2010年第8期 福 建 建 筑 N08・2010 总第146期 Fujian Architecture&Construction Vo1・146 预应力混凝土结构耐久性研究现状 陈勇房贞政 (福州大学土木工程学院350002) 摘要:本文对国内外预应力混凝土结构耐久性研究现状进行了分析和总结,认为有必要进行大量工作来研究预应力混凝土结构 的耐久性,并建议短期借鉴混凝土结构的耐久性研究成果。 关键词:预应力 混凝土结构 耐久性研究现状 中图分类号:TU378 文献标识码:A 文章编号:1004--6135(2010)08--0044--03 Present Study on Durability of Prestressed Concrete Structure Chen Yong Fang Zhenzheng ’ (Engineering Education in Fuzhou University 350002) Abstract:In this paper,author analyzes and summarizes present research results,which have been obtained at home and abroad on duability of prestressed concrete structures.Analysis results show that many tasks on studying durability of prestressed con— crete structures should be done.Author provides that research results of durability of concrete structures could be USed for refer— ence in short term. Keywords:Prestressed Concrete structure Durability Present study 1概述 蚀则是结构设计使用期内一个不容回避的问题。 现代预应力混凝土结构与普通混凝土结构、钢结构相比, 据统计,建筑业消耗了全世界4O 的能源和资源,节约能 不仅其结构性能好而且经济、节材、节能,具有广阔的应用前 源和资源是执行可持续发展战略方针的重要内涵。预应力混 景。近二十年来,预应力技术在我国的应用有了迅猛的发展, 凝土结构作为我国土木、水利和交通工程中应用最为广泛和最 它已渗入到土木、建筑、水利及交通工程各个领域。预应力技 具潜力的一种结构,加强其耐久性研究,对我国推行可持续发 术己成为建设大(大跨度、大空间结构)、高(高层、高耸结构)、 展战略将有积极意义。 重(重荷载结构)、特(特种结构,如海洋平台、核电站、储液池结 2国内外研究现状 构等以及在钢结构、基础工程、道路、地下建筑、结构加固等工 2.1相关规范、技术规程 程中的特殊应用)工程不可缺少的最为重要的一种技术。它不 1)GB 5OO1O一2002 仅使结构性能优越,而且能发挥材料的潜能,具有较高的经济 《混凝土结构设计规范GB 50010--2002 ̄适用于房屋和一 效益 般构筑物的钢筋混凝土、预应力混凝土以及素混凝土承重结构 我国房屋建筑结构应用预应力技术的历史相对较短,有关 的设计。它没有阐述裂缝对耐久性的影响。提出50年结构混 预应力筋腐蚀造成整个结构破坏的例子极少,但预应力混凝土 凝土耐久性的基本要求:最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝 构件耐久性失效的事故时有发生,例如呼和浩特铁路局某仓库 土强度等级、最大氯离子含量和最大碱含量。100年的结构混 的一榀21m跨预应力混凝土梯形屋架的突然倒塌等。然而随 凝土耐性要求除了对上述要求更严格外,还增加了保护层厚 着服役期的增长,运量的不断提高 加之设计中对耐久性考虑 度、抗冻、抗渗、钢筋环氧树脂涂层等措施,对于预应力钢筋、锚 的不周及施工质量的缺陷,桥梁结构的耐久性问题显得更为突 具及连接器应采取专门防护措施。 出r】]。据铁道部1994年统计,我国正在运营的有病害桥梁共 2)ACI 318—95 6137座,占总数的18.8 ,其中预应力混凝土桥梁2675座。 《混凝土结构规范ACI 318—95》广泛应用于混凝土结构 在全国各地建成、在建或拟建了一大批大型桥梁,它们的使用 设计,虽用一整章(第四章)的篇幅来阐述耐久性,但没有阐述 寿命都在100年以上,而钢筋(指普通钢筋和预应力钢筋)的腐 裂缝对耐久性的影响。而且通过混凝土中最大水灰比、最 低混凝土强度和最大氯离子浓度来阻止钢筋腐蚀。 一 作收者稿简日介期:陈学2O勇在1O读—,男博O6,1士—97研18O 究年生4。月 出生,结构工程专业福州大 3)AASHTO LRFD AASHTO LRFD桥梁设计规范考虑裂缝使用极限状态 (第5.5.2条),5.7.3.4条中阐述了裂缝控制的具体措施, 5.12部分阐述可以采用普通钢筋环氧覆盖或镀锌、预应力钢 2010年8期总第146期 陈勇等・预应力混凝土结构耐久性研究现状 ・45・ 筋和后张管件阻止氯离子的腐蚀。 4)CAN3一A23.3一M84 2)Moore・D・G,Klodt・D・T,and Hansen・JL。 作为大型试验的一部分,Moore等进行了先张拉预应力梁 的腐蚀试验。实验的目的在于研究:(1)钢筋和混凝土间孔隙 的影响;(2)混凝土保护层的影响;(3)活荷载的影响;(4)混凝 《加拿大标准协会混凝土结构设计规范CAN3一A23.3一 M84))中的裂缝控制方法与ACI318—95相同。没有明确地给 出裂缝宽度限值,第10.6.4条裂缝主要通过布置普通受弯钢 筋来控制。第18.9.3.3条阐述了由于部分预应力构件裂缝宽 土中一定大小受拉裂缝的影响;(5)偶然超载的影响(荷载减小 开裂使得裂缝闭合)。 试验梁共16根,水灰比为0.40,混凝土保护层厚度从 度计算的不确定性和预应力钢筋较易腐蚀,有必要对部分预应 力构件更严格。 5)Ontario Highway Bridge Design Code--1991 OHBDC中8—11部分阐述了混凝土结构耐久性最低要 求,该部分强调钢筋防腐的重要性。通过混凝土保护层和涂层 来提高耐久性。不同的构件在不同的环境条件下混凝土保护 层厚度要求不同。需对钢筋、锚具、体外张拉管道及其配件采 用涂层来抵制含有化学物质的水侵蚀作用。 6)1990年CEB—FIP规范 1990年CEB--FIP规范的7.4部分阐述裂缝作为一种极限 状态。抗裂设计应使裂缝不会影响结构功能、耐久性和外观。 该标准通过分析程序或经验公式来计算极限允许裂缝宽度。 7)British Standard CP110 《英国标准协会CP110混凝土结构应用规程》阐述了裂缝 作为一种极限状态。2.2.3.2条认为混凝土开裂一般不会影 响结构的外观或耐久性。 8)SIA Standard 162 《瑞士工程师和建筑师协会混凝土结构标准162》阐述了 裂缝作为一种极限状态。SIA标准一般采用钢筋规格和布置 形式来控制裂缝宽度,但没有明确规定如何计算裂缝宽度。 9)JSCE混凝土结构施工和设计标准 JSCE刊物SP一1《1986年砼结构施工和设计标准》第1部 分(设计)阐述了裂缝作为使用极限状态。7.3部分建议控制 裂缝以满足混凝土结构的功能、耐久性和外观要求,并规定如 何计算表面允许极限裂缝宽度。 2.2研究现状 1.模型试验 1)Poston.R・、Ⅳt。] Poston通过试验研究施加预应力桥面板试件在氯侵蚀性 环境中腐蚀性能,以研究了全预应力和普通钢筋混凝土桥面板 的耐久性。非预应力构件和部分预应力构件加载至出现表面 裂缝宽度达0.38mm,其余的预应力试件加载至使非预应力构 件表面产生裂缝宽度达0.38mm时相应荷载而出现表面裂缝 宽度仅0.051mm。用3.5 盐水溶液试件浸泡2d,然后干燥 9d,持续17个循环或历时8个月。短期暴露试验结果表明: (1)非预应力钢筋的腐蚀在弯曲裂缝附近开始出现,范围延伸 至6~1o倍钢筋(裸)直径,其中环氧包裹的钢筋腐蚀的程度和 速率非常小;(2)对于非预应力和预应力构件加载到产生裂缝 宽度0.38mm,腐蚀的程度和速率相近,裂缝宽度达0.051mm 时预应力构件中没有观察到钢筋腐蚀;(3)预应力对未开裂混 凝土区的氯离子渗入影响很小;(4)混凝土保护层厚度影响。 12.7mm~50mm,采用3.5 NaC1溶液浸泡,试验持续1O个 月。试验结果表明:(1)开裂梁腐蚀最严重的,裂缝宽度达 0.1mm时观察到锈坑腐蚀;(2)由偶然超荷引起的裂缝经10 个月后愈合,在这些裂缝处未发现腐蚀发展;(3)开裂前,荷载 大小对钢筋蚀影响不大;(4)未开裂构件中,保护层大于 38.1mm的构件未发现腐蚀,小于19mm的构件均发现腐蚀。 3)Perenchio・W・F,Fraczek・J andPfiefer・D・Wc4] Perenchio等进行8根梁试验研究环氧包裹绞线和裂缝对 先张拉预应力构件耐久性的影响。其中4个构件在靠近受拉 面一侧的绞线用环氧包裹,另一侧则裸露;2个构件全部环氧 包裹;2个构件全部裸露。试件在弯矩作用下表面出现裂缝, 平均裂缝宽度为0.254mm。试验期间对构件背靠背成对进行 加载并维持裂缝大小。用l5 NaC1溶液浸泡3.5d接着干燥 3.5d,试验持续10个月。实验结果表明:(1)裂缝宽度 0.254mm的梁开始腐蚀时间提前,腐蚀程度严重,且构件中未 开裂部分钢筋也有较大腐蚀;(2)本研究未得出极限裂缝宽度; (3)混凝土保护层厚度为25mm不能阻止构件开裂或未开裂部 分中钢筋腐蚀;(4)暴露期间环氧包裹的绞线未发现腐蚀现象。 4)J・S・West,C・J・Larosche,B・D・Koester,J・E・ Breen,M・E・KregerE ] J・S・West等共进行了27根后张预应力梁和lo根后张 预应力柱长期耐久性试验以研究后张预应力通过控制裂缝来 提高耐久性以及腐蚀保护措施,试验时间持续近三年。试验结 果表明:后张预应力可以有效地控制裂缝,可以提高耐久性,开 裂的试件腐蚀较为严重且试件中开裂腐蚀比未开裂处严重;采 用了多种力筋腐蚀测试方法,并揭示力筋腐蚀的经时模型;可 以通过采用粉煤灰、高性能混凝土和环氧涂层等措施来提高耐 久性。 5)吕志涛等课题组Eo3 东南大学吕志涛等开展预应力混凝土结构在不同应力水 平下的碳化试验,研究在碳化侵蚀环境下应力状态、水灰比、保 护层厚度等因素对混凝土碳化速率的影响(碳化时间为90d), 并借鉴已有的研究成果,建立混凝土碳化深度预测模型;开展 预应力混凝土结构在不同应力水平下的氯离子侵蚀试验,研究 在盐雾侵蚀环境下受力状态及水灰比等因素对氯离子传输速 率的影响(盐雾中NaC1浓度为5%);分析预应力混凝土结构 裂缝状态下力筋腐蚀的机理,揭示裂缝及其开展宽度与力筋腐 蚀间的关系。 2.实际工程拆下的损伤构件试验 1)Timonthy等 2010年8期总第146期 陈勇等・预应力混凝土结构耐久性研究现状 ・46・ Timonthy等从Fargo的一座桥下拆下一根后张预应力混 凝土梁研究34年后的状况。进行了无损和材料试验接着凿开 术研讨会,大连,1995,5. [2]Poston・R・W,“Improving Durability of Bridge Decks by Transverse Prestressing”。Doctor of Philosophy Dis— sertation,The University of Texas at Austin,December 1984. 后张构件,仅发现后张绞线、金属管道和锚具局部锈蚀。 2)Y・Labia等 ] 美国内华达州大学Y・Labia等在1996年5月完成了美 国国家科学基金资助项目“整体预应力混凝土箱形梁的评估和 修补”,在该项目完成了三批预制后张跨度为21.33 m的 箱形梁的测试。研究内容有:①测试预应力混凝土桥梁的强度 [3]Moore・D・G,Klodt・D・T,and Hansen・J,“Pro— tection of Steel in Prestressed Concrete Bridges”。NCHRP Re— port 90,1970. [43 Perenchio・W・F,Fraczek・J,and Pfiefer・D・W, 和适用性能,以与现行规范公式进行比较。通过研究发现这些 “Corrosion Protection of Prestressing Systems in Concrete 梁测量的极限荷载与规范预计值吻合较好,但是延性和预应力 Bridges”,NCHRP Report 313,February 1989. 损失与规范预计值差别较大。②测试预应力筋的修补方法和 [5]J・s・west,c・J・Larosche,B・D・Koester,J・E 评估在设计疲劳荷载和重复施加的静荷载作用下的预应力梁 ・Breen,and M・E・Kreger,“State—of—the—Art Report a— 强度。研究发现超载将明显降低梁的疲劳寿命,通过研究发现 bout Durability of Post--Tensioned Bridge Substructures”,Re— 预应力筋损伤的主要原因是由于车辆超载和腐蚀。 search Report 14O5—1.October 1999. 3结语 [6]张德锋.预应力混凝土结构耐久性研究[D].南京:东 综上所述,世界范围内有关预应力混凝土结构耐久性方面 南大学. 的研究很少,国外可见于文献的试验只有寥寥几个,且大部分 [7]Timoth J・Dickson,Habib Tabatabai,David A・ 试验为短期试验时间不超过三年,国内关于预应力}昆凝土方面 Whiting。Ph・D。“Corrosion Assessment of a 34一Year一0ld 的试验几乎为零,尚需进行大量的工作,建议短期借鉴混凝土 Precast Post—Tensioned concrete Girder”,PCI Journal,NO- 结构的耐久性研究成果。 vember--December 1993:44—51. 参考文献 [8]Labia,Y.V.,Saiidi,M.,and Douglas,&,“Evalua— [1]万德友,张煅等.我国铁路桥梁及墩台状态评估技术现 tion and Repair of Fu11--Scale Prestressed Concrete Girders”, 状与展望[c].中国铁道学会桥梁病害诊断及剩余寿命评估学 CCEER--96—2,University of Nevada,Reno,NV,May 1996. (上接第43页) 桑等灌木,丰富植物群落。 上层平台绿化结合原有绿化以规整式种植为主,下层平台 (5)广场绿地:以规则式大块面种植,达到简洁明快的效 以生态种植优化环境为主。设计尽可能保留现状植物,应用乡 果,展示广场的气势。 土植物种植和自然群落形成绿化基底。同时,根据溪滨场点特 (6)防洪堤斜坡绿化:由于其特性以种植地被草花为主,局 点和植物特性,采用以下几种植被类型。 部点缀小灌木。多采用模纹式种植。 (1)溪边漫滩湿地:亲水平台、防洪堤底层平台以下的浅滩 (7)路边行道树:保留现状行道树,新植树应与保存的树协 地。种植丰富多样的乡土水生、湿生植物。选用在当地长势良 调。 好的芦苇、菖蒲、大花萱草、汉伞草。 4结语 (2)耐水淹的灌木、地被、草地种群:沿城墙脚设置的自然 沙县沙溪北岸景观绿化带建成后得到社会各界好评,成为 驳岸上种植乡野的耐水淹、汛后恢复能力强的低矮灌木、草花, 当地一道亮丽的城市“名片”。由于没有过多地在旧挡墙上作 以减少驳岸的人工痕迹,不影响过洪,后期管养方便。选择的 工程意义上的改造和装饰,使该项目工程造价比其它同类项目 植物有:莎草、鸢尾、芦苇、千里光、美人蕉、香蒲、凌霄、蕨类、四 低许多,项目建设较好地达到了预期目标。设计经验在于能较 季海棠等。 好地发掘和利用了原场地旧挡墙的景观价值和工程价值并注 (3)藤蔓植物:主要在古城墙与防洪堤立面需绿化装饰处 入新的文化内涵,而不是简单的“重建”、“翻新”和“装修”。景 种植藤蔓植物,尽可能选用开花、有季向变化的爬藤植物丰富 观设计过程中,只有积极地去发现美,才能更好地去创造美。 立面景观。增加现有霹雳的种植面,补植爬山虎、炮仗花、蔓性 参考文献 蔷薇、常春藤。 [1]吉立峰,魏一菁.人性的场所——三里河公园规划设 (4)堤顶休闲带绿地:北岸古城墙顶、南岸防洪堤顶腹地较 计rJ].中国园林,2007(6):34—37. 宽处,以自然群落式种植,乔木、灌木、地被、草花互相搭配、疏 项目介绍: 密相问,营造多种层次空间,形成一个景观和驻足休憩的场所, 委托单位:沙县规划建设局 在其间设置一些座椅和平台广场。保留原有的雪松、天竺桂、 设计单位:福建省城乡规划设计研究院・景观园林所 洋紫荆及行道树麻楝。补植有季相色相变化的紫叶李、鸡爪 设计人员:吴力立、陈玲、陈言东、刘勇、张桂玲 槭、南天竺,开花、香花植物桂花、紫薇。原绿地缺少灌木、地 设计时间:2005.6--2006.10 被,此次设计增加杜鹃、红叶继木、紫叶小檗、红背桂、月季、扶