预应力混凝土结构耐久性研究综述

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发布时间：2021-09-04

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预应力混凝土结构耐久性研究综述
李富民，邓天慈，王江浩，罗小雅
(中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏徐州 221116)
摘要：针对预应力混凝土结构耐久性的现实问题和未来矛盾日益突出的趋势，对预应力混凝土结构
耐久性的研究进展进行了系统梳理和总结。提出了预应力混凝土结构耐久性的研究体系，包括研
究背景、对象、思路、目标、科学问题、技术问题、内容、技术路线等；对预应力混凝土结构耐久性问题
的研究现状分5个方面进行了综述，包括混凝土损伤有关耐久性问题、预应力钢筋腐蚀有关耐久性
问题、锚固连接体系腐蚀有关耐久性问题、耐久性测试和提升及试验技术、耐久性数值模拟技术；提
出了7个有关预应力混凝土结构耐久性研究尚需进一步解决的问题，即环境作用定量模型、腐蚀介
质传输行为、腐蚀疲劳损伤演化模型、锚固连接体系腐蚀行为、岩土预应力结构的腐蚀行为、耐久性
提升技术、耐久性数值模拟技术。所做研究可为进一步拓展和完善预应力混凝土结构耐久性研究
提供参考。
关键词：预应力混凝土结构；耐久性；综述；研究体系；腐蚀；损伤演化
中图分类号：TU378 文献标志码：A
Review of Research on Durability of Prestressed Concrete Structures
LI Fu—min，DENG Tian—ci，W ANG J iang—hao，LUO Xiao-ya
(Jiangsu Key Laboratory of Environmental Impact and Structural Safety in Engineering，
China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，Jiangsu，China)
Abstract：Aimed at the existing problems and future requirements on the durability of prestressed
concrete(PC)structures，the research proceeding on durability of PC structures was summarized
systematically and analyzed． The research system of the durability of PC structures was put
forward，where the research background，objects，clue，aim，scientific issues，technological
issues。contents and technical 1ines were concerned in． The state—of—the—art of the research was
reviewed as five parts： the issues of durability about the damage of concrete，the issues of
durability about the corrosion of steel bars， the issues of durability about the corrosion of
anchorage and joint system，the technology of testing，raising and experiment of durability，and
the technology of numerical simulation of durability． Seven issues about the durability of PC
structures， which needed more research work， were suggested． The issues included the
quantitative m odels of environmental action，the transporting behavior of corrosive medium s，the
evolving models of corrosion fatigue damage，the corrosion behavior of anchorage and joint
system，the corrosion behavior of geotechnical PC structures，the technology of raising durability
and the technology of numerical simulation of durability． The study can provide references for
further expanding and improving the research work on durability of PC structures．
收稿日期：2014—11-I2
基金项目：国家自然科学基金项目(51178454)；徐州市科技基金项目(XM13B125)
作者简介：李富民(1972一)，男，甘肃静宁人，教授，博士研究生导师，工学博士，E—mail：lfmfm@ 163．corn。
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2 建筑科学与工程学报 2015鱼
Key words：prestressed concrete structure；durability；review ；research system ；corrosion；dam—
age evolution
IJ 引昌
由于预应力混凝土结构采用较高强度等级的混
凝土以及力筋拥有多道保护层体系，因此曾被认为
具有优良的耐久性能，然而现实情况并非如此乐观。
在侵蚀环境(尤其氯盐环境)下，对于先张法体系、抽
芯成孔或金属波纹管成孔的后张法体系中，良好的
保护层体系对力筋的腐蚀只能起到延缓作用而并不
能起到阻止作用，腐蚀介质穿过保护层体系(包括腐
蚀透金属波纹管)到达力筋表面只是一个时间问
题n]，而这种延缓作用其实远不能完成许多预应力
工程所承载的“百年大计”之使命；更为甚者，后张预
应力混凝土结构还存在着灌浆质量无法保证(包括
先进的真空辅助灌浆工艺[e-a])这一关键问题，这使
得即使在塑料波纹管体系中也有可能会发生力筋的
腐蚀问题_4]。另一方面，预应力混凝土结构中混凝
土的应力水平往往较高，因而对碱一骨料反应以及冻
融循环作用的破坏更为敏感。
近年来，各国已有不少学者对预应力混凝土结
构耐久性问题展开了研究，并取得了阶段性研究成
果，本文将尽可能详尽地对这些成果进行梳理和总
结，以期为进一步拓展和完善预应力混凝土结构耐
久性研究工作提供参考。
预应力混凝土结构耐久性问题属于结构工程科
学中的一个分支问题，它必然有其来龙去脉和纵横
关联，为此，本文首先提出预应力混凝土结构耐久性
的研究体系，以期采用这个体系作为参照，在综述既
有各项研究成果时能够明确其来自何源，去向何处，
能够明确其纵横关联关系，并从中提炼出进一步需
要解决的问题及其研究思路。
1 预应力混凝土结构耐久性研究体系
1．1 研究背景
1．1．1 既有预应力混凝土结构已存在较为严重的
耐久性问题
自从二战之后预应力混凝土结构大量使用以来
至今将近7O年的时间内，世界范围内已出现大量预
应力混凝土结构耐久性失效的事故，其中预应力钢
筋腐蚀引起的破坏占绝大多数。Schupack_5 于
1978年提出的一份关于后张力筋(结构)耐久性能
的调查报告表明：在195O～1977年的28年期间，世
界范围内共发生28起著名的因后张力筋腐蚀导致
整体结构破坏的工程实例。1982年Schupack等 ]
的另一份关于美国预应力体系腐蚀脆断的调查报告
表明：在1978~1982年的5年间，仅美国就有5O幢
结构物出现了不同程度的力筋腐蚀现象，其中10起
严重的脆性破坏是由于应力腐蚀或氢脆引起的。
国际预应力协会(FIP)[7]，根据文献及政府机
构的报道统计得到，在1951～1979年的29年期间，
世界范围内至少发生242起预应力筋腐蚀损坏的事
故，这些事故遍布各种类型及各种工艺的结构物；引
起腐蚀损坏的原因也各种各样，有来自内在的因素，
如力筋或锚具的防腐保护不当，张拉或锚固不当，采
用了对腐蚀敏感的预应力筋等，也有来自外在的因
素，如处于潮湿环境，受环境或侵蚀性内盛物侵蚀的
影响等。
作为地下预应力结构的预应力锚索(杆)，其工
作环境中往往存在着大量以水为载体的腐蚀性介
质，再加上该类结构自身特有的复杂构造特点，保护
浆体受拉开裂，高难度施工控制以及施工和维护的
高隐蔽性等特点，使得锚体腐蚀问题十分突出l8]。
截至1986年，FIP的地锚工作小组就已收集到35
起因腐蚀造成锚索(杆)断裂的著名事故 ]。
1．1．2 预应力混凝土结构服役于恶劣环境的情况
日趋普遍
随着人类活动空间的不断拓展，需要在恶劣环
境中服役的工程结构日益增多。近年来，各国正在
和即将大量兴建的跨海大桥、海底隧道、海港码头以
及沿海地区、除冰盐地区、盐碱地区兴建的高速铁
路、高速公路、桥梁、工业建筑等重大工程都广泛采
用预应力混凝土结构，这些结构所处的环境不仅侵
蚀作用强度高，而且往往还存在多种侵蚀作用耦合
并存的现象[1 。严酷的侵蚀环境使得这些结构不
可避免地存在耐久性问题。
1．1．3 预应力混凝土结构高耐久性的需求在不断
增多
预应力混凝土结构具有优越的承载能力和使用
性能，因而往往被用来建造大(大跨、大型)、高(高
层、高耸)、重(重载)、特(特种)等重要工程，这些工
程投资大，使用要求高，社会影响广泛，因而往往需
要具有更高的耐久性水平，如杭州湾跨海大桥和胶
州湾跨海大桥的设计使用寿命均为100年，而港珠