結出了關于耐久性的“五倍定律” ，從中我們能夠清楚的了解到耐久性問題帶來的嚴重后果，產生的巨大經濟問題。由此，我們從預應力鋼筋腐蝕損害的原因著手，提出相應的預應力混凝土結構耐久性防護措施。

國外學者通過對1951～1979年間發生的242起預應力筋腐蝕損壞事故進行總結，按預應力筋腐蝕損壞的原因進行分類：防腐保護不當、采用對腐蝕敏感的預應力筋、張拉或錨固不當、受環境或侵蝕材料侵蝕、處于潮濕環境及結構構造不當分別占23%、15%、4%、23%、24%和9%。

從以上的總結可以看出，在眾多影響鋼筋銹蝕的因素中，防腐保護不當、受環境或侵蝕材料腐蝕、結構處在潮濕環境中是最常見的影響預應力鋼筋銹蝕破壞的因素。

3 防護措施

3.1 裂縫寬度

開裂是混凝土結構最普遍的現象之一，當預應力混凝土結構處于惡劣環境中時，裂縫的產生使得有害介質更容易進入結構內部，造成鋼筋銹蝕、混凝土腐蝕。因此，防止、減少裂縫的產生及發展對預應力混凝土結構的耐久性有很大的作用。大量研究表明，裂縫寬度對鋼筋銹蝕速度影響并不大，但是卻誘發鋼筋銹蝕。而裂縫又可分為荷載作用引起的裂縫以及溫度等非荷載作用引起的裂縫。

3.1.1 荷載作用裂縫

規范考慮結構所處的環境條件及環境作用等級等因素，通過規定荷載作用下裂縫寬度的限值，來保證結構的耐久性和承載能力。但由于各地結構所處的環境條件以及考慮的結構形式等不一樣，各規范規定的裂縫寬度限值相應的并不一樣。

①GB/T 50476-2008《混凝土結構耐久性設計規范》考慮結構所處環境作用等級，限制了其表面裂縫計算寬度的最大值，見表1。

BS EN 1992—1—1：2004《Eurcode 2：Design of concrete structures》中對裂縫寬度限值的規定不超過的最大值，見表2。

以上兩規范對于裂縫寬度限值基本上都考慮了環境作用等級、結構受力特點，我們現在進行結構設計以及裂縫寬度計算時都考慮了荷載組合作用的影響，因此，《Eurcode 2：Design of concrete structures》中考慮的荷載作用對裂縫寬度影響的這一方面是國內應該學習的一部分。

3.1.2 非荷載作用裂縫

非荷載作用產生的裂縫也是耐久性設計不可忽視的一部分。可以從原材料、配合比、施工和養護、設計、人員等角度來進行控制。見表3。

3.2 預應力筋防護

GB/T 50476-2008《混凝土結構耐久性設計規范》中對后張法預應力筋的耐久性問題提出了一些構造要求及防護措施，見表4。

隨后根據不同的環境類別、環境作用等級以及預應力體系的特點（體內預應力和體外預應力）采用不同的防護措施。體內預應力的基本防護措施包括PS2和PS4，體外預應力的基本防護措施包括PS2和PS3。[1]

我們可以從以上的這些方面來控制非荷載作用的影響，盡量控制預應力混凝土結構裂縫的產生和發展。

3.3 環境因素

環境因素對預應力結構耐久性影響很大，各地由于地理位置不同，環境因素劃分隨之也有差異。但在總體上，能夠劃分為5大類別：

大氣環境、凍融環境、海洋環境、除冰鹽等其他氯化物環境、化學腐蝕環境[1][2]。

此時，耐久性防護措施有如下幾種方式：

①保證混凝土的滲透性；

②結構合理選型和細部設計合理；

③預應力鋼筋的表面防護；

④使用高性能混凝土，摻外加劑；

⑤采用可更換的預應力體系；

⑥其他合理的構造措施；

⑦在設計之前，調查當地的環境條件，在設計時，充分考慮當地的環境作用。

4 結 語

①混凝土裂縫雖然對預應力筋后期的銹蝕速度影響不大，但是卻會對預應力筋前期開始銹蝕產生很大的影響，因此，可以通過對裂縫限值的控制以及一些構造措施來實現對混凝土結構裂縫的控制，提高結構在服役期間的結構承載能力以及結構本身的美觀。

②對于預應力筋的防護，基本上都是從混凝土結構設計、施工、養護、人員、材料等五個方面方面著手，然而，結構構件所采用的混凝土強度等級，許多情況下是由環境作用決定的，并非由荷載作用控制。而且結構處在惡劣環境作用中對混凝土結構耐久性的影響特別大，因此不能忽視環境作用對預應力混凝土結構耐久性的影響。

③不僅要注意預防常見的耐久性損壞因素，對于那些不常出現的預應力鋼筋損壞因素，仍然不能忽視，預應力結構比普通混凝土結構耐久性要好，但是一旦出現損壞，其損壞程度比普通鋼筋混凝土結構要嚴重的多。因此要注重前期措施，著眼長遠效益，做到未雨綢繆。

④國外耐久性研究比國內的要早很多，例如，歐盟和美國ACI學會很早就開始了對于混凝土結構耐久性的研究，而我國最早在2002年才將混凝土結構耐久性寫入規范，到2008年才有專門的一本耐久性規范，而且還不是很成熟，之后一直到現在都還沒有更加完整耐久性國家規范，但是，一些高等學院正在積極進行耐久性研究，并且獲得了很多的研究成果，例如大連理工大學。

因此，我們應該學習國外的一些耐久性先進經驗，但同時，由于每個國家所處的地理位置、環境條件不一樣，我們也要進行符合自身條件的研究并提出本國條件的混凝土結構耐久性相應措施。實現結構的六個最基本的要求（安全性、適用性、耐久性、可靠性、經濟性、與環境的適應性）。在合理的施工、養護、維修等條件下，盡可能的延長結構的使用壽命。

參考文獻：

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