索承式桥梁腐蚀吊索安全性能评估

  吊索作为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,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.1~.3 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
  2.1 带有表面裂纹钢丝剩余强度计算方法 
  带有表面裂纹的钢丝剩余强度可以采用两种方法估算9。 
  1)基于净截面理论的强度估算。净截面理论是一种广泛应用于塑性破坏条件下对结构断裂强度进行估算的方法。临界名义应力σcr可用式(1)计算。 
  式中Kc为断裂韧性值;ac为临界裂纹深度;Y(a/D)为应力强度因子形状修正系数。对于断裂韧性的取值,27年纽约桥梁管理局出一种测试吊索钢丝断裂韧性的方法,高强钢丝断裂韧性的平均值为65.7 MPa·m1/2 1。 
  两种评估方法相比较,弹性断裂准则得到的剩余强度小于净截面理论计算所得剩余强度9。所以,在进行表面带有裂纹钢丝承载力评估时,采用线弹性断裂准则估算剩余强度,评估精度较高。 
  2.2 基于子模型法的带表面裂纹钢丝应力强度因子形状修正系数计算 
  学者多采用实验方法和有限元方法研究圆柱体试件拉伸载荷作用下裂纹的扩展行为,得出带表面裂纹钢丝应力强度因子形状修正系数表达式11-15。但无论是通过疲劳试验,还是传统有限元方法,对于钢丝裂纹应力强度因子计算都有各自缺点通过疲劳试验获取数据费用高,钢丝裂纹不像平板试件容易量测,试验比较容易失败;传统有限元方法划分单元多,计算时间长,计算机硬件求高,计算精度低。笔者基于子模型法研究拉伸荷载作用下带有表面裂纹的钢丝应力强度因子,并拟合得到拉伸荷载作用下带有表面裂纹的钢丝应力强度因子形状修正系数表达式。 
  2.2.1 钢丝计算模型 
  实际钢丝表面蚀坑形貌复杂,研究蚀坑对钢丝力学性能影响时,需简化处理,一般是把裂纹前端简化成半圆形、椭圆形和直线形,椭圆形裂纹前端应力强度因子处于半圆形和直线形之间,所以计算模型的选取如图4所示,图中D为钢丝直径,取值为5 mm;a为半圆形或直线形表面裂纹深度。数值模拟时,利用有限元软件ANSYS建立模型,得到FRANC3D能够读写的模型数据,然后在FRANC3D模型中插入裂纹,划分模型网格,如图5所示,最后进行应力强度因子计算。单向拉伸应力为1 MPa,各向同性线弹性均质材料,弹性模量E = 2×15 MPa,泊松比υ= .3。 
  2.2.2 带表面裂纹钢丝应力强度因子形状修正系数 
  模拟所得的拉伸荷载作用下半圆形裂纹前端应力强度因子形状修正系数与已有文献研究结果比较如图6所示。从图中可以看出,模拟结果与已有研究成果16-18相差较小。但是在计算半圆形裂纹前端应力强度因子时,裂纹深度与钢丝直径比值a/D最小值可以达到.1,而利用有限元方法和实验方法无法得到a/D为.1时的半圆形裂纹前端应力强度因子,由此可知,基于子模型法计算半圆形裂纹前端应力强度因子的精度大大高。同样,可得到拉伸荷载作用下直线形裂纹前端应力强度因子形状修正系数。 
  钢丝裂纹扩展过程中,前期倾向于半圆形裂纹,随着裂纹扩展,裂纹形状逐渐变成直线型裂纹,综合以上两种情况,假定a/D达到.2之前按照半圆形裂纹扩展19,而a/D达到.4之后裂纹按照直线型裂纹扩展,中间利用幂函数过渡,图7中虚线为拉伸荷载作用下统一裂纹应力强度因子形状修正系数拟合曲线。拟合得到兼顾半圆形裂纹扩展和直线形裂纹扩展的应力强度因子形状修正系数计算式,如式(3)所示,拟合系数为.999。 
  2.3 腐蚀损伤钢丝剩余强度估算 
  已有的研究表明,由于蚀坑和等效裂纹对应力分布和应力强度因子的影响十分相似,应力强度因子在蚀坑等效前后数值大小和变化趋势不大,在进行定量评估结构表面含腐蚀坑老龄结构的剩余强度时,可以将腐蚀坑沿垂直于外荷载方向进行投影,从而使其等效为表面裂纹2-22。因此,在进行评估钢丝腐蚀后的强度时,可以先把蚀坑等效为表面裂纹,然后采取弹性断裂准则进行估算。其断裂强度如式(4)所示。 
  3 钢丝腐蚀概率速率 
  为了定量评估吊索钢丝承载能力,必须首先获取钢丝蚀坑扩展速率。梁雄23利用电化学工作站拟合得到应力作用下的钢丝腐蚀速率方程;笔者利用电化学工作站研究温度、含盐量和pH值等因素对钢丝电化学腐蚀的影响时,同样拟合得到了钢丝在温度、含盐量和pH值等多因素作用下的腐蚀速率方程。上述研究均是通过电化学工作站得到极化曲线,然后计算得到腐蚀速率,由于利用电化学工作站计算得到的钢丝腐蚀速率是短时间内的均匀腐蚀速率24,所以,上述两个公式均不宜直接用于实际工程。 
  对于钢丝腐蚀速率,比较合理的方法是根据大气腐蚀性区域划分图进行划分,对各区域内的实际桥梁拆除下来的钢丝腐蚀进行大量的样本统计处理,得到各区域内各桥龄大桥吊索钢丝腐蚀数据,建立钢丝腐蚀速率概率模型。由于样本数量少,笔者只能通过处理袁州大桥钢丝腐蚀蚀坑数据得到大气腐蚀性区域划分图中C4区域近似腐蚀速率概率模型。袁州大桥位于江西省宜春市袁州区,横跨秀江河,主桥为中承式系杆拱桥,采用平行钢丝吊索。全长57.4 m,主桥净宽2 m,引桥净宽15 m。主桥跨度85 m。1997年建成通车,211年经江西省交通科学研究院检测,吊杆钢丝腐蚀严重,已有断丝现象,212年3月进行吊杆更换,212年1月1日竣工通车。 
  4 腐蚀吊索安全性能评估 
  为了说明问题,笔者只按照《公路斜拉桥设计规范(试行)》(JTJ 27—96)进行安全性评估,即恒载与汽车活载作用下吊索实际拉力的安全系数大于2.5,当吊索安全系数小于2.5时,则需更换吊索。安全系数表达式如式(7)所示。 
  式中Ai为吊索钢丝腐蚀损伤后的截面面积;TD为运营期间索力设计值;σi为考虑腐蚀损伤后钢丝断裂强度;τ为丹尼尔效应系数,丹尼尔系数可以利用蒙特卡罗方法模拟计算得到26。进行腐蚀吊索安全性能评估时,可分为以下几个步骤1)根据钢丝腐蚀速率概率模型,利用蒙特卡罗方法随机生成各根钢丝的局部腐蚀尺寸,得到一年末各钢丝经过局部腐蚀后蚀坑处的尺寸;2)利用式(7)得到各腐蚀钢丝的断裂强度;3)判断各钢丝在外荷载作用下是否断裂;4)根据安全系数表达式进行吊索安全性评估;5)重复上述步骤,进入下一周期。评估流程如图8所示。
  在运营过程中时,由于腐蚀或疲劳裂纹,截面削弱,吊索整体上存在内力重分布现象,对于某根钢丝,其受力变化过程太复杂,进行简化处理,利用上述方法在进行腐蚀吊索安全性能评估时,假设某根钢丝断裂之前,不考虑吊索钢丝的内力重分布,是均匀分布。并参考文献6的处理方法,假设吊索不考虑钢丝断裂后的摩擦效应,某根钢丝断裂后立即退出承载。 
  5 算例及分析 
  一根吊索由15根直径为5 mm高强度低松弛镀锌钢丝组成,丹尼尔效应系数为.879 9。单根钢丝公称横截面积A=19.625 mm2,钢丝抗拉强度fy=1 57 MPa。索力荷载设计值为1 1 kN,不考虑护套破裂和镀锌层腐蚀时间,在考虑吊索腐蚀损伤之前吊索安全系数为3.7。为了分析环境参数对吊索安全系数的影响,在袁州大桥吊索钢丝腐蚀数据的基础上进行参数分析,环境工况1、2、3、4、5和6的各参数如表2所示。 
  1)从图9、图1可以看出,一方面由于受计算机硬件条件限制,模拟分析钢丝裂纹应力强度因子时,裂纹深度与钢丝直径之比(a/D)最小值为.1,当a/D≤.1时,计算得到裂纹应力强度因子形状修正系数产生一定的误差;另一方面在进行安全系数评估时,实际工程中在腐蚀初始阶段可能只有部分钢丝腐蚀,环境工况1~3是假设吊索横截面钢丝同时腐蚀损伤,利用该方法进行吊索安全性能评估,在腐蚀初始阶段会产生一定的误差,安全系数偏小,评估结果偏保守,但是到了腐蚀中后期,当横截面上钢丝全部腐蚀和钢丝腐蚀蚀坑深度较深时,由上述原因造成的误差基本为零,与实际承载力相符,能够反映吊索真实承载能力,保证桥梁结构安全,适合工程应用。 
  2)从表3可以看出,环境工况1、2、3虽然都是利用袁州大桥腐蚀钢丝反推得到,但是由于腐蚀趋势系数不同,导致吊索安全性能评估结果相差较大,其中第3 a安全系数和第3 a断丝数量随着腐蚀趋势系数的增加而增加,安全系数小于2.5的时间随着腐蚀趋势系数的增加而减小。 
  从表3可以看出,在腐蚀趋势系数相等的情况下,对于环境工况3、环境工况4和环境工况5,由于第1 a腐蚀量均值不同,安全系数小于2.5所需时间和第3 a安全系数随第1 a腐蚀均值的增加而降低,第3 a断丝数量和出现第一根断丝时间随第1 a腐蚀均值的增加而减小。
  从表3可以看出,在第1 a腐蚀量均值不和腐蚀趋势系数相等的情况下,对于环境工况5、环境工况6和环境工况7,由于钢丝腐蚀率不同,安全系数小于2.5所需时间和第3 a安全系数随腐蚀率的增加而降低,第3 a断丝数量随腐蚀率的增加而增加,出现第一根断丝时间随腐蚀率的增加而减小。 
  3)在上述各环境工况中,安全系数从3.7减小到2.5,所需最长时间大于3 a,最短时间为5 a;第3 a年末安全系数最大为3.339,最小为1.54 7;第3 a年末吊索断丝数量最多为5根,最少为6根;出现断丝时间最少为1 a,最多为5 a。说明吊索在钢丝基体发生腐蚀后,由于吊索所处环境不同,吊索安全系数、断丝数量和出现断丝数量相差较大。 
  4)钢丝虽然由于腐蚀出现断丝,但是安全系数还比较高,如环境工况1,出现断丝时间为钢丝开始腐蚀第4 a,但是其安全系数小于2.5需大于3 a。 
  6 结 论 
  出了适合于工程应用的基于断裂力学的吊索承载力安全性能评估方法并进行了算例计算。与均匀腐蚀理论模型相比,该方法考虑了蚀坑对吊索承载力的影响,能够预测钢丝断裂数量、安全系数小于2.5的时间。算例研究表明,在桥梁运营过程中,吊索即使出现腐蚀和断丝,运营维护单位应该根据车辆荷载调查和吊索腐蚀情况,利用该方法进行吊索安全性能评估,做到即能保证桥梁结构安全,保护人民生命和财产安全,又能在合适的时间进行吊索更换,降低运营维护成本。 
  参考文献 
  1Lichtenstein A G. The silver bridge collapse recounted J. Journal of Performance of Constructed Facilities, 1993, 7(4)249-261. 
  2Hamilton H R, Breen III J E, Frank K H. Investigation of corrosion protection systems for bridge stay cables R. Center for Transportation Research, Bureau of Engineering Research, University of Texas at Austin, November, 1995. 
  3李宏江,王江,张永明,等. 天津永和斜拉桥换索后的索力调整 J. 公路交通科技,28,25(1)79-83. 
  Li H J, Wang J, Zhang Y M, et al. Cable force adjustment after cable replacement for Tianjin Yonghe cable-stayed bridge J. Journal of Highway Transportation Research and Development, 28, 25(1) 79-83.(in Chinese) 
  4周诚华,梅秀道. 南昌市八一大桥斜拉桥换索工程施工监控J. 世界桥梁,211(2)73-76. 
  Zhou C H, Mei X D. Construction monitoring and control of cable replacement for cable-stayed bridge of Bayi Bridge in Nanchang City J. World Bridges, 211(2)73-76.(in Chinese)
  5谢福君,廖龙辉. 衡山湘江公路大桥换索方案研究J. 公路,213,421-24. 
  Xie F J, Miao L H. Research on scheme of cable replacement of Hengshan-Xiangjiang Highway Bridge J. Highway, 213, 421-24.(in Chinese) 
  6朱劲松,肖汝诚. 大跨度斜拉桥拉索安全性分析方法研究J. 土木工程学报,26,39(9)74-79. 
  Zhu J S, Xiao R C. A study on the safety assessment method for stay cables of long-span cable-stayed bridges J. China Civil Engineering Journal, 26, 39(9) 74-79.(in Chinese) 
  7Elachachi S M, Breysse D, Yotte S, et al. A probabilistic multi-scale time dependent model for corroded structural suspension cables J. Probabilistic Engineering Mechanics, 26, 21(3) 235-245. 
  8马小利,王立彬,丁盛. 平行钢索的锈蚀时变失效概率分析J. 工程力学,212,29(4)21-216. 
  Ma X L, Wang L B, Ding S. Time-dependent failure probability analysis of corroded parallel wire cable J. Engineering Mechanics, 212, 29(4) 21-216.(in Chinese) 
  9Mahmoud K M. Fracture strength for a high strength steel bridge cable wire with a surface crackJ. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 1997, 48 152-16. 
  1Bridge Technology Consulting. Main cable investigation at the mid-hudson suspension bridge-fracture toughness identification of main cable ire R. Technical Report Prepared for the New York State Bridge Authority, New York, 27. 
  11James L A, Mills W J. Review and synthesis of stress intensity factor solution applied to cracks in bolts J. Engineering Fracture Mech, 1988, 3 641-654. 
  12Din A S S E, Lovegrove J M. Stress intensity factors for fatigue cracking of round bars J. International Journal of Fatigue, 1981, 3(3) 117-123. 
  13Daoud O E K, Cartwright D J. Strain energy release rate for a circular-arc edge crack in a bar under tension or bending J. Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 1985, 2(1) 53-58. 
  14Wilhem D, Fitzgerald J, Carter J, et al. An empirical approach to determining K for surface cracks C//Proceedings of the Fifth International Conference on Fracture, Cannes, 1981 11-21. 
  15Mackay T L, Alperin B J. Stress intensity factors for fatigue cracking in high-strength bolts J. Engineering Fracture Mechanics, 1985, 21(2)391-397. 
  16Daoud O E K, Cartwright D J. Strain energy release rate for a circular arc edge crack in a bar under tension or bending J. Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 1985, 2(1) 53-58. 
  17Nezu K, Machida S, Nakamura H. SIF of surface cracks and fatigue crack propagation behavior in a cylindrical bar C// Proceedings of the 25th Japan Congress on Material Research, Metallic Materials, 1982 87-92.
  18Wilhem D, Fitzgerald J, Carter J, et al. An empirical approach to determining K for surface cracks C//Proccedings of the Fifth International Conference of Fracture,Cannes,1981,1 11-21. 
  19曾勇,陈艾荣,马如进. 带裂纹的悬索桥主缆钢丝的断裂强度分析J. 同济大学学报 自然科学版,29,37(8)11-113. 
  Zeng Y, Chen A R, Ma R J. Fracture strength of wires with cracks in suspension bridge J. Journal of Tongji University Naturnal Science, 29, 37(8)11-113.(in Chinese) 
  2Proost Domasky S A,Brooks C L,Honeycutt K T.The application of p-version finite element methods to fracture-dominated problems encountered in engineering practiceJ.Computers & Mathematics with Applications,23,46(1)125-139. 
  21任克亮,吕国志,张有宏. 老龄结构分析中腐蚀坑与等效裂纹间的量化关系J. 强度与环境,26,33(2)5-57. 
  Ren K L, Lyu G Z, Zhang Y H. The correlation between corrosion pit with equivalent initial surface crack J. Structure & Environment Engineering, 26, 33(2) 5-57.(in Chinese) 
  22郁大照,陈跃良,柳文林,等. 服役环境下腐蚀坑等效为表面裂纹的有效性分析J. 应用力学学报,211,28(1)79-84. 
  Yu D Z, Chen Y L, Liu W L, et al. Analysis of validation of real pit as surface crack under service environment J. Chinese Journal of Applied Mechanics, 211, 28(1) 79-84.(in Chinese) 
  23梁雄.斜拉桥拉索腐蚀行为及其使用寿命预测研究D. 重庆重庆交通大学,28. 
  Liang X. Corrosion behavior and service life evaluation study on cable of cable-stayed bridge D. Chongqing Chongqing Jiaotong University, 28.(in Chinese) 
  24杨文治. 电化学基础M. 北京北京大学出版社,1982. 
  25Czarnecki A A, Nowak A S. Time-variant reliability profiles for steel girder bridges J. Structural Safety, 28, 3 49-64. 
  26徐宏,黄平明. 平行钢丝拉索Daniel效应分析J. 铁道科学与工程学报, 28,5(2)38-41. 
  Xu H,Huang P M. Analysis of Daniel effect for parallel wire cable J. Journal of Railway Science and Engineering, 28, 5(2) 38-41.(in Chinese) 
  (编辑 胡英奎)

  

You may also like...