钢绞线锈蚀条件下的无粘结预应力混凝土梁抗弯极限承载能力试验研究

陈瑞明

(贵阳职业技术学院，贵阳 550081)

随着我国城市化进程的快速推进，基础设施建设进入了高峰期，一系列的钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构逐年建成投入使用。但是，随着使用年限的增加，大量钢筋混凝土结构出现了钢筋锈蚀的耐久性问题，导致混凝土保护层开裂脱落，结构使用寿命大打折扣，不得已拆除重建[1]。无论国外还是国内，钢筋混凝土结构的耐久性问题一直是业内的严重问题，其中影响钢筋混凝土结构耐久性最严重的是钢筋锈蚀[2]。大量混凝土结构钢筋锈蚀的例子表明，地处湿度大且寒冷的地区，更容易使得钢筋混凝土结构钢筋锈蚀，特别是我国高寒地区和高纬度地区的预应力混凝土桥梁[3]。预应力可以使得混凝土结构避免出现裂缝，使得混凝土结构截面由厚变薄，从而减轻了混凝土结构的自重，对混凝土结构意义重大。如果预应力结构里面的钢绞线发生锈蚀，就会导致预应力发生损失。如果钢绞线锈蚀严重，预应力损失就会更多，从而预应力结构失去了预应力的优势，接近于普通钢筋混凝土结构。我国对于钢筋混凝土结构耐久性研究起步较晚，近年来关于混凝土钢筋锈蚀的论文也在不断推出，为我国混凝土结构耐久性研究打下了坚实的基础[4-10]。然而，关于无粘结预应力构件钢绞线锈蚀后的结构极限承载力劣化情况很少有报道。因此对无粘结预应力混凝土梁开展钢绞线腐蚀后的极限承载力研究就显得尤为必要。

1 试验研究

1.1 试件设计

每组试验预应力梁均配有三根长度为1 m的无应力钢绞线。试验用混凝土设计强度等级为C50。采用PO42.5R普通硅酸盐水泥;砂的细度模数2.5；石子粒径为5～16 mm，搅拌混凝土的时候不加外加剂，混凝土设计配合比水泥∶水∶砂∶石为1∶0.4∶1.04∶1.93。钢筋采用HRB400，预应力钢筋采用公称直径为12.7 mm的1860级钢绞线，箍筋采用HPB300级光圆钢筋，直径为6.5 mm。试验梁的张拉控制应力σcon均为0.65fptk,即1 209 MPa。

1.2 快速锈蚀试验

预应力混凝土梁钢绞线和无应力钢绞线的锈蚀采用结构实验室提供的直流电源通电开展钢绞线的快速锈蚀试验，利用法拉第定律[8]通过用锈蚀天数来控制预应力钢绞线的锈蚀百分比,锈蚀率分别为4.36%、8.72%和13.08%。在开展锈蚀试验的准备阶段，通过量测计算出钢绞线平均每延米的平均质量。把开展锈蚀试验的无应力钢绞线和无粘结预应力梁放置于锈蚀容器中，容器中加入电解液没过钢绞线和无粘结预应力梁，使得即将开展锈蚀试验的无应力钢绞线和无粘结预应力梁钢绞线能够充分与电解液接触。无应力钢绞线和无粘结预应力梁钢绞线与直流电源的正极连接，以此作为电解池的阳极；通过砂纸打掉表面钝化膜的不锈钢板与直流电源负极相接，整个锈蚀系统利用电解池原理使钢绞线快速锈蚀，见图1。

2 试验加载方案

2.1 钢绞线的拉伸试验

钢绞线快速锈蚀过程中，其表面逐渐由白色变为红褐色，这层红褐色的物质为铁锈，包裹着钢绞线。每组钢绞线均参加完规定锈蚀天数的锈蚀试验后，立即将钢绞线置于流动自来水处进行充分冲洗，将钢绞线表面粘附的铁锈大部分冲洗掉，再用新的标签标注好每根钢绞线的锈蚀天数。待冲洗过后的钢绞线晾干后，为了计算出每组锈蚀率条件下钢绞线的质量损失率，需要对每组钢绞线进行酸洗，直到酸洗的钢绞线由红色变为白色。然后再称重计算钢绞线的质量损失率。钢绞线处理完毕以后，对各种锈蚀率条件下的钢绞线开展静力拉伸试验，静力拉伸试验在结构实验室1 000 kN万能试验机上进行。测定钢绞线的质量损失和名义弹性模量，测试结果见表1。从表1的试验数据可以看出，钢绞线的质量损失随着锈蚀率的增加而增加，钢绞线的名义弹性模量随着锈蚀率的增加而降低。

表1 钢绞线锈蚀后试验结果

2.2 预应力梁的加载试验

无粘结预应力梁加载试验前，严格制定好加载制度，并在加载过程中依据执行。试件采用三分点加载。 静力加载分为预加载、标准加载、破坏荷载三个阶段。

无粘结预应力梁在从加载到破坏的整个过程中，必须时刻注意观察无粘结预应力梁上下边缘混凝土应力和应变的变化。当裂缝出现后，每级荷载施加完毕后，都要量测裂缝的宽度和高度，所有数据都要准确记录。无粘结预应力梁试验数据见表2。从表2的试验数据可以看出，无粘结预应力梁的有效预应力随着锈蚀率的增加而降低，无粘结预应力梁在受弯试验中开裂荷载和极限荷载均随着有效预应力的增加而降低。

表2 构件锈蚀和加载数据平均值

3 钢绞线锈蚀后无粘结预应力混凝土梁极限承载力的计算

根据《混凝土规范》中给出的关于无粘结预应力混凝土梁受弯极限弯矩计算公式，如式(1)所示，结合钢绞线锈蚀后对钢绞线的劣化影响，推导计算出钢绞线锈蚀后无粘结预应力混凝土梁的极限荷载与锈蚀率的关系。

(1)

式中,h0为截面有效高度；σpu为无粘结预应力钢筋的极限应力；hp为预应力钢筋截面重心至截面受压边缘的距离，为150；hs为受拉区纵向钢筋截面重心至截面受压边缘的距离，为170；β0为梁的综合配筋指标；γs为材料分项系数，取1.2；ap为预应力钢筋截面重心至截面受拉边缘距离；as为受拉区纵向钢筋至截面受拉边缘的距离；x为预应力构件受弯截面极限受压区高度。

通过把相关公式和数据进行计算和整理，可以得到无粘结预应力梁受弯极限弯矩关于锈蚀率的表达式

将该试验各工况下的无粘结预应力混凝土构件计算极限荷载与实测开裂荷载进行统计对比，见表3。

从表3数据可以看到，无粘结预应力梁在钢绞线锈蚀条件下极限弯矩随着钢绞线锈蚀率的增加而降低，该文推导计算出的极限弯矩计算公式也反应了这一劣化规律。而且公式计算值和实际试验测试值吻合度较高，说明公式精度较高。

表3 极限荷载试验平均值与计算值比较

4 结 论

通过开展无粘结预应力梁钢绞线和无应力钢绞线的锈蚀试验，可以看到钢绞线锈蚀以后预应力减小、钢绞线弹性模量降低、质量损失率增加，直接导致无粘结预应力梁在受弯荷载作用下截面有效区高度减小以及无粘结预应力梁受弯截面极限受压区高度减小。最后，综合考虑以上劣化因素，推导出无粘结预应力梁极限弯矩与钢绞线锈蚀率之间的关系，公式计算结果和试验实测结果吻合度较高。