论文部分内容阅读
摘 要：当预应力混凝土梁处于腐蚀环境下时，其结构疲劳性能的降低要比静态性能的降低明显。本文在试验的基础上研究了腐蚀环境下预应力混凝土梁疲劳可靠度的影响因素，分析了腐蚀环境对混凝土和预应力筋及普通钢筋的影响，根据材料极限应力模式提出了材料的极限状态方程并运用累积损伤理论和一次二阶矩法求解其疲劳可靠度指标；分析表明，预应力钢筋的腐蚀率以及疲劳荷载的应力比对预应力混凝土梁疲劳可靠度影响很大。
关键词：预应力混凝土梁；腐蚀；疲劳；可靠度指标
中图分类号：TU378.2 文献标识码：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
在工程结构中很多普通钢筋和预应力混凝土结构或构件，如铁路桥梁、铁路轨枕、公路桥梁、工业厂房的吊车梁、海洋采油平台等，在承受自重恒载的同时，还承受车辆荷载、吊车荷载、波浪力等反复荷载的作用。在反复荷载的作用下，结构或构件的破坏特征与在静态荷载作用下有着本质的区别。静态荷载作用时，结构的承载力主要决定于材料的极限强度，而对于承受反复荷载的结构，荷载将使结构产生高周疲劳，破坏是结构材料内部由于疲劳损伤不断累积的结果，工程上称之为疲劳破坏。试验表明疲劳破坏都呈现脆性性质，因此对于结构的耐疲劳性能以及抗疲劳设计在工程中应当予以重视。
目前的结构是按极限状态设计法进行静态设计的同时，验算其在反复荷载作用下的抗疲劳能力。由于结构材料性能固有的离散性以及荷载的随机性，一定反复荷载作用次数下，结构是否会发生疲劳破坏，是一个不确定事件，结构的疲劳性能需用概率方法描述，相应的可靠度为疲劳可靠度[1]。对于疲劳可靠度，国内外已经有较多的研究，文献[2]总结了近代国内外的研究成果。在腐蚀环境下的疲劳破坏叫做腐蚀疲劳，研究表明当同时存在腐蚀环境和反复荷载作用的时候，构件疲劳损伤的发展速度要快得多[3]，鉴于腐蚀疲劳对于结构耐久性的重要影响以及目前对于腐蚀环境下预应力混凝土梁的疲劳性能的研究较少，本文在试验的基础上分析影响预应力混凝土梁腐蚀疲劳可靠性的因素，并给出预应力混凝土梁腐蚀疲劳可靠度指标的计算方法。
1.腐蚀环境对预应力混凝土梁疲劳可靠性的影响
这里所指的腐蚀环境是指存在腐蚀介质使预应力钢筋混凝土材料发生化学或电化学反应的环境。腐蚀介质会造成钢筋锈蚀，混凝土碳化等问题。预应力钢绞线以及普通钢筋锈蚀对混凝土结构疲劳性能的影响较对静态性能的影响严重得多，比如沿海环境，海岸与近海工程的结构物大多不能达到预计的设计使用寿命。这是因为由于腐蚀环境所造成的锈蚀不仅削弱了预应力钢绞线和普通钢筋的有效截面，更严重的是钢筋锈坑的不均匀性将导致钢绞线和钢筋应力集中，对应的疲劳荷载作用下会加速腐蚀介质的渗透过程，这些都会加剧预应力混凝土构件的损伤，从而使结构构件的疲劳可靠性降低。
1.1 腐蚀环境下混凝土的疲劳性能
文献[4]研究表明受腐蚀疲劳作用的高性能混凝土，氯离子扩散系数损失很大，导致其抗渗性能大幅度下降。交变应力改变了混凝土的微观结构，产生应力集中，加大了孔尺寸及裂隙宽度，使外界腐蚀介质侵入的通道更加宽畅，腐蚀破坏加剧。文献[5]认为混凝土的碳化不但削弱了结构的受力面积，同时导致和加速了钢筋的锈蚀，缩短了混凝土结构的疲劳寿命。 1.2 腐蚀环境下预应力钢绞线和普通钢筋的疲劳性能
腐蚀环境会使钢筋产生锈蚀，钢筋的锈蚀是造成混凝土构件劣化的主要原因。研究表明[6]，普通钢筋锈蚀后其截面面积若有明显减小，则其疲劳强度较非锈蚀钢筋有明显的降低。一般说来，对非锈蚀钢筋作出的S-N曲线有一水平段，称为钢筋的耐疲劳应力水平，在这应力水平的应力变程下，无论进行多少次应力循环，钢筋也不会因疲劳而破坏，但是，截面面积明显减小的锈蚀钢筋的S-N曲线并没有水平段。即使应力值再低，只要循环次数N足够大，锈蚀钢筋终究会破坏。普通钢筋锈蚀后其截面面积若没有明显减小，则其疲劳性能没有明显的降低。
预应力钢绞线对锈蚀比普通钢筋更敏感，高强度和持久的高应力增加了对腐蚀的敏感性。由于预应力钢绞线断面小且长期处于高应力状态，应力腐蚀和氢脆腐蚀现象特别突出，而且腐蚀环境可能在预应力筋表面产生锈坑，在疲劳荷载的作用下预应力筋的破坏缩短，破坏形式表现为无任何先兆的脆性破坏[7]。
1.3 腐蚀环境下预应力钢绞线和混凝土粘结性能
预应力混凝土梁中钢绞线和混凝土两种不同的材料之所以能共同工作的基本前提是两者具有足够的粘结强度，能承受由于两者之前相对滑移形成的粘结应力，然而在腐蚀环境下预应力钢绞线腐蚀后，钢绞线和混凝土之间的粘结性能发生了很大的变化，顺筋裂纹减弱了混凝土对钢绞线的约束作用，导致粘结力下降，降低结构的极限承载力。研究表明[8]，钢绞线腐蚀对粘结强度的影响与腐蚀程度有关，当腐蚀程度不大时，腐蚀导致了摩擦作用的加强，极限粘结强度略有提高，随着腐蚀程度加重钢绞线锈涨，裂缝变宽，混凝土对钢绞线的握裹作用降低，极限粘结强度降低，提高和降低的界限大致可以按锈涨裂缝宽度为0.7mm来考虑。
2.腐蚀环境下预应力混凝土梁材料的疲劳性能
研究预应力混凝土梁在腐蚀环境下的疲劳可靠度，首先要研究预应力混凝土梁材料的疲劳性能参数描述方法。
2.1 材料的S-N曲线
5.结论
（1）处于腐蚀环境下的预应力混凝土梁，由于预应力筋及非预应力筋的腐蚀，其疲劳可靠性明显降低，目前对其的定量研究较少。
（2）本文利用一次二阶距法计算了试验梁的疲劳可靠度指标，由于其预腐蚀的时间较短，钢绞线的腐蚀深度较小，固假定腐蚀情况下钢绞线的疲劳可靠性不随时间改变，主要研究了荷载应力比对其疲劳可靠性的影响，结果表明预应力混凝土梁的疲劳可靠度指标随应力比的增大而增大，即应力幅越小，其疲劳性能越好。
（3）对于腐蚀环境中的预应力混凝土结构，在其设计中应充分考虑荷载应力比、应力幅对结构耐久性的影响。
参考文献
[1] 贡金鑫、赵国藩. 腐蚀环境下钢筋混凝土结构疲劳可靠度的分析方法[J].土木工程学报，2000，33（6）：50-56.
[2] 姚明初. 工程结构疲劳可靠度研究进展 土木工程学会桥梁及结构工程学会第七届学术会议《工程结构可靠性》
[3] 贡金鑫，王海超，李金波. 腐蚀环境中荷载作用对钢筋混凝土梁腐蚀的影响.东南大学学报，2005，35（3）：421-426
[4] 陈拴发、廖卫东、郑木莲. 腐蚀疲劳下的高性能混凝土渗透性及破坏机理[J].武汉理工大学学报，2005，27（8）：31-34
关键词：预应力混凝土梁；腐蚀；疲劳；可靠度指标
中图分类号：TU378.2 文献标识码：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
在工程结构中很多普通钢筋和预应力混凝土结构或构件，如铁路桥梁、铁路轨枕、公路桥梁、工业厂房的吊车梁、海洋采油平台等，在承受自重恒载的同时，还承受车辆荷载、吊车荷载、波浪力等反复荷载的作用。在反复荷载的作用下，结构或构件的破坏特征与在静态荷载作用下有着本质的区别。静态荷载作用时，结构的承载力主要决定于材料的极限强度，而对于承受反复荷载的结构，荷载将使结构产生高周疲劳，破坏是结构材料内部由于疲劳损伤不断累积的结果，工程上称之为疲劳破坏。试验表明疲劳破坏都呈现脆性性质，因此对于结构的耐疲劳性能以及抗疲劳设计在工程中应当予以重视。
目前的结构是按极限状态设计法进行静态设计的同时，验算其在反复荷载作用下的抗疲劳能力。由于结构材料性能固有的离散性以及荷载的随机性，一定反复荷载作用次数下，结构是否会发生疲劳破坏，是一个不确定事件，结构的疲劳性能需用概率方法描述，相应的可靠度为疲劳可靠度[1]。对于疲劳可靠度，国内外已经有较多的研究，文献[2]总结了近代国内外的研究成果。在腐蚀环境下的疲劳破坏叫做腐蚀疲劳，研究表明当同时存在腐蚀环境和反复荷载作用的时候，构件疲劳损伤的发展速度要快得多[3]，鉴于腐蚀疲劳对于结构耐久性的重要影响以及目前对于腐蚀环境下预应力混凝土梁的疲劳性能的研究较少，本文在试验的基础上分析影响预应力混凝土梁腐蚀疲劳可靠性的因素，并给出预应力混凝土梁腐蚀疲劳可靠度指标的计算方法。
1.腐蚀环境对预应力混凝土梁疲劳可靠性的影响
这里所指的腐蚀环境是指存在腐蚀介质使预应力钢筋混凝土材料发生化学或电化学反应的环境。腐蚀介质会造成钢筋锈蚀，混凝土碳化等问题。预应力钢绞线以及普通钢筋锈蚀对混凝土结构疲劳性能的影响较对静态性能的影响严重得多，比如沿海环境，海岸与近海工程的结构物大多不能达到预计的设计使用寿命。这是因为由于腐蚀环境所造成的锈蚀不仅削弱了预应力钢绞线和普通钢筋的有效截面，更严重的是钢筋锈坑的不均匀性将导致钢绞线和钢筋应力集中，对应的疲劳荷载作用下会加速腐蚀介质的渗透过程，这些都会加剧预应力混凝土构件的损伤，从而使结构构件的疲劳可靠性降低。
1.1 腐蚀环境下混凝土的疲劳性能
文献[4]研究表明受腐蚀疲劳作用的高性能混凝土，氯离子扩散系数损失很大，导致其抗渗性能大幅度下降。交变应力改变了混凝土的微观结构，产生应力集中，加大了孔尺寸及裂隙宽度，使外界腐蚀介质侵入的通道更加宽畅，腐蚀破坏加剧。文献[5]认为混凝土的碳化不但削弱了结构的受力面积，同时导致和加速了钢筋的锈蚀，缩短了混凝土结构的疲劳寿命。 1.2 腐蚀环境下预应力钢绞线和普通钢筋的疲劳性能
腐蚀环境会使钢筋产生锈蚀，钢筋的锈蚀是造成混凝土构件劣化的主要原因。研究表明[6]，普通钢筋锈蚀后其截面面积若有明显减小，则其疲劳强度较非锈蚀钢筋有明显的降低。一般说来，对非锈蚀钢筋作出的S-N曲线有一水平段，称为钢筋的耐疲劳应力水平，在这应力水平的应力变程下，无论进行多少次应力循环，钢筋也不会因疲劳而破坏，但是，截面面积明显减小的锈蚀钢筋的S-N曲线并没有水平段。即使应力值再低，只要循环次数N足够大，锈蚀钢筋终究会破坏。普通钢筋锈蚀后其截面面积若没有明显减小，则其疲劳性能没有明显的降低。
预应力钢绞线对锈蚀比普通钢筋更敏感，高强度和持久的高应力增加了对腐蚀的敏感性。由于预应力钢绞线断面小且长期处于高应力状态，应力腐蚀和氢脆腐蚀现象特别突出，而且腐蚀环境可能在预应力筋表面产生锈坑，在疲劳荷载的作用下预应力筋的破坏缩短，破坏形式表现为无任何先兆的脆性破坏[7]。
1.3 腐蚀环境下预应力钢绞线和混凝土粘结性能
预应力混凝土梁中钢绞线和混凝土两种不同的材料之所以能共同工作的基本前提是两者具有足够的粘结强度，能承受由于两者之前相对滑移形成的粘结应力，然而在腐蚀环境下预应力钢绞线腐蚀后，钢绞线和混凝土之间的粘结性能发生了很大的变化，顺筋裂纹减弱了混凝土对钢绞线的约束作用，导致粘结力下降，降低结构的极限承载力。研究表明[8]，钢绞线腐蚀对粘结强度的影响与腐蚀程度有关，当腐蚀程度不大时，腐蚀导致了摩擦作用的加强，极限粘结强度略有提高，随着腐蚀程度加重钢绞线锈涨，裂缝变宽，混凝土对钢绞线的握裹作用降低，极限粘结强度降低，提高和降低的界限大致可以按锈涨裂缝宽度为0.7mm来考虑。
2.腐蚀环境下预应力混凝土梁材料的疲劳性能
研究预应力混凝土梁在腐蚀环境下的疲劳可靠度，首先要研究预应力混凝土梁材料的疲劳性能参数描述方法。
2.1 材料的S-N曲线
5.结论
（1）处于腐蚀环境下的预应力混凝土梁，由于预应力筋及非预应力筋的腐蚀，其疲劳可靠性明显降低，目前对其的定量研究较少。
（2）本文利用一次二阶距法计算了试验梁的疲劳可靠度指标，由于其预腐蚀的时间较短，钢绞线的腐蚀深度较小，固假定腐蚀情况下钢绞线的疲劳可靠性不随时间改变，主要研究了荷载应力比对其疲劳可靠性的影响，结果表明预应力混凝土梁的疲劳可靠度指标随应力比的增大而增大，即应力幅越小，其疲劳性能越好。
（3）对于腐蚀环境中的预应力混凝土结构，在其设计中应充分考虑荷载应力比、应力幅对结构耐久性的影响。
参考文献
[1] 贡金鑫、赵国藩. 腐蚀环境下钢筋混凝土结构疲劳可靠度的分析方法[J].土木工程学报，2000，33（6）：50-56.
[2] 姚明初. 工程结构疲劳可靠度研究进展 土木工程学会桥梁及结构工程学会第七届学术会议《工程结构可靠性》
[3] 贡金鑫，王海超，李金波. 腐蚀环境中荷载作用对钢筋混凝土梁腐蚀的影响.东南大学学报，2005，35（3）：421-426
[4] 陈拴发、廖卫东、郑木莲. 腐蚀疲劳下的高性能混凝土渗透性及破坏机理[J].武汉理工大学学报，2005，27（8）：31-34