基于耐久性的预应力混凝土结构研究

董圆梦

摘 要：预应力混凝土强度以及各种性能都要比普通混凝土高，耐久性也相应得好很多，出现的结构耐久性事故相对于普通混凝土少，但只要问题一出现，预应力混凝土产生的危害比普通钢筋混凝土严重的多。因此，从预应力筋锈蚀原因入手，阐述了钢筋锈蚀对结构耐久性的危害，总结了防止钢筋锈蚀的防护措施。

关键词：预应力混凝土；耐久性；钢筋锈蚀；防护措施

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）15-0145-02

1 概 述

自混凝土问世以来的很长一段时间，人们都认为混凝土性能比较好，能够保护内部钢筋不受侵蚀且自身也具有足够的强度，能保证混凝土结构具有足够的安全性、承载力和使用寿命，从而忽视了其自身的耐久性问题，由此，无论是经济还是生命财产方面都付出了很大的代价。美国等一些发达国家，提出了“全寿命经济分析”（LCCA-Life Cycle Cost Analysis）的概念，即在概念设计之初，就将结构耐久性考虑其中，采取适当的措施保证结构在其设计使用年限内的安全性、适用性、耐久性、可靠性、经济性、与环境的协调性。

预应力混凝土结构相对于普通混凝土而言，结构性能好、节材，且适用于大型、重要结构、恶劣环境等，应用前景越来越好，林同炎教授曾说：“目前是预应力混凝土世界”。但实际中预应力筋容易发生电化学腐蚀、化学腐蚀以及应力腐蚀，自开始锈蚀至失效历时时间很短，一旦发生损坏，常表现为无任何先兆的脆性断裂破坏，造成严重的损失。所以应严格注意预应力结构的耐久性问题，将其与概念设计结合在一起。做到未雨绸缪，注重前期措施，着眼长远效益。

2 预应力钢筋的锈蚀

当预应力混凝土结构保护措施不当或者当结构处于恶劣环境中时，就会出现一系列的耐久性问题，例如，冻融环境使得混凝土出现裂缝，有害物质进入混凝土内部，使得混凝土更容易发生碳化，内部钢筋也更容易锈蚀，从而钢筋有效受力面积减小，与混凝土间的“握裹力”下降，进而使得混凝土结构力学性能改变、构件承载能力下降。国外学者总结出了关于耐久性的“五倍定律” ，从中我们能够清楚的了解到耐久性问题带来的严重后果，产生的巨大经济问题。由此，我们从预应力钢筋腐蚀损害的原因着手，提出相应的预应力混凝土结构耐久性防护措施。

国外学者通过对1951～1979年间发生的242起预应力筋腐蚀损坏事故进行总结，按预应力筋腐蚀损坏的原因进行分类：防腐保护不当、采用对腐蚀敏感的预应力筋、张拉或锚固不当、受环境或侵蚀材料侵蚀、处于潮湿环境及结构构造不当分别占23%、15%、4%、23%、24%和9%。

从以上的总结可以看出，在众多影响钢筋锈蚀的因素中，防腐保护不当、受环境或侵蚀材料腐蚀、结构处在潮湿环境中是最常见的影响预应力钢筋锈蚀破坏的因素。

3 防护措施

3.1 裂缝宽度

开裂是混凝土结构最普遍的现象之一，当预应力混凝土结构处于恶劣环境中时，裂缝的产生使得有害介质更容易进入结构内部，造成钢筋锈蚀、混凝土腐蚀。因此，防止、减少裂缝的产生及发展对预应力混凝土结构的耐久性有很大的作用。大量研究表明，裂缝宽度对钢筋锈蚀速度影响并不大，但是却诱发钢筋锈蚀。而裂缝又可分为荷载作用引起的裂缝以及温度等非荷载作用引起的裂缝。

3.1.1 荷载作用裂缝

规范考虑结构所处的环境条件及环境作用等级等因素，通过规定荷载作用下裂缝宽度的限值，来保证结构的耐久性和承载能力。但由于各地结构所处的环境条件以及考虑的结构形式等不一样，各规范规定的裂缝宽度限值相应的并不一样。

①GB/T 50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》考虑结构所处环境作用等级，限制了其表面裂缝计算宽度的最大值，见表1。

BS EN 1992—1—1：2004《Eurcode 2：Design of concrete structures》中对裂缝宽度限值的规定不超过的最大值，见表2。

以上两规范对于裂缝宽度限值基本上都考虑了环境作用等级、结构受力特点，我们现在进行结构设计以及裂缝宽度计算时都考虑了荷载组合作用的影响，因此，《Eurcode 2：Design of concrete structures》中考虑的荷载作用对裂缝宽度影响的这一方面是国内应该学习的一部分。

3.1.2 非荷载作用裂缝

非荷载作用产生的裂缝也是耐久性设计不可忽视的一部分。可以从原材料、配合比、施工和养护、设计、人员等角度来进行控制。见表3。

3.2 预应力筋防护

GB/T 50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》中对后张法预应力筋的耐久性问题提出了一些构造要求及防护措施，见表4。

随后根据不同的环境类别、环境作用等级以及预应力体系的特点（体内预应力和体外预应力）采用不同的防护措施。体内预应力的基本防护措施包括PS2和PS4，体外预应力的基本防护措施包括PS2和PS3。[1]

我们可以从以上的这些方面来控制非荷载作用的影响，尽量控制预应力混凝土结构裂缝的产生和发展。

3.3 环境因素

环境因素对预应力结构耐久性影响很大，各地由于地理位置不同，环境因素划分随之也有差异。但在总体上，能够划分为5大类别：

大气环境、冻融环境、海洋环境、除冰盐等其他氯化物环境、化学腐蚀环境[1][2]。

此时，耐久性防护措施有如下几种方式：

①保证混凝土的渗透性；

②结构合理选型和细部设计合理；

③预应力钢筋的表面防护；

④使用高性能混凝土，掺外加剂；

⑤采用可更换的预应力体系；

⑥其他合理的构造措施；

⑦在设计之前，调查当地的环境条件，在设计时，充分考虑当地的环境作用。

4 结 语

①混凝土裂缝虽然对预应力筋后期的锈蚀速度影响不大，但是却会对预应力筋前期开始锈蚀产生很大的影响，因此，可以通过对裂缝限值的控制以及一些构造措施来实现对混凝土结构裂缝的控制，提高结构在服役期间的结构承载能力以及结构本身的美观。

②对于预应力筋的防护，基本上都是从混凝土结构设计、施工、养护、人员、材料等五个方面方面着手，然而，结构构件所采用的混凝土强度等级，许多情况下是由环境作用决定的，并非由荷载作用控制。而且结构处在恶劣环境作用中对混凝土结构耐久性的影响特别大，因此不能忽视环境作用对预应力混凝土结构耐久性的影响。

③不仅要注意预防常见的耐久性损坏因素，对于那些不常出现的预应力钢筋损坏因素，仍然不能忽视，预应力结构比普通混凝土结构耐久性要好，但是一旦出现损坏，其损坏程度比普通钢筋混凝土结构要严重的多。因此要注重前期措施，着眼长远效益，做到未雨绸缪。

④国外耐久性研究比国内的要早很多，例如，欧盟和美国ACI学会很早就开始了对于混凝土结构耐久性的研究，而我国最早在2002年才将混凝土结构耐久性写入规范，到2008年才有专门的一本耐久性规范，而且还不是很成熟，之后一直到现在都还没有更加完整耐久性国家规范，但是，一些高等学院正在积极进行耐久性研究，并且获得了很多的研究成果，例如大连理工大学。

因此，我们应该学习国外的一些耐久性先进经验，但同时，由于每个国家所处的地理位置、环境条件不一样，我们也要进行符合自身条件的研究并提出本国条件的混凝土结构耐久性相应措施。实现结构的六个最基本的要求（安全性、适用性、耐久性、可靠性、经济性、与环境的适应性）。在合理的施工、养护、维修等条件下，尽可能的延长结构的使用寿命。

参考文献：

[1] GB/T 50476-2008混凝土结构耐久性设计规范[S].

[2] The European Standard EN 1992-1-1：2004 Eurocode2：Design of c

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European Committee for Standardization， 2004.

[3] Walter Podolny Jr. Corrosion of Prestressing Steels and its Mitigatio

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[4] FIP State-of-the-Art Report. Corrosion Protection of Pre-stressing S

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[5] 张曙光，王晓鹏，李惠兰.钢筋腐蚀对预应力混凝土结构耐久性的影响 [J].长春工程学院学报：自然科学版，2002，（1）.

[6] 蔡跃等，影响预应力混凝土结构耐久性的因素和对策[J].建筑技术，

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[8] 李青松，蒋德稳.预应力混凝土结构耐久性初探[J].混凝土，2008，（8）.

[9] 张德峰，吕志涛.现代预应力混凝土结构耐久性的研究现状及其特点 [J].工业建筑，2000，（11）.

[10] 刘荣桂，曹大富.现代预应力混凝土结构耐久性[M].北京：科学出版

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[12] Akgül F， Dan M F. Lifetime Performance Analysis of Existing Re

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[14] 张治宇.考虑耐久性影响的预应力混凝土结构设计研究[D].杭州：浙 江大学，2008.

[15] 赵卓，曾力，贺强.一般大气环境下既有预应力混凝土结构的耐久性 研究[J].混凝土，2009，（8）.

[16] 陆春华.现代预应力结构耐久性分析及数值试验研究[D].镇江：江苏 大学，2006.