桥梁作为道路跨越障碍物而修建的结构，是确保道路交通正常运营的关键要素。随着中国社会经济的繁荣，桥梁事业得到了前所未有的发展。先张预应力混凝土桥梁，由于其施工方便、构件可批量预制等优点，在中小跨径的跨线、城市立交桥梁中占有很大比重。这类桥梁构件尺寸相对较小，保护层较薄，预应力筋在缺乏波纹管的保护情况下易发生锈蚀、引起保护层胀裂、界面粘结性能退化、有效预应力损失、承载力下降等。本文针对既有先张混凝土构件耐久性退化问题，重点研究了锈蚀先张混凝土构件的锈胀开裂、预应力损失及承载力，主要包括以下几个方面:
　　(1)试验研究了锈胀裂缝宽度与铁锈填充率之间的关系。通过快速锈蚀方法开展了有无箍筋条件下的锈胀开裂试验，观测了钢绞线的锈蚀形态，研究了有无箍筋条件下钢绞线锈蚀产物在开裂混凝土内部的填充规律，及锈胀裂缝在混凝土内部的发展规律。结果表明，裂缝较小时，铁锈填充随裂缝宽度的发展而增加;而当裂缝宽度超过临界值时，锈蚀产物的填充基本维持为常量。箍筋的使用会导致锈蚀产物填充达到稳定时的临界裂缝宽度下降20％。结合铁锈填充率和钢绞线截面几何形状特点，考虑有无箍筋存在的影响，建立了钢绞线锈蚀影响下混凝土裂缝宽度经验模型，并基于试验结果验证了该模型的合理性。为提高锈胀裂缝宽度的预测精度，须合理地考虑锈蚀产物在裂缝中的填充。
　　(2)开展了不同应力状态下混凝土锈胀开裂试验研究。基于快速锈蚀方法进行了不同应力状态下混凝土锈胀开裂试验，利用红外和热重分析研究了预应力钢绞线锈蚀产物的膨胀率。分析表明，预应力的存在会增加锈蚀产物中氧化铁的含量比例，降低氢氧化铁的含量比例，但预应力的改变对钢绞线锈蚀产物膨胀率的影响不大，本文建议电化学加速锈蚀条件下预应力钢绞线锈胀产物的膨胀率为2.78。明确了预应力对保护层临界锈蚀开裂时间和裂缝宽度的影响。当预应力达到75％钢绞线抗拉强度时，保护层开裂临界时间降低了22％，裂缝宽度增加了9％。总之，预应力的存在会加快混凝土锈胀开裂过程。
　　(3)建立了预应力混凝土锈胀开裂预测模型。基于弹性和断裂力学理论，考虑混凝土双向应力状态和预应力筋截面几何特征等因素，引入断裂因子考虑开裂混凝土的剩余张拉强度，推导了预应力混凝土锈胀开裂计算模型。分析了混凝土锈胀开裂对各参数(预应力、混凝土抗拉强度、保护层厚度、预应力筋直径和铁锈膨胀率)的敏感性。分析表明，预加力会加快混凝土的锈胀开裂，微裂缝形成、保护层开裂和开裂至0.1mm阶段的临界锈蚀率随预应力的增加而降低。与无应力状态相比，预应力为75％钢绞线抗拉强度时，三阶段的临界锈蚀率分别下降了46％、44％和9％。三阶段的临界锈蚀率均会随钢绞线直径和铁锈膨胀率的增加而变小，随保护层厚度和混凝土抗拉强度的增加而变大。
　　(4)提出了锈裂先张混凝土构件预应力损失评估方法。针对钢绞线锈蚀导致预应力损失的现象，综合考虑锈蚀引起的混凝土开裂和粘结强度退化等因素的耦合作用，基于变形协调及受力平衡方程，建立锈裂先张混凝土构件预应力损失的计算方法。基于四点弯曲加载试验评估了8片不同应力状态下锈蚀先张混凝土构件的有效预应力，并利用试验结果对该模型的合理性进行了验证。研究表明，预应力损失与钢绞线的锈蚀程度有关，当锈蚀率小于6.6％时，锈蚀引起的混凝土开裂并不会造成粘结强度和有效预应力的损失。随着锈蚀程度的增加，粘结强度和有效预应力会逐渐下降。当锈蚀率达到34.0％时，内部的有效预应力几乎完全退化。
　　(5)发展了锈裂先张混凝土构件抗弯承载力计算方法。通过评估锈蚀影响下混凝土的开裂及界面间的粘结强度，引入等效粘结强度概念考虑荷载裂缝对粘结强度分布的影响，建立了荷载作用下锈蚀钢绞线的受力表达式;引入变形协调系数量化锈蚀钢绞线与混凝土间的变形不协调，明确构件横断面内的应力、应变分布规律:建立锈蚀预应力混凝土构件截面内的受力平衡方程，得到锈蚀预应力混凝土构件抗弯承载力计算公式。该计算方法可综合考虑锈蚀引起的钢绞线截面积减小、材料劣化、混凝土开裂、粘结退化及荷载裂缝等多个因素的影响。分析表明，抗弯承载力的退化与钢绞线的锈蚀程度有关，锈蚀程度小于5.5％时会导致抗弯承载力轻微地下降，随着锈蚀程度的迸一步增加，抗弯承载力呈现快速下降。