冻融与锈蚀耦合对无粘结预应力梁承载力的影响

摘要

在高湿度和高原地区，由于地区寒冷且空气湿度较大，钢筋混凝土结构经常会遭受冻融循环和钢筋锈蚀的严重侵蚀，造成不少建筑物出现混凝土脱落、钢筋裸露和锈蚀等的严重不良现象，使得相当一部分建筑物的承载力大幅度降低、性能严重劣化，甚至不得不提前退役。无粘结预应力梁由于内部钢绞线周围没有灌注砂浆，当出现超载等情况时，空气中的水蒸气和酸性气体就会进入梁体内部，较有粘结预应力混凝土梁而言，预应力构件里面的钢绞线更易遭到锈蚀。目前，无粘结预应力结构在冻融循环和钢绞线锈蚀耦合作用下的研究基本还是空白。本文结合山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地（重庆交通大学）开放基金资助项目“考虑环境条件损伤的山区PC桥梁结构性能裂化研究(项目编号:CQSLBF-Y14-13)”，探索无粘结预应力梁抗弯承载力劣化规律。主要研究内容如下:
　　①开展了钢绞线不同锈蚀率的快速锈蚀试验，以及静力拉伸试验。得到了各锈蚀率条件下钢绞线的质量损失率、名义极限强度、屈服强度和弹性模量与锈蚀率的关系，建立了与其对应的函数关系式;揭示了锈蚀后钢绞线拉伸破坏的机理。为钢绞线锈蚀条件下的无粘结预应力梁承载力计算提供了依据和参考。
　　②开展了无粘结预应力梁在不同冻融循环次数下的快速冻融循环试验，以及抗压强度试验和弹性模量试验，得到了各冻融循环次数下的混凝土质量损失率、抗压强度和弹性模量与冻融循环次数的关系，建立与其对应的函数关系式;揭示了混凝土冻融循环后力学性能的劣化原理。为冻融循环条件下的无粘结预应力梁承载力计算提供了依据和参考。
　　③开展了无粘结预应力混凝土梁的冻融循环试验和钢绞线锈蚀试验，以及二者的耦合试验，对比了钢绞线锈蚀和冻融循环导致预应力梁钢绞线的预应力损失大小，研究表明无粘结预应力梁在二者耦合条件下产生的预应力损失大于钢绞线锈蚀和冻融循环分别产生的预应力损失之和。
　　④开展了各试验条件下的无粘结预应力梁的抗弯加载试验，得到以下成果。
　　第一，钢绞线的锈蚀可使无粘结预应力梁的破坏特征具有少筋梁的破坏特点，而构件的冻融循环可使无粘结预应力梁的破坏特征具有超筋梁的破坏特点。
　　第二，钢绞线锈蚀率的大小对无粘结预应力梁的挠度发展影响是很大的，但是冻融循环次数的多少对梁挠度发展影响较小。
　　第三，各不同锈蚀率和冻融循环次数条件下的无粘结预应力梁裂缝高度均随着荷载的增加而增加，且裂缝的发展速度在裂缝出现初期较快，而后减慢。
　　第四，无粘结预应力梁仅在钢绞线锈蚀条件下受锈蚀率影响的承载力计算通式;
　　第五，无粘结预应力梁仅在冻融循环条件下受冻融循环次数影响的承载力计算通式;
　　第六，无粘结预应力梁在冻融与锈蚀耦合条件下受锈蚀率和冻融循环次数影响的承载力计算通式。同时分别对比了钢绞线锈蚀和冻融循环对无粘结预应力梁承载力影响的相对大小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 预应力构件的冻融损伤研究

1．2．2 钢筋锈蚀对结构静力性能的影响

1．3 当前无粘结预应力梁承载力研究工作的不足

1．4 论文主要研究内容

第二章 锈蚀钢绞线的力学性能研究

2．1 引言

2．2 试验研究概况

2．2．1 加速锈蚀试验

2．2．2 锈蚀后钢绞线的力学性能试验

2．3 静力拉伸试验结果分析

2．3．1 破坏形态

2．3．2 荷载-变形曲线

2．4 拉伸试验各力学性能指标的分析

2．4．1 名义极限强度

2．4．2 屈服强度

2．4．3 弹性模量

2．4．4 极限伸长率

2．5 本章小结

第三章 混凝土冻融循环后的力学性能研究

3．1 引言

3．2 冻融循环试验方法及损伤评价指标

3．2．1 快速冻融试验方法

3．2．2 混凝土冻融循环后的损伤评价指标

3．3 混凝土试块的破坏特征和各损伤指标损失规律的分析

3．3．1 混凝土破坏特征和外观损伤分析

3．3．2 混凝土质量损失规律

3．3．3 混凝土抗压强度劣化规律

3．3．4 混凝土弹性模量变化规律

3．4 本章小节

第四章 无粘结预应力梁的冻融循环与钢筋锈蚀耦合试验

4．1 引言

4．2 试验概况

4．2．1 试件设计与分组

4．2．2 压力传感器的制作与标定

4．2．3 试验所用材料及其力学性能

4．2．4 预应力混凝土构件的浇筑与养护

4．2．5 预应力施工

4．3 试验过程

4．3．1 预应力梁钢绞线锈蚀方案

4．3．2 预应力梁冻融循环试验方案

4．4 冻融与锈蚀耦合作用下的预应力损失试验研究

4．4．1 试验结果及分析

4．4．2 冻融循环与钢绞线锈蚀耦合下钢绞线预应力损失模型的建立

4．5 本章小节

第五章 冻融与锈蚀耦合试验后预应力梁静力性能试验研究

5．1 引言

5．2 加载方案

5．2．1 加载方案设计

5．2．2 加载制度

5．3 测点布置和数据采集

5．3．1 挠度测点布置

5．3．2 应变测点布置

5．3．3 裂缝观测及测量

5．3．4 数据采集系统

5．4 静力试验结果分析

5．4．1 静载试验破坏形态

5．4．2 荷载-挠度曲线

5．4．3 裂缝发展规律

5．5 本章小结

第六章 锈蚀和冻融耦合下无粘结预应力梁抗弯承载力分析

6．1 引言

6．2 无粘结预应力构件开裂荷载的计算理论

6．3 无粘结预应力构件极限承载力的计算理论

6．4 钢绞线锈蚀下的无粘结预应力混凝土梁抗弯承载能力计算

6．4．1 钢绞线锈蚀后无粘结预应力混凝土梁开裂荷载的计算

6．4．2 钢绞线锈蚀后无粘结预应力混凝土梁极限承载力的计算

6．4．3 预应力构件钢绞线锈蚀后承载能力的对比

6．5 冻融循环状态下无粘结预应力混凝土梁抗弯承载能力计算

6．5．1 冻融循环后无粘结预应力混凝土梁开裂荷载的计算

6．5．2 冻融循环后无粘结预应力混凝土梁极限承载力的计算

6．5．3 预应力构件冻融循环后承载能力的对比

6．6 冻融与锈蚀耦合状态下的无粘结预应力梁抗弯承载能力计算

6．6．1 冻融循环与钢绞线锈蚀耦合状态下无粘结预应力混凝土梁开裂荷载的计算

6．6．2 冻融与锈蚀耦合作用对无粘结预应力梁开裂荷载的影响

6．6．3 冻融循环与钢绞线锈蚀耦合状态下的无粘结预应力混凝土梁极限承载力的计算

6．6．4 冻融与锈蚀耦合对无粘结预应力梁极限承载力的影响

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果