摘要：本文對國內(nèi)外預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究現(xiàn)狀進行了分析和總結(jié)，認為有必要進行大量工作來研究預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，并建議短期借鑒混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究成果。
　　關(guān)鍵詞：預應(yīng)力，混凝土結(jié)構(gòu)，耐久性，研究現(xiàn)狀
　　
　　PresentStudyonDurabilityofPrestressedConcreteStructure
　　Chenyong(ArchitecturalResearchInstituteinFuzhou350005)
　　Abstract:Inthispaper,authoranalyzesandsummarizespresentresearchresults,whichhavebeenobtainedathomeandabroadonduabilityofprestressedconcretestructures.Analysisresultsshowthatmanytasksonstudyingdurabilityofprestressedconcretestructuresshouldbedone.Authorprovidesthatresearchresultsofdurabilityofconcretestructurescouldbeusedforreferenceinshortterm.
　　Keywords:prestressedconcretestructuredurabilitypresentstudy
　　1概述
　　現(xiàn)代預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與普通混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)相比，不僅其結(jié)構(gòu)性能好而且經(jīng)濟、節(jié)材、節(jié)能，具有廣闊的應(yīng)用前景。近二十年來，預應(yīng)力技術(shù)在我國的應(yīng)用有了迅猛的發(fā)展，它已滲入到土木、建筑、水利及交通工程各個領(lǐng)域。預應(yīng)力技術(shù)己成為建設(shè)大(大跨度、大空間結(jié)構(gòu))、高(高層、高聳結(jié)構(gòu))、重(重荷載結(jié)構(gòu))、特（特種結(jié)構(gòu)，如海洋平臺、核電站、儲液池結(jié)構(gòu)等以及在鋼結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)工程、道路、地下建筑、結(jié)構(gòu)加固等工程中的特殊應(yīng)用)工程不可缺少的最為重要的一種技術(shù)。它不僅使結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越，而且能發(fā)揮材料的潛能，具有較高的經(jīng)濟效益。
　　我國房屋建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用預應(yīng)力技術(shù)的歷史相對較短，有關(guān)預應(yīng)力筋腐蝕造成整個結(jié)構(gòu)破壞的例子極少，但預應(yīng)力混凝土構(gòu)件耐久性失效的事故時有發(fā)生，例如呼和浩特鐵路局某倉庫的一榀21m跨預應(yīng)力混凝土梯形屋架的突然倒塌等。然而隨著服役期的增長，運量的不斷提高，加之設(shè)計中對耐久性考慮的不周及施工質(zhì)量的缺陷，橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題顯得更為突出[1]。據(jù)鐵道部1994年統(tǒng)計，我國正在運營的有病害橋梁共6137座，占總數(shù)的18.8%，其中預應(yīng)力混凝土橋梁2675座。在全國各地建成、在建或擬建了一大批大型橋梁，它們的使用壽命都在100年以上，而鋼筋（指普通鋼筋和預應(yīng)力鋼筋）的腐蝕則是結(jié)構(gòu)設(shè)計使用期內(nèi)一個不容回避的問題。
　　據(jù)統(tǒng)計，建筑業(yè)消耗了全世界40%的能源和資源，節(jié)約能源和資源是執(zhí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針的重要內(nèi)涵。預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)作為我國土木、水利和交通工程中應(yīng)用最為廣泛和最具潛力的一種結(jié)構(gòu)，加強其耐久性研究，對我國推行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略將有積極意義。
　　2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
　　2.1相關(guān)規(guī)范、技術(shù)規(guī)程
　　1）GB50010-2002
　　《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010-2002》適用于房屋和一般構(gòu)筑物的鋼筋混凝土、預應(yīng)力混凝土以及素混凝土承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計。它沒有闡述裂縫對耐久性的影響。提出50年結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求：最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝土強度等級、最大氯離子含量和最大堿含量。100年的結(jié)構(gòu)混凝土耐性要求除了對上述要求更嚴格外，還增加了保護層厚度、抗凍、抗?jié)B、鋼筋環(huán)氧樹脂涂層等措施，對于預應(yīng)力鋼筋、錨具及連接器應(yīng)采取專門防護措施。
　　2）ACI318-95
　　《混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范ACI318-95》廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，雖用一整章（第四章）的篇幅來闡述耐久性，但沒有闡述裂縫對耐久性的影響。而且通過限制混凝土中最大水灰比、最低混凝土強度和最大氯離子濃度來阻止鋼筋腐蝕。
　　3）AASHTOLRFD
　　AASHTOLRFD橋梁設(shè)計規(guī)范考慮裂縫使用極限狀態(tài)（第5.5.2條），5.7.3.4條中闡述了裂縫控制的具體措施，5.12部分闡述可以采用普通鋼筋環(huán)氧覆蓋或鍍鋅、預應(yīng)力鋼筋和后張管件阻止氯離子的腐蝕。
　　4）CAN3-A23.3-M84
　　《加拿大標準協(xié)會混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范CAN3-A23.3-M84》中的裂縫控制方法與ACI318-95相同。沒有明確地給出裂縫寬度限值，第10.6.4條裂縫主要通過布置普通受彎鋼筋來控制。第18.9.3.3條闡述了由于部分預應(yīng)力構(gòu)件裂縫寬度計算的不確定性和預應(yīng)力鋼筋較易腐蝕，有必要對部分預應(yīng)力構(gòu)件限制更嚴格。
　　5）OntarioHighwayBridgeDesignCode-1991
　　OHBDC中8-11部分闡述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最低要求，該部分強調(diào)鋼筋防腐的重要性。通過混凝土保護層和涂層來提高耐久性。不同的構(gòu)件在不同的環(huán)境條件下混凝土保護層厚度要求不同。需對鋼筋、錨具、體外張拉管道及其配件采用涂層來抵制含有化學物質(zhì)的水侵蝕作用。
　　6）1990年CEB-FIP規(guī)范
　　1990年CEB-FIP規(guī)范的7.4部分闡述裂縫作為一種極限狀態(tài)。抗裂設(shè)計應(yīng)使裂縫不會影響結(jié)構(gòu)功能、耐久性和外觀。該標準通過分析程序或經(jīng)驗公式來計算極限允許裂縫寬度。
　　7）BritishStandardCP110
　　《英國標準協(xié)會CP110混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用規(guī)程》闡述了裂縫作為一種極限狀態(tài)。2.2.3.2條認為混凝土開裂一般不會影響結(jié)構(gòu)的外觀或耐久性。
　　8）SIAStandard162
　　《瑞士工程師和建筑師協(xié)會混凝土結(jié)構(gòu)標準162》闡述了裂縫作為一種極限狀態(tài)。SIA標準一般采用鋼筋規(guī)格和布置形式來控制裂縫寬度，但沒有明確規(guī)定如何計算裂縫寬度。
　　9）JSCE混凝土結(jié)構(gòu)施工和設(shè)計標準
　　JSCE刊物SP-1《1986年砼結(jié)構(gòu)施工和設(shè)計標準》第1部分（設(shè)計）闡述了裂縫作為使用極限狀態(tài)。7.3部分建議控制裂縫以滿足混凝土結(jié)構(gòu)的功能、耐久性和外觀要求，并規(guī)定如何計算表面允許極限裂縫寬度。
　　2.2研究現(xiàn)狀
　　1．模型試驗
　　1）Poston,R.W.[2]
　　Poston通過試驗研究施加預應(yīng)力橋面板試件在氯侵蝕性環(huán)境中腐蝕性能，以研究了全預應(yīng)力和普通鋼筋混凝土橋面板的耐久性。非預應(yīng)力構(gòu)件和部分預應(yīng)力構(gòu)件加載至出現(xiàn)表面裂縫寬度達0.38mm，其余的預應(yīng)力試件加載至使非預應(yīng)力構(gòu)件表面產(chǎn)生裂縫寬度達0.38mm時相應(yīng)荷載而出現(xiàn)表面裂縫寬度僅0.051mm。用3.5%鹽水溶液試件浸泡2天，然后干燥9天，持續(xù)17個循環(huán)或歷時8個月。短期暴露試驗結(jié)果表明：（1）非預應(yīng)力鋼筋的腐蝕在彎曲裂縫附近開始出現(xiàn)，范圍延伸至6~10倍鋼筋（裸）直徑，其中環(huán)氧包裹的鋼筋腐蝕的程度和速率非常小。（2）對于非預應(yīng)力和預應(yīng)力構(gòu)件加載到產(chǎn)生裂縫寬度0.38mm，腐蝕的程度和速率相近，裂縫寬度達0.051mm時預應(yīng)力構(gòu)件中沒有觀察到鋼筋腐蝕。（3）預應(yīng)力對未開裂混凝土區(qū)的氯離子滲入影響很小。（4）混凝土保護層厚度影響。
　　2）Moore,D.G.,Klodt,D.T.,andHansen,J.[3]
　　作為大型試驗的一部分，Moore等進行了先張拉預應(yīng)力梁的腐蝕試驗。實驗的目的在于研究：（1）鋼筋和混凝土間孔隙的影響；（2）混凝土保護層的影響；（3）活荷載的影響；（4）混凝土中一定大小受拉裂縫的影響；（5）偶然超載的影響（荷載減小開裂使得裂縫閉合）。
　　試驗梁共16根，水灰比為0.40，混凝土保護層厚度從12.7mm~50mm，采用3.5%NaCl溶液浸泡，試驗持續(xù)10個月。試驗結(jié)果表明：（1）開裂梁腐蝕最嚴重的，裂縫寬度達0.1mm時觀察到銹坑腐蝕；（2）由偶然超荷引起的裂縫經(jīng)10個月后愈合，在這些裂縫處未發(fā)現(xiàn)腐蝕發(fā)展；（3）開裂前，荷載大小對鋼筋蝕影響不大；（4）未開裂構(gòu)件中，保護層大于38.1mm的構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)腐蝕，小于19mm的構(gòu)件均發(fā)現(xiàn)腐蝕。
　　3）Perenchio,W.F.,Fraczek,J.,andPfiefer,D.W.[4]
　　Perenchio等進行8根梁試驗研究環(huán)氧包裹絞線和裂縫對先張拉預應(yīng)力構(gòu)件耐久性的影響。其中4個構(gòu)件在靠近受拉面一側(cè)的絞線用環(huán)氧包裹，另一側(cè)則裸露；2個構(gòu)件全部環(huán)氧包裹；2個構(gòu)件全部裸露。試件在彎矩作用下表面出現(xiàn)裂縫，平均裂縫寬度為0.254mm。試驗期間對構(gòu)件背靠背成對進行加載并維持裂縫大小。用15%NaCl溶液浸泡3.5天接著干燥3.5天，試驗持續(xù)10個月。實驗結(jié)果表明：（1）裂縫寬度0.254mm的梁開始腐蝕時間提前，腐蝕程度嚴重，且構(gòu)件中未開裂部分鋼筋也有較大腐蝕；（2）本研究未得出極限裂縫寬度；（3）混凝土保護層厚度為25mm不能阻止構(gòu)件開裂或未開裂部分中鋼筋腐蝕；（4）暴露期間環(huán)氧包裹的絞線未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。
　　4）J.S.West,C.J.Larosche,B.D.Koester,J.E.Breen,M.E.Kreger[5]
　　J.S.West等共進行了27根后張預應(yīng)力梁和10根后張預應(yīng)力柱長期耐久性試驗以研究后張預應(yīng)力通過控制裂縫來提高耐久性以及腐蝕保護措施，試驗時間持續(xù)近三年。試驗結(jié)果表明：后張預應(yīng)力可以有效地控制裂縫，可以提高耐久性，開裂的試件腐蝕較為嚴重且試件中開裂腐蝕比未開裂處嚴重；采用了多種力筋腐蝕測試方法，并揭示力筋腐蝕的經(jīng)時模型；可以通過采用粉煤灰、高性能混凝土和環(huán)氧涂層等措施來提高耐久性。
　　5）呂志濤等課題組[6]
　　東南大學呂志濤等開展預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)力水平下的碳化試驗，研究在碳化侵蝕環(huán)境下應(yīng)力狀態(tài)、水灰比、保護層厚度等因素對混凝土碳化速率的影響（碳化時間為90天），并借鑒已有的研究成果，建立混凝土碳化深度預測模型；開展預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)力水平下的氯離子侵蝕試驗，研究在鹽霧侵蝕環(huán)境下受力狀態(tài)及水灰比等因素對氯離子傳輸速率的影響（鹽霧中NaCl濃度為5%）；分析預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)裂縫狀態(tài)下力筋腐蝕的機理，揭示裂縫及其開展寬度與力筋腐蝕間的關(guān)系。
　　2.實際工程拆下的損傷構(gòu)件試驗
　　1）Timonthy等[7]
　　Timonthy等從Fargo的一座橋下拆下一根后張預應(yīng)力混凝土梁研究34年后的狀況。進行了無損和材料試驗接著鑿開后張構(gòu)件，僅發(fā)現(xiàn)后張絞線、金屬管道和錨具局部銹蝕。
　　2）Y.Labia等[8]
　　美國內(nèi)華達州大學Y.Labia等在1996年5月完成了美國國家科學基金資助項目“整體預應(yīng)力混凝土箱形梁的評估和修補”，在該項目中共完成了三批預制后張跨度為21.33m的箱形梁的測試。研究內(nèi)容有：①測試預應(yīng)力混凝土橋梁的強度和適用性能,以與現(xiàn)行規(guī)范公式進行比較。通過研究發(fā)現(xiàn)這些梁測量的極限荷載與規(guī)范預計值吻合較好,但是延性和預應(yīng)力損失與規(guī)范預計值差別較大。②測試預應(yīng)力筋的修補方法和評估在設(shè)計疲勞荷載和重復施加的靜荷載作用下的預應(yīng)力梁強度。研究發(fā)現(xiàn)超載將明顯降低梁的疲勞壽命，通過研究發(fā)現(xiàn)預應(yīng)力筋損傷的主要原因是由于車輛超載和腐蝕。
　　3結(jié)語
　　綜上所述，世界范圍內(nèi)有關(guān)預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究很少，國外可見于文獻的試驗只有寥寥幾個，且大部分試驗為短期試驗時間不超過三年，國內(nèi)關(guān)于預應(yīng)力混凝土方面的試驗幾乎為零，尚需進行大量的工作，建議短期借鑒混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究成果。
　　
　　參考文獻
　　
　　[1]萬德友,張煅等，我國鐵路橋梁及墩臺狀態(tài)評估技術(shù)現(xiàn)狀與展望，中國鐵道學會橋梁病害診斷及剩余壽命評估學術(shù)研討會，大連，1995，5
　　[2]PostonR.W.，“ImprovingDurabilityofBridgeDecksbyTransversePrestressing”，DoctorofPhilosophyDissertation，TheUniversityofTexasatAustin，December1984
　　[3]Moore,D.G.，Klodt,D.T.，andHansen,J.，“ProtectionofSteelinPrestressedConcreteBridges”，NCHRPReport90，1970
　　[4]Perenchio,W.F.，F(xiàn)raczek,J.，andPfiefer,D.W.，“CorrosionProtectionofPrestressingSystemsinConcreteBridges”，NCHRPReport313，F(xiàn)ebruary1989
　　[5]J.S.West，C.J.Larosche，B.D.Koester，J.E.Breen，andM.E.Kreger，“State-of-the-ArtReportaboutDurabilityofPost-TensionedBridgeSubstructures”，ResearchReport1405-1，October1999
　　[6]張德鋒，預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究：[學位論文]，南京：東南大學
　　[7]TimothJ.Dickson,HabibTabatabai,DavidA.Whiting,Ph.D.，“CorrosionAssessmentofa34-Year-OldPrecastPost-TensionedConcreteGirder”，PCIJournal，November-December1993：44-51
　　[8]Labia,Y.V.，Saiidi,M.，andDouglas,B.，“EvaluationandRepairofFull-ScalePrestressedConcreteGirders”，CCEER-96-2，UniversityofNevada，Reno，NV，May1996