包邮桥梁索结构腐蚀疲劳性能与损伤机理

第1章　绪论 1.1　桥梁索结构服役现状 索结构是斜拉桥的主要承重结构之一，其耐久性直接影响桥梁运营的安全。由于拉索系统长期承受交变荷载并暴露于自然环境中，易遭受环境腐蚀。当索内钢丝受到严重腐蚀而发生断裂时，可导致拉索系统失效，影响到桥梁的安全和使用寿命。本书基于细观损伤力学理论，通过交变荷载作用下斜拉索加速腐蚀试验研究与理论分析，研究拉索在交变应力与侵蚀性环境耦合作用下的腐蚀疲劳损伤机理与演化规律，揭示交变应力对拉索腐蚀疲劳性能的耦合作用效应，并建立综合考虑疲劳荷载与腐蚀性环境耦合作用的拉索极限承载力与剩余寿命预测方法，进一步提出斜拉索腐蚀疲劳损伤后的力学性能评价方法，从而为科学评价斜拉桥拉索技术状况、延长拉索使用寿命和改进拉索防腐蚀设计提供理论依据。 从1955年德国建成**座现代意义上的斜拉桥以来，世界各国已经修建了300多座斜拉桥，我国占三分之一以上，其中跨径超过400m的特大跨径斜拉桥近30座，斜拉桥已成为跨越海洋、大江大河的首选桥型。目前，斜拉桥拉索系统采用的钢丝多种多样，概括起来大致分为高强度冷拔碳素钢丝、环氧涂覆钢丝、镀锌钢丝和热浸镀锌钢丝四种，其中高强度冷拔碳素钢丝*先出现在斜拉桥建造结构中，但由于其自身的缺陷并未大量运用于工程中，而镀锌钢丝因其抗拉强度高、延伸率好、松弛值低、应力损失小、抗疲劳性能优良、防护能力强等诸多特点而得到广泛应用。 斜拉索作为斜拉桥的关键构件，具有承担荷载、传递荷载的功能，其服役状况会对桥梁运营的安全产生直接影响。由于拉索系统长期承受交变荷载并暴露于自然环境中，极易遭受环境腐蚀，特别是我国酸雨区面积已占国土面积的三分之一，成为继欧洲、北美之后世界第三大重酸雨沉降区，在这种大气污染严重地区、水污染严重地区、海洋性环境中，斜拉桥索内钢丝极易遭受环境中、等腐蚀介质的侵蚀。我国广州海印大桥、济南黄河大桥、重庆石门大桥、重庆涪陵长江大桥、四川犍为岷江大桥、宜宾岷江大桥、云南三达地怒江大桥、天津永和大桥、陕西三原新龙大桥、广东九江大桥、南宁白沙大桥等多座斜拉桥在运营7～18年后出现了保护层老化开裂、拉索锈蚀断裂、断丝、拉索松弛等病害，远远没有达到原有30年的设计使用寿命，不得不花费巨资更换斜拉索。因此，拉索锈蚀、断丝等现象已成为大多数斜拉桥面临的问题。 截至2020年底，我国公路桥梁数量已超过91万余座，世界上已建成的主跨跨径*大的前10座斜拉桥、悬索桥、拱桥中，我国分别占有7座、6座和6座[1]。进入21世纪，随着经济、科技的迅猛发展，以及国家“一带一路”倡议的推进，我国基础设施建设突飞猛进。斜拉桥已突破千米跨度，如主跨1092m的上海沪通铁路大桥；钢管混凝土拱桥主跨达到575m，如广西平南三桥。目前我国建成的斜拉桥较多，拉索桥往往是设计师们青睐的桥型，如苏通长江大桥、东海大桥、港珠澳大桥、厦漳跨海大桥以及广东虎门二桥等。这些大桥不仅有效克服了桥梁跨度大的问题，而且经济、美观，推动着我国土木工程技术向更高、更强方向发展。然而，任何事情都具有正反两方面的真理，拉索桥也并不例外，拉吊索腐蚀、断索以及垮桥问题日益突出[2]。当前，对于悬索桥主缆的更换还没有适宜的方法，而悬索桥的吊索、斜拉桥的斜拉索、拱桥的吊杆频繁出现病害，个别桥梁还因为拉吊索破断造成垮桥事故，如四川宜宾小南门大桥、福建武夷山大桥、新疆孔雀河大桥等。垮桥事故的发生总是伴随着人民的生命安全和财产的重大损失、社会影响等问题，给经济的发展带来了难以弥补的损失。拉吊索的服役可靠性得到人们的重视，它直接关系到整个拉索桥的安全，已成为衡量整个拉索桥性能的重要指标之一。如何提高拉吊索的服役可靠性以及精准安全风险评估，保证拉索桥运营安全以及人民生命财产安全是土木工程人必须考虑的问题。除加强设计、施工、养护等管理措施外，及时掌握拉吊索的动态服役可靠性，准确评估安全风险也是行之有效的方法之一。 国内外已建斜拉桥的运营观测表明，斜拉桥正在经受拉索耐久性问题的严峻挑战和威胁。如贵州南盘江大桥，原大桥主桥为跨径240m的钢桁架悬索桥，于1998年11月建成投入运营。运营不到17年，主缆、吊索锈蚀严重，于2015年拆除重建为连续刚构桥；2012年建成的西藏波密县扎木镇至墨脱县县城公路的西莫河大桥(桥址位于雅鲁藏布江大峡谷的上游，大桥服役环境复杂，气候多变且潮湿，是印度洋南来水汽进入我国青藏高原的*大通道，也是我国气候变化的启动区)，2017年检测发现主缆、吊索腐蚀严重，面临更换[3]。而斜拉桥的斜拉索以及中下承式拱桥的吊杆更是因为腐蚀损伤，可靠性降低，频繁更换。Dolley等[4]与Mahmoud[5]调查了世界各地的近百座斜拉桥并进行了外观检查，发现全球范围内过去几十年建造的很多座斜拉桥因拉索腐蚀正面临危险，日本推出的新平行钢丝系统的防腐寿命也仅为25～30年。德国Kohlbrand Estuary大桥在运营两年后，发现拉索下部锚固端严重腐蚀，有25根断丝，全桥更换拉索花费6000万美元，为原造价的4倍。委内瑞拉Maracaibo大桥斜拉索有25根严重锈蚀、1根断裂，更换拉索花费约5000万美元。法国St. Nazaire大桥斜拉索腐蚀严重，拉索表面大量锈蚀并发生剥落。诸如此类，还有美国的Pasco-Kennewick大桥、英国的WyeBridge桥梁。 我国20世纪70年代至90年代初修建的30多座斜拉桥中，已经加固修复的斜拉桥占65%，4座斜拉桥已经拆除或改成其他桥型，有46%的斜拉桥已全部或部分更换了斜拉索，尚有10余座斜拉桥需要换索。广州海印大桥1988年建成，1995年5月25日发生了9号索锈蚀断裂事故，后来发现15号索也有断丝现象，被迫进行耗资2000万元、为期半年的全桥换索工程。济南黄河大桥拉索腐蚀严重，为防止发生突发事故，于1995年9月更换了全部88根斜拉索[6]。重庆石门大桥216根拉索中有130根存在各类缺陷共393处，钢丝严重腐蚀、锈蚀，于2006年7月更换了36根拉索，2008年10月更换剩余拉索，整个换索工期长达1年多，对当地交通造成严重影响[7]。四川犍为岷江大桥经过10年的运营，斜拉索聚乙烯(PE)保护层严重开裂、断裂，斜拉索腐蚀断丝，*小破断安全系数仅为1.97，为确保大桥运营安全，于2000年10月更换了全部384根拉索。重庆涪陵长江大桥斜拉索共有29处锈蚀，于2012年9月进行全桥212根拉索更换工程。陕西三原新龙大桥2006年10月两根拉索断裂，PE护套开裂、拉索腐蚀、断裂，被迫进行换索。广东南海九江大桥经过9年运营，发现70%的拉索PE套管破损，严重的已有剥落现象，内部平行钢丝腐蚀、锈蚀严重，拉索断丝数量已达1/3，于1998年对11根腐蚀严重的拉索实施了更换，2000年更换了剩余拉索[8]。上虞章镇斜拉桥80根斜拉索中有26处锈蚀，个别锈蚀深度达1.0mm，锈蚀较为严重，实测索力与设计索力有较大偏差，于2008年进行了全桥换索。云南三达地怒江大桥斜拉索PE防护套老化严重，高强钢丝锈蚀严重，部分钢丝截面已削弱，严重影响大桥的安全运营，于2004年进行了云南省首例换索工程。云南金沙江皎平渡大桥PE护套老化，拉索、锚具锈蚀，2008年进行了全桥换索。南宁市白沙大桥斜拉索PE护套开裂、老化日趋严重，拉索锈蚀，2006年进行了换索。柳州壶西大桥1994年建成，2001年发现钢绞线拉索大部分出现锈蚀，部分形成严重凹坑，于2006年对104根斜拉索全部进行更换。珠海淇澳大桥2001年建成，运营7年后发现127根斜拉索PE护套开裂，拉索钢丝锈蚀，风致振动强烈，部分索力超限，于2007年进行全桥换索。此外，还有天津永和大桥(2007年)、广西红水河铁路斜拉桥(1998年)、湖南银盆岭大桥(2012年)等也由于锈蚀而进行了拉索更换[9]。 从上述国内外斜拉桥拉索病害与换索工程可以看出，斜拉索远没有达到30年的设计使用寿命，多数是拉索锈蚀、断丝导致承载力降低，不得不提早换索。但是大多数斜拉桥更换拉索时，并没有进一步根据拉索腐蚀状态对承载力和剩余寿命进行评价，更没有综合考虑经济因素、斜拉索的腐蚀速率来选择*佳换索时间。 日本、美国较早开展拉索腐蚀方面的试验与理论研究，特别是对海洋性环境中拉索的腐蚀研究。日本Honshu-Shikoku桥梁管理部门对其负责的多座斜拉桥和悬索桥开展了运营期间拉索腐蚀破坏情况现场调查，积累了多年现场调查数据，并进行拉索预防性维护方法研究，提出防腐蚀涂料涂覆、通风除湿、静态和动态行为监测等措施。Brown[10]采用有限元分析方法研究拉索表面微结构对桥梁镀Zn-Al钢丝腐蚀行为的影响，提出镀Zn-Al钢丝腐蚀理论模型，但该模型需要进一步通过试验来进行验证。此外，Kheyroddin等[11]将海水作为腐蚀介质，在静态荷载的作用下开展加速腐蚀试验，对比研究了不同防护体系的防腐效果。不仅如此，有学者通过人工加速腐蚀试验方法，重点探讨了拉索在NaCl腐蚀介质中的腐蚀行为，获取钢丝样品失重量、抗拉强度、延伸率等指标。结果表明，水和温度是*易造成拉索腐蚀的环境因素，通过加速腐蚀试验证明拉索锚头端腐蚀*为严重，中部和顶端未被腐蚀，溶液中NaCl浓度增加和温度升高都会加速镀锌钢绞线的腐蚀。 张平[12]将高强度镀锌钢丝腐蚀分为四个阶段。阶段1：钢丝表面有轻微金属光泽，但可能在局部位置出现肉眼可见的白色锈点。阶段2：钢丝表面光泽黯淡，甚至覆盖一层锌腐蚀产物(白色氧化皮)，但没有铁基体腐蚀出现。阶段3：铁锈出现在钢丝表面，镀锌层基本耗尽。阶段4：红色铁锈替代白色锈蚀产物覆盖于钢丝表面，表面变得粗糙，出现蚀坑。Furuya等[13]采用2m长拉索样品在自然环境(温度13～23℃，相对湿度30%～100%)中进行暴露试验，根据暴露过程中拉索不同部位温度和相对湿度在24h内随时间的变化曲线，将拉索中镀锌钢丝所处环境划分为4类，研究认为索内水分和高温是形成索内恶劣腐蚀环境的主要原因，其中底端因浸泡在水溶液中而腐蚀*为严重。Nakamura等[14]根据Furuya等得到的拉索内部不同部位环境，分别将桥梁用高强度镀锌钢丝样品置入模拟相应环境的腐蚀装置中，对不同模拟环境中钢丝样品的腐蚀机理进行了分析，重点对试验温度、相对湿度、NaCl溶液浓度等影响因素对腐蚀速率的影响进行了讨论，并估算了相应腐蚀条件下钢丝镀锌层耗尽时间。Nakamura?等[14]将镀锌高强钢丝所处的可能环境划分为4类，并得到4种模拟拉索腐蚀环境中高强钢丝的腐蚀速率。 由于我国大跨度斜拉桥发展历史不长，起步较晚，人们对拉索腐蚀的认识还不够深入，目前开展的工作主要是桥梁管理部门对斜拉桥拉索腐蚀破坏特征现场检测和数据积累，直到后期才开始逐渐对拉索的腐蚀机理进行探索。如陈惟珍等[15]、徐俊等[16]对上海恒丰路立交桥换下的拉索进行了力学试验研究。研究表明，拉索与钢丝的韧性随着钢丝腐蚀程度的恶化而显著降低。当钢丝腐蚀程度轻微时，钢丝延伸率与设计要求基本吻合；当钢丝严重腐蚀后，钢丝的延伸率远低于设计要求。此外，根据腐蚀钢丝外观形貌，将拉索表层钢丝锈蚀程度划分为8个等级，如图?1.1?所示。该方法的优点是比较直观、方便地反映出拉索锈蚀的规律，缺点是主观性强，缺乏定量的判断标准。 图1.1　钢丝锈蚀程度表观分级图像 华南理工大学苏达根等[17]通过对广州海印大桥的拉索进行取样分析得出其钢丝锈蚀的失效原理，发现钢丝的力学性能与其腐蚀程度息息相关，拉索一旦发生腐蚀，其力学性能将会显著降低。东南大学缪长青等[18]依据法拉第定律和腐蚀损伤相当的原则，提出了编制大跨径桥梁构件加速腐蚀当量环境谱的方法，确定了桥梁结构钢材在不同温度、湿度条件下的当量折算关系函数和方法，研究了温湿度对桥梁缆索构件腐蚀的影响规律，提出了大跨径桥梁环境谱编制及当量折算原则。 李冰[19]参照在役汽油管道腐蚀剩余寿命预测的方法和模型，应用极值推定法建立桥梁缆索系统的剩余