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摘要:腐蚀蚀坑是索承式桥梁吊索力学性能退化的主要原因。基于断裂力学和蚀坑等效,考虑腐蚀蚀坑影响,以吊索在荷载作用下的安全系数小于2.5作为吊索失效判据,建立腐蚀吊索承载力安全性能评估方法,并以袁州大桥钢丝腐蚀速率数据为基础,进行参数敏感性分析和算例计算,研究了各工况下吊索失效时的断丝数量和安全系数小于2.5的时间。结果表明,该方法相比较均匀腐蚀理论模型,考虑了钢丝腐蚀蚀坑对吊索承载力的影响,能够预测钢丝断裂数量和安全系数小于25的时间。
关键词:索承式桥梁;腐蚀吊索;断裂力学;蚀坑等效;安全性能
中图分类号:U448.22 文献标志码:A 文章编号:1674-4764(2015)04-0028-08
Abstract:Corrosion pit is the main cause of mechanical performance degradation for the cable of cable-supported bridge.Considering corrosion pits andwith the safety factor of cable under load less than 2.5 as failure criterion, the method for assessing the safety capability for cable was established based on equivalent crack for corrosion pit and fracture mechanics. The Yuanzhou bridge wire corrosion rate data was taken to perform the parameter sensitivity analysis., The quantity of broken wires when cable failed and the time with safety coefficient less than 2.5 were studied. The results showed that this method could predict wire fracture number and the time with safety coefficient less than 2.5 and compared with uniform corrosion theory model, this mehtod provided theoretical reference for cable-supported bridge operation and maintenance.
Key words:cable-supported bridge; corroded cable; fracture mechanics; equivalent corrosion pit; safety performance
吊索作為索承式桥梁连接桥道系与上部主体构件的关键构件,吊索受力是否安全将直接影响桥梁整体结构的安全性能。大量工程实例表明[1-5],由于环境作用、防护不当、受力复杂等原因,吊索容易发生不同程度的损伤,从而导致桥梁结构安全系数降低或寿命缩短。目前,在进行吊索钢丝腐蚀承载力评估时,多是假设钢丝均匀腐蚀[6-8],而没有考虑局部腐蚀蚀坑对钢丝力学性能的影响,从而导致评估结果偏于不安全。同时,在大桥运营过程中,吊索钢丝应力值很小,吊索钢丝蚀坑发展为疲劳裂纹扩展的临界尺寸较大,所以在腐蚀速率较大,而应力幅较小时,有可能在设计年限内只发生腐蚀蚀坑扩展,而不发生疲劳裂纹扩展的情况。所以,笔者基于断裂力学和蚀坑等效,提出考虑腐蚀蚀坑影响的吊索安全性能评估方法并进行算例计算。
1 吊索钢丝腐蚀类型
对于索承式桥梁,虽然设计文件要求吊索采取有效保护措施,但是桥梁结构长期处于户外,一般架立于江、海、河上,运营环境较为恶劣,特别是在大气污染严重地区、水污染严重地区、海滨及海洋环境,吊索极易发生腐蚀损伤。常见的吊索钢丝腐蚀损伤类型主要有化学腐蚀、电化学腐蚀、缝隙腐蚀和磨损腐蚀等。
1.1 钢丝均匀腐蚀
吊索钢丝均匀腐蚀通常指钢丝在非电解质溶液中纯化学作用引起的腐蚀,以吊索钢丝表面的均匀剥落为特征。通过袁州大桥拆除得到钢丝腐蚀数据可以看出,钢丝化学均匀腐蚀造成的钢丝直径减小只有0.001~0.03 mm。由于均匀腐蚀后的钢丝表面较光滑,对钢丝力学性能影响不大,不会引起大的危害,所以化学腐蚀对钢丝影响可以忽略不计。
1.2 钢丝电化学腐蚀
吊索虽然采取一定的防水措施,但是水却不可避免地进入吊索内部。大桥在运营过程中,钢丝表面在拉应力或化学物质作用下,钢丝表面的保护层遭到局部破坏时,使钢丝基体直接暴露在腐蚀环境中,形成局部腐蚀小孔并向深入发展,成为腐蚀疲劳的裂纹源,如图1所示。孔蚀是破坏性和隐患最大的腐蚀形式。
1.3 钢丝磨损腐蚀
由于吊索由若干根平行钢丝组合而成,钢丝与钢丝之间相接触。由于风雨和车辆荷载的作用,钢丝与钢丝之间必然存在相对运动,造成钢丝磨损损伤。磨损腐蚀是磨损与腐蚀综合作用下钢丝发生的一种腐蚀。如图2所示。钢丝磨损腐蚀和缝隙腐蚀在外观上的主要区别是:磨损腐蚀区域不连续,呈点状,而缝隙腐蚀区域连续,如图2和3所示。
1.4 钢丝缝隙腐蚀
在吊索结构中,由于吊索是由若干根钢丝组成,那么钢丝与钢丝之间形成缝隙,腐蚀介质就会进入并留存在钢丝之间的缝隙内,导致缝隙位置的钢丝基体腐蚀加速。钢丝表面缝隙腐蚀会在较长范围内发生,如图3所示。
2 腐蚀损伤钢丝剩余强度分析方法