体外预应力混凝土结构耐久性防护问题的探讨.pdf

4卷第 4期 2 0 0 7年 8月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF R AI y S CI E NCE AND E NGI NEE RI N G V o 1 4 No 4 A u g 2 0 0 7 体外预应 力混凝 土结构 耐久性 防护 问题 的探讨 刘少兵 ， ( 1 湖南省建筑3 - 程集团总公司， 湖南 长沙 4 1 0 0 0 4 ； 2 中南大学 土木建筑学院， 湖南 长沙4 1 0 0 7 5 ) 摘要： 运用化学及结构振动原理 ， 阐述了体外预应力筋腐蚀破坏机理， 分析 了体外预应力筋振动频率对梁正常使用的影 响。在 以上基础上 ， 针对体 外预应 力混凝土结构在耐 久性 方面存在 的问题 ， 提 出了体 外预应 力筋 系统耐 久性 防护 的技 术措 施 。 关键 词 ： 预应力混凝 土； 体外预应力 ； 耐 久性 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 7 ) 0 4 0 0 6 1 04 St u d y o n d u r a b i l i t y o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e s t r u c t u r e wi t h e x t e r n a l t e n d o n s ( 1 H u n a n C o n s t r u c t i o n E n g i n e e fi n g G r o u p C o r p o r a t i o n ， C h m l g s h a 4 1 0 0 0 4 ， C h i n a ； 2 S c h )l o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ，C e n t r a l S o u l h U n i v e s i t y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e t h e o r i e s o f c h e mi s t r y a n d a h s k i n g s t r u c t u r e， t h e c o r r o s i o n a n d d a ma g e me c h a n i s m o f e x t e ma l l y p r e s t r e s s e d t e n d o n s W a S a d d r e s s e d a n d t h e i mp a c t o f v i b r a t i o n f r e q u e n c y o f e x t e ma l l y p r e s t r e s s e d t e n d o n s o n n o r ma l u s e o f c o n c r e t e b e a ms wa s a n a l y z e dOn t h i s b a s i s o f a n a l y s e s ，t h e t e c h n o l o g i c a l me a s u r e s t o p r e v e n t t h e e r o s i o n o f e x t e r n a l l y p r e s t r e s s e d t e n d o n s a n d t o i mp r o v e t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e we r e c o mme n t e d a i mi n g a t t h e p rob l e ms wi t h t h e d u r ab i l i t y o f e x t e ma l l y p r e s t r e s s e d t e n d o n s Ke y wo r d s： p r e s t r e s s e d c o n c r e t e；p r e s t r e s s e d c o n c r e t e wi t h e x t e ma l t e n d o n s ；d ur ab i l i t y 预应力混凝土结构是混凝 土结构领域 内的一 门新兴的科学技术 。预应力技术被广泛应用于大 悬臂结构 、 大跨空间结构 、 特种结构 、 转换层 、 锚杆 及加 固等领域 。体外预应力混凝土结构是指预应 力筋布置在混凝土构件截面以外的预应力结构 ， 是 现代预应力结构体系的一个重要新兴分支 ， 其概念 及方法产生于法 国， 由 E n g e n e F r e y s s i n e t 完成 了体 外预应力的首次应用 ， 与之相对应的即为传统的将 预应力筋布置在构件截面 内部 的一般预应力混凝 土结构。体外预应力与传统预应力体系相 比较 ， 具 有很多优点。体外 预应力现阶段主要应用 于预应 力混凝土桥梁 、 特种结构和大跨度建筑工程结构及 加固和维修等工 程中， 所 以， 一旦 由于其 自身 的腐 蚀破坏而导致结构失效 ， 则产生的危害与影响会相 当大。因此 ， 确保体外预应力混凝土结构的耐久性 极其重要。而影 响体外预应力混凝 土结构耐久性 的重要 因素之一 ， 就是体外预应力筋 的腐蚀破坏。 传统预应力体系的耐久性 防护普遍采用灌浆材料 封堵或套管加填充材料防腐 ， 应用十分普遍。本文 重点阐述体外预应力筋的防腐问题 ， 并提出体外预 应力筋系统的常用防护措施。 1 体外预应力筋腐蚀破坏机理及防 护技术措施 按照体外 预应力钢筋混凝土结构的周 围侵蚀 介质所发生的作用 ， 体外预应力筋的腐蚀破坏机理 与普通混凝土结构 的钢筋腐蚀一样 ， 可分为化学腐 蚀和电化学腐蚀 2类。 1 1 化学腐蚀 体外预应力筋 的化学腐蚀多数是氧化作用 ， 它 是由非 电解质 溶液或 各种 干燥气 体 ， 如 o ， C O 2 ， S O 2 ， C L 2 与 H 2 s等所引起 的一种纯化学性 的腐蚀 ， 收稿 日期 ： 2 0 0 7 0 51 6 作者简介 ： 刘少兵 ( 1 9 6 4一) ， 男 ， 湖南安 乡人 ， 高级经济师 ， 博士研究生 ， 从事土木工程规划与管理的研究 维普资讯 6 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 7年 8 月 在钢材表面形成松散 的氧化物。特别是体外预应 力筋在周围介质温变和湿变较高的条件下 ， 腐蚀进 行得很快。 1 2 电化学腐蚀 电化学腐蚀是体外预应力筋与电解质溶液接 触后 ， 由于产生 电化学作用 ， 即预应力筋其两点处 的材质和环境的差异而产生的电位差 ， 在不同电位 的区段之间形成阳极 和阴极。其反应如下。 阳极 ： 一瞎 +2 e 。 阴极 ： 1 吸氧还原： 2 e+ H 2 0+ 去0 2 - - 2 0 H一 ； 厶 析氢还原 ： H 2 0+H +e 一 +H a d +H 2 0 通过 以上阳极反应和阴极反应将导致体外预 应力筋钝化膜脱落的腐蚀破坏。 研究表明 ， 腐蚀破坏主要取决于周 围介质的性 质 ， 但体外预应力筋 的组织 成分对腐蚀影 响也很 大 。如何保护预应力 筋不 因腐蚀影响结构 的耐久 性是一个很有意义的问题。 2 体外预应力筋的防腐 体外预应力筋是体外预应力混凝土结构的主 要受力构件， 它通过锚具将预应力传递给主体结 构 ， 通过转 向块实现转向， 它们 的耐久性决定 结构 的耐久性 ， 所 以， 有必要采取 防护措施来保护体外 预应力筋 、 锚具和转 向块。 目前 ， 体外预应力筋的 防腐主要采取以下几种方式。 2 1 保护层防腐 钢材总是在腐蚀介质的条件下服役 ， 因此 ， 隔 离( 或减缓) 钢基 的介质腐蚀是钢材防腐 的一个重 要形式。体外预应力筋按防腐保护层种类的不同 ， 可分为以下 2 种 。 2 1 1 金属保护层防腐镀锌防腐 镀锌是体外预应力筋 中广泛采用的一种金属 保护镀层防腐方法。镀锌防腐 实际是一种牺牲阳 极的阴极保护法 ， 在腐蚀介质 中， 锌原子失去 电子 变为阳离子而发生腐蚀 ， 从 而使作为阴极 的钢筋受 到保护。镀锌一般采用热浸镀锌工艺。这种方法 造价较低 ， 结构简单 ， 运营时索 的更换及 内力调整 都比较简单 、 方便 。但是 ， 这种方法的缺点 比较多 ： ( 1 ) 钢绞线或钢丝本身强度降低。热镀锌层技 术需在 4 O O左右的温度条件下才 能使锌层与钢 绞丝或钢丝表面熔 为一体 ， 从 而造成钢绞线或钢 丝本身强度降低。 ( 2 ) 引起“ 氢脆” 。由于镀锌是采取牺牲阳极保 护法 ， 可能产生氢 ， 引起氢脆 ， 反而加速破裂， 这种 情况尤其在不含氧的非氧化酸性环境中容易发生。 ( 3 ) 镀锌钢筋易被刮伤。镀锌钢筋直接裸露于 环境中， 容易被刮伤 ， 不利于体外预应力筋防腐。 ( 4 ) 污染环境。体外预应力筋的镀锌防腐对环 境造成污染。 2 1 2 非金属保护层防腐环氧树脂涂层防腐 体外预应力筋的非金属保护层主要采用环氧 树脂涂层 。具体方法有 2种 ： ( 1 ) 仅在绞线表面喷涂环氧涂层 ， 不填充钢 丝 间的缝隙； ( 2 ) 将钢绞线打开喷涂后再闭合， 钢丝间的空 隙也填充环氧树脂 ； 这样 ， 可 以防止湿气通 过 中心丝周 围空隙进 入 。 环氧树脂涂层钢绞线具有 以下优点 ： ( 1 ) 对钢绞线本 身的性能不造成影响， 而且环 氧涂层钢绞线的疲劳强度不低于裸钢绞线的疲劳 强度。原因在于环氧树脂涂层钢绞线采用电涂层 或低温溶涂技术 ； ( 2 ) 比镀锌防腐体系的防腐蚀性强 。由于环氧 喷涂层兼具防止 阳极和阴极反应 的能力 ， 所 以， 采 用该方法所具有的防腐蚀性 比镀锌防腐体系 的防 腐蚀性强 ； ( 3 ) 使用期 内可 以调整索力或更换索。 2 1 3 套管加填充材料 防腐 这种方法是在索的外面加套管 ， 待张拉完预应 力筋后 ， 在套管内灌注填充材料。这种防腐系统增 加了 2 层 防腐屏 障( 填充材料 和套管 ) ， 因此 ， 防腐 性能优于第 1 种 ， 但造价也较高。 该防腐系统 的索主要有镀锌钢丝或钢绞线 、 环 氧涂层钢绞线 、 裸钢丝或钢绞线等。 这种防腐系统的套管可以是钢套管、 塑料套管 或钢管加强 的塑料套管 、 不锈钢或铜 皮包装材料 等 ， 具有如下特点： ( 1 ) 钢管强度高 ， 保护钢绞线或钢丝能力强 ， 但 本身存在防腐问题 ； ( 2 ) 塑料套管一般采用聚氯乙烯套管。塑料套 管的耐腐蚀性强， 但存在老化开裂问题。 2 1 4 灌浆材料 灌浆材料分为刚性灌浆材料 和非刚性灌浆材 料。 水泥浆是最简单 、 最常用 的灌浆材料， 且材料 费用较低 ， 具有如下特点 ： ( 1 ) 水泥浆体可以给预应力钢束提供碱性环 境， 使其表面形成致密的氧化膜， 而且由于有套管 的保护 ， 水泥浆也不易被碳化 ； ( 2 ) 水泥浆容 易离析 、 干缩后收缩 、 析水 ， 从而 导致孔隙产生 ， 不利于预应力筋的防腐 ； ( 3 ) 体外索一般不能更换。 维普资讯 第 4期 刘少兵 ： 体 外预应力混凝土结构耐久性 防护 问题 的探 讨 6 3 非刚性灌 浆材料有石蜡 和油脂 ， 具有 如下特 3 2 减振措施 点 ： ( 1 ) 体外索可以重新张拉或更换 ； ( 2 ) 非刚性防腐化合物的膨胀会引起作用在外 套管的附加应力 ； ( 3 ) 油脂升温后的膨胀可能导致油脂泄漏。 2 1 5 采用单股无粘结钢绞线 单股无粘结钢绞线 是将钢绞线挤 入 P E套管 并内充油脂而形成 ， 具有如下特点 ： ( 1 ) 自身具有防护系统 ， 可以不用 管道而单独 使用 ， 也可以外面加套管 ， 并充人灌浆材料构成具 有多重防护功能的防护系统 ； ( 2 ) 无粘结钢绞 线直接在工厂生产 ， 不仅提 高 质量 ， 而且提高钢绞线在运输 、 存储 、 安装过程的耐 腐蚀性 ； ( 3 ) 采用无粘结钢绞线作 为体外预应力筋时 ， 锚固区预应力筋的外套管的区段需进行重新防腐 ； ( 4 ) 单股无粘结 钢绞线外加套管 的结构 ， 无论 采用刚性灌浆材料还是非刚性灌浆材料 ， 均可进行 索力调整及单根索或整束索更换 ； ( 5 ) 采用这种防腐系统的体外索能抵抗较高 的 疲劳负荷 ， 而且防腐能力强 ， 可以用于 比较恶劣 的 环境 中 。 3 体外预应力筋 的振动频率及减振 措施 3 1 振动频率 体外预应力筋仅在锚具和转向蚀处受到约束 ， 当梁受到活荷载作用时 ， 转 向块( 锚 固端) 问的预应 力筋就可能产生独立于梁的振动。 设定预应力筋按预应力筋纵向振动， 梁按弯 曲 振动 ， 则预应 力筋 的自振圆频率为 ： = 梁的 自振圆频率为 ： = 。 当式 ( 1 ) 和( 2 ) 中自振圆频率相等或接近 ， 即梁 高为 时 ， 体外预应力筋和梁就能产生共振现象。共振不 仅影响梁的正常使用， 甚至导致体外索断裂， 梁破 坏 。因此 ， 应采取构造上的措施 ， 避免梁 和体外索 发生共振 。 ( 1 ) 可通过转向块位置设计或转向块问增设减 振装置将索与混凝土梁固定起来的方法 ， 来改变体 外索 自由段长度 ， 从而改变体外索的固有频率 ， 避 免梁和体外索的固有频率相近 ， 防止共振 。 ( 2 ) 采用振动理论计算固有频 率时， 为安全起 见 ， 应放大梁和钢绞线 的频率差范围， 二者的固有 频率应在 0 71 4以外。 ( 3 ) 对重要或复杂的结构， 应进行测试 。 4 转 向块与锚具 的防腐 转向块是实现体外预应力筋转向的重要构件 ， 如果转向块破坏 ， 体外预应力筋就失 去了作用， 因 此 ， 转 向块 的耐久性决定体外预应力筋的使用和耐 久性 。 4 1 转向块 转向块由转向器及转向结构构造 2部分组成 。 4 1 1 转 向器 以钢管转 向器为例 ， 其防腐措施如下 ： ( 1 ) 保证钢管周围混凝土的密实性及钢管混凝 土保护层的厚度 ； ( 2 ) 对于裸露于空气 中的钢管表 面， 应涂 防水 材料或防腐涂层 ； ( 3 ) 对于箱形梁结构 ， 要避免箱形梁内积水 ， 以 防转向钢管腐蚀 ； ( 4 ) 转向钢管的弯曲半径应满足最小弯曲半径 的要求 ， 以免损坏体外预应力筋和聚乙烯套管； ( 5 ) 钢管在转 向块中的位置必须准确且牢 固定 位， 以减少体外索在转 向块处的摩擦损失 ； ( 6 ) 若转 向钢管通过 P E套 管直接相连 ， 则 连 接处可以通过缠绕胶带保证密封性。 4 1 2转 向 结构构 造 ( 1 ) 转向块 的混凝土结 构应进 行局部承压 设 计 ， 以使转 向块能够承担体外预应力筋传来的横向 和竖向集中力。 ( 2 ) 严格控制施工质量 ， 以保证转 向块处混凝 土的密实性和强度。 4 2 锚具 与有粘结体 内预应力结构不同， 体外预应力结 构的锚 固一旦破坏 ， 体 外索 的预应力就会丧失 ， 因 此 ， 锚具是体外预应力结构的关键构件。下面分别 按不同功能 的锚具 ， 介绍其防腐措施。 4 2 1 不可调 整 索力 的锚 具 ( 1 ) 将锚头设 在梁端预留的锚穴 内， 锚 固后用 互 维普资讯 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 7 年 8月 水泥砂或环环氧砂浆密封； ( 2 ) 槽 口内壁在浇筑砂浆前宜涂环氧树脂类粘 结剂 ， 以加强新老材料间的粘结， 防止干缩裂缝。 4 2 2 可调整索力或可更索的锚具 ( 1 ) 锚头外部罩以可以开启的防护罩， 内充防 腐油脂或石腊； ( 2 ) 锚具裸露在空气中的部分或承压板 的表面 应涂防水材料 。 5 结语 ( 1 ) 体外预应力筋系统包括 体外预应力筋、 锚 具和转向块， 它们的耐久性直接决定体外预应力结 构的耐久性 ； ( 2 ) 体外预应力筋的防腐方法包括保护层防 腐 、 套管防腐和采用单股无粘结钢绞线 3 种， 其中， 套管防腐性能优于保护层防护， 但造价也较高， 采 用单股无粘结钢绞线的体外索能抵抗较高的疲劳 负荷， 而且防腐能力强， 可以用于比较恶劣的环境 中。 ( 3 ) 体外预应力筋防腐方法的选用应综合考虑 环境条件、 索是否需要重新再张拉或更换、 结构类 型、 结构的重要性和经济性等因素， 如： 恶劣环境要 求采用第2 种或第 3 种防腐措施、 干燥无腐蚀环境 可以采用第 1 种防腐措施 ， 采用不可更换体外预应 力筋的防腐等级等级可选较高等级， 永久结构要采 用等级较高的防腐体系。 ( 4 ) 可通过转 向块位置设计或转向块间增设减 振装置将索与混凝土梁固定起来 的方法 ， 来改变体 外索自由段长度， 从而改变体外索的固有频率， 避 免梁和体外索的固有频率相近 ， 防止共振。 ( 5 ) 转向块 由转 向器和转向结构构造 2 部分组 成， 是实现体外 预应力筋转 向的重要构件 ， 其耐久 性决定体外预主应力筋的使用效果和耐久性 ； ( 6 ) 锚具是体外预应力结构的关键构件 ， 锚 固 部分的防腐能力与锚具端头封堵材料的质量及施 工质量关系密切， 应严格控制。 参考文献 ： 1 熊学玉， 黄鼎业 预应力工程设计施工手册 M 北京 ： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 3 X I O NG Xu e - y u，HU A NG Di n g - y e De s i g n a n d c o n s tr u c t io n h a n d b o o k f o r p r e s t r e s s e d e n g i n e e r i n g M B e i j i n g ： C h i n a A r - c h i t e c t u r e a n d B u i l d i n g P r e s s ， 2 0 0 3 2 郑玉庆，卜 伟筠， 周海浪， 等 体外预应力梁的振动问题 研究分析 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 2 ， 9 ： 7 5 7 8 Z H E NG Yu - q i n g ，B O We i y u n ，Z HOU Ha i l a n g Vi b r a t i o n mo d e l s a n a l y s i s o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a m w i t h e x t e r n a l t e n d o n s J J B u i l d i n g S c i e n c e R e s e a r c h o f S i c h u a n ， 2 0 0 2 ， 9 ： 7 57 8 3 金伟 良， 赵羽习 混凝土结构耐久性 M 北京： 科学出 版社 ， 2 0 0 2 J I N We i l i a n g ， Z HA O Y u - x i T h e d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e s t r u c t u r e l MJ B e ij i n g ：S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 2 4 李国平 桥梁预应力混凝土技术及设计原理 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 4 L I Gu o - p i n g T e c h n o l o g y a n d d e s i g n p r i n c i p l e f o r b r i d g e p r e s t r e s s e d c o n c r e t e M B e ij i n g ： P e o p l e s J i a o t o n g P r e s s ， 2 0 0 4 5 王海良， 张庆海 体外预应力混凝土梁式桥的施工方法 J 铁道建筑， 1 9 9 8 ， 5 ： 8 9 WA N G H a i l i a n g ，Z H A N G Q i n g - h a i C o n s t r u c t i o n m e t h o d s f o r b e a m s t y l e b d d g e o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e w i t h e x t e r n a l t e n d o n s r a i l w a y e n g i n e e ri n g， 1 9 9 8， 5 ： 89 6 余志武， 谈遂 预应力混凝土桥梁施工控制结构分析 计算方法 J 2 O O 6 ， 3 ( 6 ) ： 7 1 3 Y U Z h i w u，T A N S u i An a l y s i s a n d c o mp u t a t i o n me t h o d o f s t r u c t u r e f o r t h e c o n s t r u c t i o n c o n t r o l o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b r i d g e J 2 0 0 6 ， 3 ( 6 ) ： 7 1 3 7 熊学玉， 吴学淑 体外预应力混凝土结构耐久性问题探 讨 J 工业建筑， 2 0 0 4 ， 7 ： 2 0 2 4 XI O NG Xu e - y u，WU X u e - s h u T h e s t u d y o n t h e d u r a b i l i ty o f e x t e rn a l l y p r e s t r e s s e d c o n c r e t e s t r u c t u r e J I n d u s t r i a l C o n s t mc t i o n， 2 0 0 4， 7： 2 02 4 8 A H尼尔逊英 过镇海等译混凝土结构学 M 北京： 中 国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 3 N e i l s o n A H 1 1 a e t h e o r y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e l MJ B e i j i n g ： C h i n a Ar c h i t e c t u r e a n d B u i l d i n g P r e s s ， 2 0 0 3 9 Ma h mo u d M，T a h a ，S h r i v e N GN e w c o n c r e t e a n c h o r s f o r c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r p o s t t e n s i o n i n g t e n d o n s J A C I S tr u c t u r a l J o u r n a 1 2 0 0 3 ，1 0 0 ( 1 ) 1 0 张耀庭， 邱继生， 黄恒卫 体外预应力混凝土梁的研究 现状综述 J 华 中科技大学学报： 城市科学版， 2 0 0 4 ， 4： 8 69 1 Z H A N G Y a o - t i n g ，Q I U J i - s h e n g ，H U A N G H e n g w e i S u r v e y o n r e s e a r c h o f e x t e r n a l p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a m s l J J J o u r n a l o f Wu h a n Ur b a n C o n s tr u c t i o n I n s t i t u t e ，2 0 0 4， 4 ： 8 6 91 维普资讯