关键词：
预应力混凝土梁
数值分析
冻融循环
锈蚀
长期性能
摘要：
预应力混凝土广泛应用于土木工程结构,其在耐久性、抗裂性、抗下挠和节省材料等方面相较于普通钢筋混凝土具有明显优势。但预应力混凝土结构同样也会遭受外界环境的侵蚀,例如冻害、锈蚀等作用,导致结构往往达不到设计使用寿命就会出现结构退化、挠度过大和承载力降低等适用性和耐久性问题,这不仅增加了后期结构的检测和维修成本,更严重时还可能出现结构过早失效,造成生命财产的巨大损失,危及人民生命安全。我国幅员广阔,北方沿海区域有众多预应力混凝土结构同时遭受冻融循环和锈蚀的双重影响。在冻融循环作用下,混凝土力学性能下降,材料的密实性降低而渗透性增强,环境中的有害离子加速渗透进入结构内部,加剧钢筋和钢绞线的锈蚀程度。随着锈蚀率的不断增大,混凝土出现锈胀开裂且裂缝不断发展,这更加速了预应力混凝土结构的劣化。因此,冻融与锈蚀共同作用下,混凝土与预应力筋材料的损伤不断积累且相互促进,预应力混凝土结构更容易出现提前失效的情况。另外,在预应力混凝土结构长期服役的过程中,结构适用性除了遭受来自外界环境耐久性劣化作用以外,混凝土与预应力筋材料自身的力学性能也会随时间发生演化,比如,材料强度,弹性模量等。在这些时变效应中,对预应力混凝土梁适用性能影响最显著、最关键的是混凝土的徐变收缩效应和预应力筋松弛效应。在长期荷载作用下,混凝土徐变收缩效应和预应力筋松弛效应会导致预应力混凝土结构中预应力损失增大,结构内力随时间重新分布,引起结构次内力,最关键的问题是会导致挠度随时间增大,严重地甚至导致结构在设计寿命内产生超限挠度。由此可见,预应力混凝土结构的长期性能并不是受单一因素的影响,而是荷载、外界腐蚀介质、混凝土徐变收缩、预应力筋松弛共同作用的影响,作用机理并非单个因素的简单叠加,而是不同因素互相促进。这些因素使结构长期行为更加复杂,在评估过程中必须综合考虑。目前关于冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土结构短期与长期研究都比较匮乏,为了弥补研究空缺,本文进行了冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期及长期受力性能数值分析研究,研究成果对以后预应力混凝土梁的耐久性评测以及安全性评估有着重要意义,也为以后预应力混凝土结构实际工程应用提供理论依据。本文主要的工作内容如下:(1)进行了冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期受力性能研究,建立了冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期受力数值分析模型。该分析模型采用塑性损伤模型模拟混凝土材料性能,运用降温法对混凝土施加预应力,并且考虑了冻融循环和锈蚀作用造成的材料损伤以及非线性,阐明了混凝土强度、锈蚀率、冻融循环次数及预应力水平等因素对预应力混凝土梁短期受力性能的影响。结果表明:预应力混凝土梁的最终破坏模式会因为冻融循环与锈蚀的严重程度不同而发生变化;冻融循环与锈蚀耦合作用下相较于单因素作用下的预应力混凝土梁的抗弯性能明显降低;冻融循环作用对梁承载力影响显著,冻融循环次数为150次的锈蚀预应力混凝土梁极限承载力相较于没有冻融循环下的梁极限承载力降低了17.9%;较高的预应力水平只会提高冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁的前期刚度,对后期挠度与极限荷载影响较小。建立的模型可用于冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期受力性能的预测。(2)基于我国现行规范以及相关文献模型,引入考虑锈蚀率和冻融循环次数的参数变量,提出冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁开裂荷载计算公式,受压与受拉破坏模式下抗弯承载力计算公式,以及冻融循环作用后的短期刚度修正公式。公式计算结果与模拟结果吻合良好,证明本文提出的公式对计算冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期受力性能具有一定的适用性。(3)开发了冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁的长期受力性能理论分析模型。分析模型考虑了混凝土徐变收缩、开裂、预应力筋松弛效应以及冻融循环和锈蚀作用造成的材料损伤。模型采用了满足叠加原理的积分型徐变收缩模型的逐步计算法,利用Magura等人提出的方程来考虑预应力筋松弛效应,运用弥散裂缝模型来考虑混凝土的开裂。最终基于未开裂混凝土的公式开发模拟裂缝在一个时间过程的数值分析模型。建立的数值分析模型可应用于冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁的长期受力性能与寿命预测。(4)基于上述分析模型,研究了混凝土徐变、收缩、预应力筋松弛、混凝土强度、锈蚀率、冻融循环次数及预应力水平对预应力混凝土梁长期时变性能的影响。结果发现,用较高强度的混凝土可以显著减小预应力混凝土梁的长期变形,混凝土等级为C35的预应力混凝土梁的长期挠度比混凝土等级为C50的梁高32.7%;冻融循环次数对预应力混凝土梁的长期变形影响最大,持荷1000天,冻融循环150次的预应力混凝土梁的长期挠度约为没有经历冻融循环梁的近4倍,预应力筋锈蚀对长期挠度几乎没有影响;预应力水平越高,越能抑制预应力混凝土梁下挠的发展,但梁的预应力损失也随之增大。
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