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工程结构
现役后张预制混凝土桥梁的破坏和倒塌模式：Petrulla高桥的情况
摘要：本文介绍了对预应力后张拉桥中氯离子腐蚀作用以及钢筋设计过程中一些初始缺陷引起的单跨节段后张混凝土桥的倒塌模式进行研究。 塌陷是由肌腱的断裂决定的，肌腱内部的电线完全生锈。
为了确定导致意大利南部（西西里岛）Petrulla高架桥段发生广泛的梁损坏后局部瓦解的局部机制，还进行了数值调查。 主要损害是由于灌浆水泥砂浆填充不充分，能够引入腐蚀沿着钢筋行进的化学物质，以及所用导管之间的距离不足。 后者产生围绕横向部分中的一个点的翼旋转。
关键词：后张混凝土梁折叠机制腐蚀 制造业缺乏
1.介绍
意大利建造的许多桥梁是预应力或后张（PT）混凝土梁，其中筋是主要承载元件。 与使用传统钢筋构造的桥梁相比，PT桥梁的优点包括更大的跨度长度，结构精度，材料减少以及流线型外观。 虽然预应力混凝土构件通常用强度相对较高的混凝土制造，但时间表明它们受到与钢筋混凝土构件相同的钢筋腐蚀的不利影响。 除了材料损失严重以外，腐蚀可以有多种形式; 例如，腐蚀可能通过腐蚀和机械应力的相互作用而发生，从而通过破裂产生失效。 这种失效称为应力腐蚀开裂，通常缩写为SCC [1,2]。 SCC是一种严重的腐蚀形式; 它会产生显着的机械强度损失而金属损失很少; 对随意检查损伤不明显，应力腐蚀裂纹可引发机械快速断裂和部件和结构的灾难性失效。
此外，当裂纹明显是氢脆的结果时，被称为氢气攻击。 事实上，氢在所有金属中都能适度溶解。 它是金属晶体中金属原子之间非常小的原子 [4]。 因此它可以比大的原子快得多。
氢会趋向于被吸引到高三轴拉伸应力的区域，其中金属结构被扩张为裂纹前的区域或处于压力之下的凹槽。 然后溶解的氢有助于金属的断裂。
记录下的预应力张拉构件因腐蚀而失效的情况使得这是一个最紧迫的问题。 由于预应力混凝土构件依赖预应力钢的抗拉强度来抵抗载荷，因此每个构件甚至会损失很少的钢丝或钢绞线 [3] 可能会导致灾难性的。
服务期间的损坏，经常在数年或数十年的开采后出现，通常是最重要的。 已经从一开始就缺乏或没有充分碱性的保护，或者由于氯化物侵蚀后碳酸化和/或钝化而造成的损失是后来损坏甚至失败的主要原因。 对此负责的通常是计划和/或执行缺陷以及不准确或不合理的结构性措施造成的失败。 执行故障和施工错误涉及例如在后张拉混凝土的情况下用砂浆注入管道（当可能渗透湿气并且氧气可以进入管道空间时，无筋的砂浆段暴露于腐蚀风险下） ，混凝土技术（混凝土保护层太小，混凝土质量太低，在一定条件下无法保护），预应力筋，结构件生产程序（技术），以及防水密封（不存在或损坏）和排水（受损），可强烈感受PT元件的耐用性。
使用劣质材料和恶劣的施工习惯会加速并加剧腐蚀问题，因此实际上，腐蚀的年成本估计非常高 [5–8].
因此，桥面板的脆性破坏可能是由许多设计缺陷（单独或组合）引起的，即：（i）管道通风不足，（ii）管道不完整，（iii）管道挤压管道内表面，（iv）钢绞线拥挤，（v）沉降，或（vi）与隔离不一致 [13,14].
在意大利，钢铁腐蚀研究 [9] 更侧重于钢筋混凝土（RC）结构而非后张拉混凝土结构。 通常认为PT结构设计合理，结构合理，因为预应力筋可避免导管的腐蚀。 但是，一些现有的桥梁已经发现了由腐蚀引起的一些劣化问题，引起了对长期耐久性的严重担忧 [10] 的PT桥梁。 在这种混凝土结构中，钢筋中的高应力水平强烈地改变了钢的腐蚀过程 [11,12].
局部阳极和大阴极的宏电池腐蚀经常发生在氯化物引起的混凝土中钢筋的腐蚀中，并且导致非常高的局部腐蚀侵蚀和横截面减少。 在PT梁中灌浆不足和保护十层的情况下，该过程等同于轻度的钢筋锈蚀：事实上，混凝土中的轻度钢筋通常通过在钢筋/混凝土界面处形成的被动薄膜来防止腐蚀碱性胶凝基质。 但是，如果被动性受到损害，可能会以不可接受的速度发生主动腐蚀。 例如，这种钝化可以通过由于碳酸盐化导致的pH值（pH lt;9）降低或由于存在氯化物盐而消除，所述氯化物盐引发钢筋的膨胀腐蚀并最终损坏周围的混凝土。
氯离子对混凝土中钢筋腐蚀的重要性已经发展成氯离子阈值水平的概念。 氯化物的临界水平定义为钢水深度处的氯化物含量，这对维持局部被动的lm击穿和引发腐蚀过程是必要的 [15–17]。 因此，氯离子阈值水平可能是预测暴露于环境条件下结构的寿命服务的关键因素 [18].
诸如桥梁，建筑物和其他钢筋混凝土结构的混凝土结构可能由于宏观腐蚀而受到严重损害 [19–21].
2.案例研究：Petrulla桥塌陷
所研究的案例是对Petrulla高架桥倒塌的分析。 高架桥n10组成。 13个简单的支撑甲板，跨度从35米到50米不等。 它位于意大利南部，在#39;萨尔索河#39;和大海附近的西西里岛岛的利卡塔市。 意大利文字“salsedine”来自河流的名字，意味着咸味。 环境条件可以被认为是很好的。 高架桥始建于80年代初。 最初的竣工项目于1985年获得批准。它是根据执行项目时生效的意大利法典（DM 1980）设计的， [28]。 高架桥主要用于运输农用肥料和类似物的车辆。 事实上，它在农村，远离城市中心。 图。1 显示了桥梁的全球鸟瞰图及其与河流邻近的位置。
所以这座高架桥由多座桥跨组成。 每个单跨都由四根纵向张拉双T形梁组成。 高架桥的上层建筑由十个桥墩支撑。 典型的甲板跨度的图解表示在 图2。 混凝土板完成桥面。
2014年8月，一段高架桥突然倒塌。 如图所示，倒塌模式是在桥梁中跨部分形成塑性铰 图 3和图4.
3.在Petrulla高架桥现场视察
崩溃后的检查显示断裂的股是由于腐蚀导致的预应力筋失效（图 5和6）。 在坍塌跨度的中跨部分，可以观察到编号为（编号）4和5的腱中的一些股完全溶解。 但是，这种倒塌也是由于PT梁的某些设计缺乏（即：预应力混凝土钢筋在管道中不存在间隙和不适当的水泥浆）。 据报道 图5 肌腱编号为4和5，原本由12股组成，现在只有7股。 由于弹性能量的释放，筋的断裂促使了头梁处的导管锚点的排出（图 7和8).
4.Petrulla高架桥执行项目分析
根据最初的项目，单纵梁通过十二根钢丝束实现了预应力
每个0.6英寸。 因此根据标准生产意大利规范法第1086-1971条和对7股钢丝绳进行修改后，钢绞线公称直径和标称面积分别为15.20毫米和140平方毫米。 然后，每根肌腱的横截面（或等效直径）为1680平方毫米。 肌腱布局来源于最初的执行项目，并以代表的形式出现 图9 其中代表每个肌腱的位置（根据意大利语称为“cavo”）和相应的锚头区域。 值得注意的是，对于“cavo 4”和“cavo 5”（以下称为第4号钢腱和第5号钢腱），锚头区域位于甲板梁的拱腹外侧。 图10显示了中间跨度中的股线配置。 肌腱的预张紧是以逐步的步骤施加的，即1-3号，在桥梁架设之前，肌腱在开始时被完全张紧，而5-6根肌腱被拉伸至特定拉伸强度的35％之后横梁构造。 另外65％的预拉伸施加于甲板板坯的铸造和硬化之后。
在施工期间，肌腱没有达到100％的预先施加在肌腱上的应力。 为了达到这个目的，在拉伸之后，甲板板坯的一些插槽必须由灰浆填充（图11）。 因此，饱和混凝土会产生一定量的可能积聚的水，这就允许侵入性离子进入。
这部分孔使混凝土固化期间收缩，这导致在新旧混凝土之间的界面处形成冷接缝。 这对于完成现有的板坯来说是必要的，在该板坯中，排出水渗入并渗出，积聚布置在盖中的预制梁的罐中，直到电缆的灰浆注入饱和。
从原始工程中，在PT梁中跨的横截面上，在放置直径为70mm的管道中的腱束会聚到狭窄的空间中（图10），这不符合国际规范要求的最小间隙（ACI 318 - R 18.16，粘结预应力筋的灌浆） [24]。 因此，不能确保在铸造期间混凝土的正确浇筑。 这无法发展和传播切向应力 [22,23]。 根据欧洲规范2[25]，对于70毫米的管道，所需的钢筋间隙不得小于管道直径。 在所研究的情况下，肌腱之间没有间隙，这导致了空隙的形成，如图所示 图 12和13。 正如将在专门用于FEM分析的部分中将详细解释和说明的那样，这些间隙导致甲板横截面的内爆，同时向下旋转下部天线，导致沿着部分 。 沿着腱和导管可以观察到均匀的锈迹分布。
位于结构混凝土部分内部的内部钢筋位于波纹金属管道中，并通过水泥浆粘结在结构混凝土上。 在过去，由于使用了水泥浆，能够填充预应力筋和导管之间的间隙空间而使之没有问题，作为粘结材料的波特兰水泥能够防止
萨尔索河
折叠范围
Petrulla高架桥
地中海
图1.桥梁的全球鸟瞰图。
任何引入对肌腱有害的化学物质。
目前，国际标准列出了预应力混凝土结构灌浆的基本要求 [26,27]。 事实上，虽然灌浆PT筋的第一道防腐蚀保护依赖于来自外部腐蚀剂来源（即水，空气，Cl-和二氧化碳）将导管充分密封，但第二道防腐蚀依赖于直接接触的带有水泥浆的线股，其中保持高pH值（gt; 13）。 在现场检查时，在坍塌的跨度上显示存在不充分的水泥浆，包括清澈的砂浆（图15）而不是波特兰水泥（深灰色）。按照国际标准的要求 ，正如我们在坍塌的桥梁跨度中可以观察到的那样，砂浆在许多地方完全崩溃或缺失（图14），因为它缺乏一致性。 对于具有合适阻力（不低于30Mpa）的水泥砂浆来说，这是不可能的。 这种材料有利于收集肌腱内部的氯化物和水分，特别是由于空隙以及侵蚀性环境造成的空气存在。 腐蚀引起了PT中各个肌腱横截面的变化引起了桥梁肌腱和中性轴深度之间的张力变化，伴随着一根或多根股线的连续失效和所施加载荷的重新分布。一个重要的警告标志即将崩溃可能已经注意到一个严重的特征性裂缝模式，存在于所有其他相邻的桥梁跨度 [26]. 图 16和17 由于管道之间没有间隙，由于腐蚀和内部空隙的共同作用，显示了部分内爆引起的破裂，崩裂的前兆（premonitory of collapse）。
5.硬化的混凝土表征
所用材料的主要物理机械特性是通过准确的测试方法进行调查的。 本次调查的目的是测试塌陷跨度（10号）以及项目中确定的9号跨度附近。测试了一组用于估算实际抗压强度的混凝土芯。 为了这个目标，一些具体的核心钻出并提取100mm公称直径（图18）直接来自倒塌的跨度（9号）和附近的跨度（10号）的混凝土， 并按照下面描述的计划 表格1 (图 20和21）（见 表2).
图2.桥的典型桥面跨度（几何特征以厘米为单位）
图3.桥梁的折叠机制。
图4. Brigde梁：中跨裂缝
图5.倒塌后第4号和第5号肌腱断裂的股线。
图6.崩溃后的桥梁中的肌腱。
钻芯之后，将酚酞溶液施加到新鲜的裂隙核表面以测量碳酸化深度。 酚酞是白色或淡黄色结晶物质。 为了用作指示剂，将其溶解在适合的溶剂中，例如1％溶液中的异丙醇中。 当溶液保持无色时，混凝土的pH值低于8.6，表明碳酸化。 完全碳酸化的糊状物具有约8.4的pH。 否则，如果指示器变成紫色，则pH值高于8.6，样品不含碳酸盐。 表3 报告了在钻芯上测量的碳化深度，如图所示 图22。 然后将钻出的岩心切割并准备进行机械测试，如图所示 图23.
5.1混凝土的抗压强度
公称直径等于100和150mm之间高度的钻芯样品的特征强度fck可假定为等于与150mm高的试样有关的立方强度Rck。 这是根据该部分的说明。
意大利准则C.11.2.6（应用指南）
DM 2008年1月14日意大利建筑规范）关于通过破坏性试验评估硬化混凝土的力学特性。
此外，根据UNI EN 12504-1：2002，UNI EN 12504-2：2001，UNI EN 12504-3：2005，UNI EN 12504-4：2005
[26]，当核心强度与实际强度相关时，还必须考虑一些主要因素，例如：钻孔方向，形状，加盖，钻孔，芯固化，水分等。
在这种情况下，从塌陷跨度中提取的岩心表现出相当高的立方压缩强度; 最小值等于57.9 MPa，最大值等于82.0 MPa。 即使不考虑损伤的修正被忽略，在塌陷跨度中使用的混凝土的立方估计平均强度值也等于69.78MPa。
表4和表5 报告通过试验直接获得的实验室值，其中Mv是体积质量，Dmax是骨料的最大直径; W是样品重量; D是核心直径; H是核心高度; A是横截面积，C是施加的载荷; Rc是测量的抗压强度。
根据执行项目时生效的强制性规则代码（DM 2008 - 第11.2.6节） [28]），根据EN 12504-1测定的R厘米的抗压强度的平均值通常低于在实验室条件下成熟的标准立方体或圆柱体样品的等效强度。 强制性规则，其实xa值不低于85％
图7和8。 （7）排除管道头部锚固点。 （8）在梁梁头部的驱逐的全局视图。
图9.原始项目中沿着PT梁的肌腱的规定模式（cavo = Tendons）。
图10.原始项目（cavo = Tendon）导出的PT梁的中跨截面。
图11.编号
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