考虑钢束腐蚀的PC连续刚构桥寿命周期内性能分析

王晓明， 乔 超， 段瑞芳

(1. 长安大学桥梁工程研究所, 陕西 西安 710064； 2. 富平县住房和城乡建设局， 陕西 渭南 711700； 3. 陕西交通职业技术学院公路工程系， 陕西 西安 710018)

考虑钢束腐蚀的PC连续刚构桥寿命周期内性能分析

王晓明1， 乔 超2， 段瑞芳3

(1. 长安大学桥梁工程研究所, 陕西 西安 710064； 2. 富平县住房和城乡建设局， 陕西 渭南 711700； 3. 陕西交通职业技术学院公路工程系， 陕西 西安 710018)

通过分析钢绞线的锈蚀机理和性能， 在已有研究基础上， 建立氯盐侵蚀下考虑钢束腐蚀的预应力构件性能预测模型. 对PC连续刚构桥进行寿命周期性能分析， 预测钢绞线的腐蚀量和性能退化， 分析寿命周期内应力状态与承载性能的演变规律. 结果表明， 结构抗弯承载力与抗裂性能退化明显， 而抗剪承载力和抗压性能仍能达到规范要求.

钢绞线； 锈蚀； 连续刚构桥； 承载性能； 退化

0 引言

近些年， PC连续刚构桥在我国公路交通领域得到了广泛的应用. 然而， 该桥型也常伴有长期下挠、 箱梁开裂等病害， 桥梁寿命周期内的耐久性和承载安全备受人们关注. 新桥建成时具有较多的安全储备， 但在长期运营过程中， 桥梁会受到氯离子、 二氧化碳等有害侵蚀性环境的腐蚀， 使结构产生损伤， 如钢筋锈蚀、 混凝土保护层开裂等， 从而导致其承载力下降， 不能满足运营需求， 甚至产生桥梁垮塌. 总体来看， 该类桥梁承载能力出现退化大都与钢筋锈蚀密切相关.

混凝土桥梁的性能退化， 国内外已经有了大量的室内材料试验、 室外暴露试验、 实桥或结构检测结果回归等[1-7]. 将混凝土在主要侵蚀机理作用下(包括碳化、 氯离子侵蚀和冻融等)的退化过程， 归纳为四个阶段： 钢筋开始生锈、 混凝土保护层锈胀开裂、 裂缝宽度达到限值、 结构承载力达到极限， 也即混凝土劣化评定的四个准则. 本文以氯盐侵蚀为背景， 通过预测桥梁结构材料的退化时变性能， 将其引入结构承载能力评定方程中， 预测连续刚构桥承载性能的变化规律， 为此类桥梁养护提供技术支撑.

1 钢绞线的锈蚀分析

1.1 主要腐蚀类型

预应力钢绞线因与外界环境之间发生电化学反应而自身受到破坏的现象称为电化学腐蚀. 由于预应力钢绞线一般处于高应力状态， 腐蚀速度一定时， 钢绞线的截面损失比普通钢筋要快. 对于属于高强钢筋的钢绞线， 即使锈蚀率不大也会损失较多应力.

当拉伸应力和外界腐蚀环境共同作用时， 钢绞线会发生一种特殊的腐蚀断裂现象， 称为应力腐蚀. 应力腐蚀会使钢绞线发生脆性断裂， 对预应力混凝土结构的危害极大， 结构破坏前不会产生任何征兆.

1.2 钢绞线的锈蚀强度

除了损失截面， 钢绞线的锈蚀也会造成力学性能(如延伸率、 屈服强度等)的退化， 可用基于钢绞线腐蚀率的腐蚀钢绞线抗拉强度标准值的计算模型[8]进行计算， 见式(1)～(2). 对比可见， 腐蚀后梁内钢绞线的极限抗拉强度高于大气环境下的钢绞线.

大气环境：

fptk, c=1

梁内：

fptk, c=1

式中：fptk, c为腐蚀钢绞线的极限抗拉强度标准值；ftk为混凝土抗拉强度标准值；ρte为纵向受拉钢筋的配筋率.

锈蚀钢绞线的强度设计值可按式(3)[8]计算.

2 氯盐侵蚀下钢绞线的锈蚀模型

2.1 初锈时间预测

环境中的氯离子在混凝土中的传播渗透可以采用Fick第二扩散定律描述. 初锈发生在钢绞线表面的氯离子浓度达到相应的临界氯离子浓度， 去钝所需要的时间就是钢筋初锈时间. 初锈时间计算的表达式， 根据扩散理论模型定义进行推导可得式(4)

2.1.1 氯离子扩散系数的定值模型

影响扩散系数D的因素比较多， 如混凝土的组成配合比， 混凝土自身的浇筑质量， 外界环境的温度等. 当不考虑氯离子扩散系数随时间的依赖性时， 氯离子扩散系数为定值. 对具有28 d龄期的普通硅酸盐水泥混凝土的氯离子扩散系数D28可参考Life 365程序[4]计算， 见式(5).

式中：W/B为水胶比；D28为氯离子扩散系数， m2·s-1.

对于预应力混凝土结构， 氯离子扩散系数的计算就必须考虑结构所处的应力状态. 拉应力会使混凝土产生微裂缝， 从而促进氯离子的扩散速率； 压应力会使混凝土更紧密， 减缓氯离子的侵蚀过程. 试验表明， 有无应力状态下的氯离子扩散系数存在与应力值有关的线性相关性. 应力状态的氯离子扩散系数可按式(6)、 (7)计算[9].

式中：Kks代表应力影响系数；σ是混凝土应力， MPa； 受压时，α取-0.054，β取0.003， 受拉时，α取0.366，β取-0.111；Dini为无应力状态氯离子扩散系数；Dct为应力状态氯离子扩散系数， m2·a-1.

2.1.2 氯离子扩散系数的衰减规律

可用指数函数模拟氯离子扩散系数随时间的衰减规律[8， 10].

式中：D(t)为t时刻的氯离子扩散系数， m2·s-1；Di为经历时间ti后的实测氯离子扩散系数m2·s-1；n为衰减指数, 一般取0.2. 当考虑氯离子扩散系数的衰减性时， 应以30 a为限， 超过30 a便不再衰减.

2.1.3 初锈预测的相关氯离子浓度

外界环境的氯离子浓度、 钢筋锈蚀临界氯离子浓度是钢筋初锈计算非常重要的两个参数. 根据文献[7, 11], 本研究利用差值法确定了混凝土C40～C55的氯离子浓度， 分别见表1、 2.

表1 锈蚀临界氯离子浓度

表2 混凝土表面氯离子浓度

2.2 开始锈蚀后的锈蚀量预测2.2.1 既有预测模型

氯离子侵蚀环境下的钢筋锈蚀预测模型众多， 比较典型的有文献[12-13]模型、 文献[8]模型、 CECS耐久性标准模型[11].

1) 文献[12-13]模型将钢筋的锈蚀电流密度分为氧控和水控两种模型， 最终锈蚀电流密度取二者的最小值， 最后通过法拉第定律由锈蚀电流密度确定了钢筋的锈蚀速率.

2) 文献[8]模型研究表明， 随着锈蚀时间的增长， 钢筋的锈蚀电流密度就会呈现减小趋势. 该模型能较好地适用于混凝土保护层锈胀开裂前普通钢筋锈蚀的预测.

3) CECS耐久性标准模型[11]分析了氯盐侵蚀下钢筋锈蚀的全过程， 包括了混凝土保护层锈胀开裂前的钢筋锈蚀量， 及锈胀开裂后的锈蚀量. 该标准的模型能较好地适用于普通变形钢筋的全寿命锈蚀过程分析.

2.2.2 本文模型

1) 保护层锈胀开裂前的锈蚀速率. 锈蚀电流密度可按式(9)[8, 10]计算.

式中：t为钢筋初锈时间(s). 初锈时刻钢绞线的锈蚀电流密度iccor(t0)可按式(10)计算.

式中：W/C为混凝土的水灰比；c为混凝土保护层厚度， cm.

钢绞线的锈蚀速度λc可表示为：

式中: 1.3为压应力对锈蚀速率的影响系数[12-13].

钢绞线锈蚀深度为：

钢绞线的锈蚀率为：

2) 保护层锈胀开裂的临界状态. 保护层锈胀开裂临界状态所对应的钢绞线的锈蚀深度可按式(14)计算[8].

3) 保护层锈胀开裂后的锈蚀速率. 保护层锈胀开裂后钢绞线的锈蚀速度模型λc1可表达为：

式中：λc为混凝土保护层锈胀开裂前钢绞线的锈蚀速度.

3 算例分析

3.1 工程概况

某单箱单室全预应力连续刚构桥， 位于我国北方寒冷地区， 桥址周围含氯的重工业污染颇多. 其主桥跨径组合为85 m+3×160 m+85 m， 最大墩高131 m， 设计汽车荷载, 为公路一级. 箱梁混凝土为C55， 主梁混凝土压应力平均水平取0.3fck； 采用标准强度为1 860 MPa的ΦS15.20预应力钢绞线， 保护层厚度14 cm； 墩身采用C40混凝土. 年平均温度取20 ℃， 湿度取70%.

3.2 钢绞线的锈蚀计算

1) 锈蚀率预测. 结合桥址背景， 采用B类氯离子侵蚀环境对背景桥梁进行钢绞线锈蚀预测. 在给定的140 a内， 钢绞线的最终预测结果及钢绞线剩余有效面积见图1所示. 可以看出， 在t=98.98 a时钢绞线开始生锈； 在t=112.39 a时， 混凝土保护层出现锈胀开裂， 此时钢绞线锈蚀率为12.2%； 此后钢绞线锈蚀率增长趋势明显加快， 在t=140 a时， 钢绞线锈蚀率已达65%.

2) 锈蚀性能预测. 计算出预应力钢绞线的锈蚀率， 结合锈蚀钢绞线的强度评定模型式(4)， 可以分析钢绞线的锈蚀强度时变历程. 图2给出了钢绞线的强度劣化图. 可看出， 保护层锈胀开裂后， 钢绞线性能劣化趋势加剧.

图1 钢绞线有效面积与锈蚀率时变图Fig.1 Effective area and erosion rate of steel strand

图2 锈蚀钢绞线强度时变图Fig.2 Corroded strength of steel strand

3.3 桥梁承载性能退化验算结果分析

图3 验算控制截面(1/2全桥)Fig.3 Checking section (1/2 Bridge)

对依托桥梁的承载性能进行验算， 主要采用Midas civil技术和桥梁博士技术. 其中， Midas主要计算主梁抗弯、 抗裂、 抗压， 桥博主要计算主梁抗剪. 验算控制截面选取主墩墩顶、 中跨跨中、 边跨跨中截面， 如图3中的S1、 S2、 S3所示.

3.3.1 主梁正截面抗弯验算

主梁抗弯承载力不足最早发生于120 a左右， 表现为最大弯矩抗力不足， 位置发生于中跨跨中截面S2(图4). 此时钢绞线锈蚀率约为29.2%， 发生于混凝土保护层锈胀开裂后.

分析可见， ①抗力方面： 锈蚀初期结构抗力稍有增加， 以后随锈蚀率增大而减小. 对受压区配预应力筋其实有减小结构承载力的效应， 而锈蚀率较小刚好抑制了这种减小效应， 所以初期抗力稍有增加. ②内力方面： 钢绞线锈蚀还会引起结构内力的变化. 随着钢绞线锈蚀的发展， 预应力荷载效应逐渐减小. 钢绞线的锈蚀对跨中内力的影响大于对墩顶变化的影响.

3.3.2 斜截面抗剪验算

主梁的抗剪承载力随锈蚀率增大而减小， 但在140 a内均满足规范要求(图5).

图4 控制截面弯矩内力与抗力时变图Fig.4 Internal force and resistance of moment in checking section

图5 控制截面剪切内力与抗力时变图Fig.5 Internal force and resistance of shear in checking section

3.3.3 主梁抗裂验算

经验算， 正截面抗裂不足最早发生在110 a左右， 斜截面抗裂不足最早发生在105 a左右， 两者均发生于2#主墩墩顶截面(S1截面). 随着钢绞线的锈蚀， 混凝土梁内的拉应力总体呈增长趋势. 主梁抗裂不足最早发生于105 a， 钢绞线锈蚀率为7%， 并发生于混凝土保护层锈胀开裂前. 正截面抗裂验算结果见图6所示， 斜截面抗裂验算结果见图7所示.

图6 控制截面正截面拉应力时变图Fig.6 Tensile stress of normal section in checking section

图7 控制截面主拉应力时变图Fig.7 Principal tensile stress in checking section

3.3.4 主梁抗压验算

考虑钢绞线锈蚀的影响， 在140 a内， 主梁混凝土的正截面压应力及主压应力均满足规范要求. 图8为混凝土正截面法向压应力计算结果， 图9为斜截面主压应力计算结果.

图8 控制截面正截面压应力时变图Fig.8 Compressive stress of normal section in checking section

图9 控制截面主压应力时变图Fig.9 Principal compressive stress in checking section

对比可见， 墩顶截面的压应力逐渐增长； 跨中截面的压应力先下降， 再增加， 但不超过初始值. 寿命周期内各个验算截面的混凝土压应力都不超过规范限值.

3.4 验算分析结论

通过验算可以看出， 依托桥梁在设计基准期100 a内承载性能均满足规范要求. 随着氯离子侵蚀时间的增长， 钢绞线锈蚀率不断增大， 考虑锈蚀的影响， 主梁的正截面抗弯， 正、 斜截面抗裂退化性能显著， 但主梁的斜截面抗剪与主梁抗压的劣化仍在规范的允许范围内.

4 结语

分析钢筋的氯盐侵蚀腐蚀模型， 并提出改进意见. 通过依托工程对钢绞线的锈蚀量及锈蚀性能进行时变预测， 据此对依托桥梁寿命周期内的承载性能进行分析计算， 得出在考虑钢绞线锈蚀影响的基础上， 该类桥梁的抗弯和抗裂退化显著， 而主梁的抗压与抗剪退化并不显著. 对于PC连续刚构桥这种超静定结构， 钢绞线锈蚀还会引起结构内力的变化.

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(编辑： 蒋培玉)

PC continuous rigid frame bridge performance over the whole of the degradation process analysis

WANG Xiaoming1, QIAO Chao2, DUAN Ruifang3

(1. Institute of Bridge Engineering, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi 710064, China;2. Fuping County Housing and Urban and Rural Construction Bureau, Weinan, Shaanxi 711700, China;3. Department of Highway Engineering， Shaanxi College of Communication Technology, Xi’an, Shaanxi 710018, China)

The performance prediction models of PC beam under chloride erosion is proposed, by analyzing the corrosion mechanism and performance. The life cycle performance of a PC continuous rigid frame bridge is analyzed, the amount of corrosion strand and performance degradation is forecasted, the evolution of life cycle stress and bearing performance is researched. The results showed that the bending and crack resistance of concrete girders degraded significantly, while the main beam shear and compressive performance still meet regulatory requirements.

strand; corrosion; continuous rigid frame bridge; bearing performance; degradation

10.7631/issn.1000-2243.2015.04.0536

1000-2243(2015)04-0536-06

2014-05-20

王晓明(1983-)， 副教授， 博士， 主要从事桥梁安全评估与工程控制研究， wxm512061228@gmail.com

国家自然科学青年基金资助项目(51308055)； 教育部高校博士新教师基金资助项目(20130205120001)； 中国博士后科学基金资助项目(2013M532000)； 中央高校基本科研业务费资助项目 (CHD2013G1211010)

U448.25

A