鋼絞線銹蝕條件下的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗彎極限承載能力試驗研究

陳瑞明

(貴陽職業(yè)技術(shù)學院，貴陽 550081)

隨著我國城市化進程的快速推進，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進入了高峰期，一系列的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)逐年建成投入使用。但是，隨著使用年限的增加，大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了鋼筋銹蝕的耐久性問題，導(dǎo)致混凝土保護層開裂脫落，結(jié)構(gòu)使用壽命大打折扣，不得已拆除重建[1]。無論國外還是國內(nèi)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題一直是業(yè)內(nèi)的嚴重問題，其中影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最嚴重的是鋼筋銹蝕[2]。大量混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕的例子表明，地處濕度大且寒冷的地區(qū)，更容易使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕，特別是我國高寒地區(qū)和高緯度地區(qū)的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁[3]。預(yù)應(yīng)力可以使得混凝土結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)裂縫，使得混凝土結(jié)構(gòu)截面由厚變薄，從而減輕了混凝土結(jié)構(gòu)的自重，對混凝土結(jié)構(gòu)意義重大。如果預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)里面的鋼絞線發(fā)生銹蝕，就會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力發(fā)生損失。如果鋼絞線銹蝕嚴重，預(yù)應(yīng)力損失就會更多，從而預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)失去了預(yù)應(yīng)力的優(yōu)勢，接近于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。我國對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究起步較晚，近年來關(guān)于混凝土鋼筋銹蝕的論文也在不斷推出，為我國混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究打下了堅實的基礎(chǔ)[4-10]。然而，關(guān)于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件鋼絞線銹蝕后的結(jié)構(gòu)極限承載力劣化情況很少有報道。因此對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁開展鋼絞線腐蝕后的極限承載力研究就顯得尤為必要。

1 試驗研究

1.1 試件設(shè)計

每組試驗預(yù)應(yīng)力梁均配有三根長度為1 m的無應(yīng)力鋼絞線。試驗用混凝土設(shè)計強度等級為C50。采用PO42.5R普通硅酸鹽水泥;砂的細度模數(shù)2.5；石子粒徑為5～16 mm，攪拌混凝土的時候不加外加劑，混凝土設(shè)計配合比水泥∶水∶砂∶石為1∶0.4∶1.04∶1.93。鋼筋采用HRB400，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用公稱直徑為12.7 mm的1860級鋼絞線，箍筋采用HPB300級光圓鋼筋，直徑為6.5 mm。試驗梁的張拉控制應(yīng)力σcon均為0.65fptk,即1 209 MPa。

1.2 快速銹蝕試驗

預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼絞線和無應(yīng)力鋼絞線的銹蝕采用結(jié)構(gòu)實驗室提供的直流電源通電開展鋼絞線的快速銹蝕試驗，利用法拉第定律[8]通過用銹蝕天數(shù)來控制預(yù)應(yīng)力鋼絞線的銹蝕百分比,銹蝕率分別為4.36%、8.72%和13.08%。在開展銹蝕試驗的準備階段，通過量測計算出鋼絞線平均每延米的平均質(zhì)量。把開展銹蝕試驗的無應(yīng)力鋼絞線和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁放置于銹蝕容器中，容器中加入電解液沒過鋼絞線和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁，使得即將開展銹蝕試驗的無應(yīng)力鋼絞線和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁鋼絞線能夠充分與電解液接觸。無應(yīng)力鋼絞線和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁鋼絞線與直流電源的正極連接，以此作為電解池的陽極；通過砂紙打掉表面鈍化膜的不銹鋼板與直流電源負極相接，整個銹蝕系統(tǒng)利用電解池原理使鋼絞線快速銹蝕，見圖1。

2 試驗加載方案

2.1 鋼絞線的拉伸試驗

鋼絞線快速銹蝕過程中，其表面逐漸由白色變?yōu)榧t褐色，這層紅褐色的物質(zhì)為鐵銹，包裹著鋼絞線。每組鋼絞線均參加完規(guī)定銹蝕天數(shù)的銹蝕試驗后，立即將鋼絞線置于流動自來水處進行充分沖洗，將鋼絞線表面粘附的鐵銹大部分沖洗掉，再用新的標簽標注好每根鋼絞線的銹蝕天數(shù)。待沖洗過后的鋼絞線晾干后，為了計算出每組銹蝕率條件下鋼絞線的質(zhì)量損失率，需要對每組鋼絞線進行酸洗，直到酸洗的鋼絞線由紅色變?yōu)榘咨?。然后再稱重計算鋼絞線的質(zhì)量損失率。鋼絞線處理完畢以后，對各種銹蝕率條件下的鋼絞線開展靜力拉伸試驗，靜力拉伸試驗在結(jié)構(gòu)實驗室1 000 kN萬能試驗機上進行。測定鋼絞線的質(zhì)量損失和名義彈性模量，測試結(jié)果見表1。從表1的試驗數(shù)據(jù)可以看出，鋼絞線的質(zhì)量損失隨著銹蝕率的增加而增加，鋼絞線的名義彈性模量隨著銹蝕率的增加而降低。

表1 鋼絞線銹蝕后試驗結(jié)果

2.2 預(yù)應(yīng)力梁的加載試驗

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁加載試驗前，嚴格制定好加載制度，并在加載過程中依據(jù)執(zhí)行。試件采用三分點加載。 靜力加載分為預(yù)加載、標準加載、破壞荷載三個階段。

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁在從加載到破壞的整個過程中，必須時刻注意觀察無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁上下邊緣混凝土應(yīng)力和應(yīng)變的變化。當裂縫出現(xiàn)后，每級荷載施加完畢后，都要量測裂縫的寬度和高度，所有數(shù)據(jù)都要準確記錄。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁試驗數(shù)據(jù)見表2。從表2的試驗數(shù)據(jù)可以看出，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁的有效預(yù)應(yīng)力隨著銹蝕率的增加而降低，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁在受彎試驗中開裂荷載和極限荷載均隨著有效預(yù)應(yīng)力的增加而降低。

表2 構(gòu)件銹蝕和加載數(shù)據(jù)平均值

3 鋼絞線銹蝕后無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁極限承載力的計算

根據(jù)《混凝土規(guī)范》中給出的關(guān)于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁受彎極限彎矩計算公式，如式(1)所示，結(jié)合鋼絞線銹蝕后對鋼絞線的劣化影響，推導(dǎo)計算出鋼絞線銹蝕后無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的極限荷載與銹蝕率的關(guān)系。

(1)

式中,h0為截面有效高度；σpu為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的極限應(yīng)力；hp為預(yù)應(yīng)力鋼筋截面重心至截面受壓邊緣的距離，為150；hs為受拉區(qū)縱向鋼筋截面重心至截面受壓邊緣的距離，為170；β0為梁的綜合配筋指標；γs為材料分項系數(shù)，取1.2；ap為預(yù)應(yīng)力鋼筋截面重心至截面受拉邊緣距離；as為受拉區(qū)縱向鋼筋至截面受拉邊緣的距離；x為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件受彎截面極限受壓區(qū)高度。

通過把相關(guān)公式和數(shù)據(jù)進行計算和整理，可以得到無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁受彎極限彎矩關(guān)于銹蝕率的表達式

將該試驗各工況下的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計算極限荷載與實測開裂荷載進行統(tǒng)計對比，見表3。

從表3數(shù)據(jù)可以看到，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁在鋼絞線銹蝕條件下極限彎矩隨著鋼絞線銹蝕率的增加而降低，該文推導(dǎo)計算出的極限彎矩計算公式也反應(yīng)了這一劣化規(guī)律。而且公式計算值和實際試驗測試值吻合度較高，說明公式精度較高。

表3 極限荷載試驗平均值與計算值比較

4 結(jié) 論

通過開展無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁鋼絞線和無應(yīng)力鋼絞線的銹蝕試驗，可以看到鋼絞線銹蝕以后預(yù)應(yīng)力減小、鋼絞線彈性模量降低、質(zhì)量損失率增加，直接導(dǎo)致無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁在受彎荷載作用下截面有效區(qū)高度減小以及無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁受彎截面極限受壓區(qū)高度減小。最后，綜合考慮以上劣化因素，推導(dǎo)出無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁極限彎矩與鋼絞線銹蝕率之間的關(guān)系，公式計算結(jié)果和試驗實測結(jié)果吻合度較高。