腐蝕吊索鋼絲力學(xué)性能退化及分布模型研究*

喬 燕 李?lèi)?ài)群 繆長(zhǎng)青 孫傳智

(宿遷學(xué)院建筑工程系1) 宿遷 223800) (東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 南京 210096)

腐蝕吊索鋼絲力學(xué)性能退化及分布模型研究*

喬 燕1)李?lèi)?ài)群2)繆長(zhǎng)青2)孫傳智1)

(宿遷學(xué)院建筑工程系1)宿遷 223800) (東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)南京 210096)

為了進(jìn)行腐蝕吊索承載力評(píng)估，需要研究腐蝕吊索鋼絲力學(xué)性能退化及性能參數(shù)分布模型.利用39根袁州大橋拆除得到的腐蝕舊鋼絲進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，得到鋼絲的名義彈性模型、名義極限強(qiáng)度、名義屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能參數(shù)，分析了力學(xué)性能參數(shù)與失重率、最大蝕坑深度之間的關(guān)系散點(diǎn)圖；采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件分析了名義彈性模型、名義極限強(qiáng)度、名義屈服強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能的概率分布模型，結(jié)果表明，在0.05的顯著性水平下，腐蝕吊索鋼絲的力學(xué)性能參數(shù)不拒絕正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布.

腐蝕吊索；鋼絲；力學(xué)性能；退化；分布模型

0 引 言

在橋梁體系家族中，索承式橋梁以其征服大跨徑的能力而著稱(chēng)，包括系桿拱橋、斜拉橋和懸索橋等橋型.吊索作為關(guān)鍵構(gòu)件，其受力是否安全將直接影響橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性能.近年來(lái)，世界范圍內(nèi)發(fā)生了索承式橋梁吊索斷裂的事故，其中絕大多數(shù)是由于環(huán)境作用、防護(hù)不當(dāng)?shù)仍?，吊索發(fā)生不同程度的腐蝕損傷[1-5].因此，掌握吊索鋼絲力學(xué)性能退化特征對(duì)于索承式橋梁承載力評(píng)估具有重要的基礎(chǔ)意義.

對(duì)于吊索承載力或安全性能評(píng)估，Cremona[6]避開(kāi)選擇拉索強(qiáng)度分布模型的難題，利用鋼絲樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用蒙特卡羅數(shù)值仿真方法模擬拉索的極限強(qiáng)度分布，并結(jié)合車(chē)載統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)懸索橋主纜的剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，研究了Tancarville大橋主纜安全系數(shù).朱勁松等[7]考慮吊索丹尼爾效應(yīng)，將鋼絲延脆性模型和蒙特卡羅仿真方法相結(jié)合，建立了斜拉索承載力模型，利用斷絲率隨服務(wù)期演化的線(xiàn)性經(jīng)驗(yàn)公式，分析了斜拉索在橋梁運(yùn)營(yíng)條件下安全系數(shù)的變異和演化特征，對(duì)招寶山大橋吊索進(jìn)行了安全評(píng)估.Elachachi等[8]在鋼絲力學(xué)性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用蒙特卡羅方法，考慮鋼絲均勻腐蝕的影響，建立了吊索承載力和可靠性評(píng)估模型.實(shí)際工程中，在進(jìn)行索承式橋梁工程的吊索安全評(píng)估時(shí)，一般是首先進(jìn)行吊索開(kāi)窗，如果吊索腐蝕嚴(yán)重，再通過(guò)靜動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)吊索索力和橋面撓度，進(jìn)行吊索承載力評(píng)估，決定是否進(jìn)行吊索更換[9-11].而關(guān)于腐蝕吊索鋼絲力學(xué)性能退化規(guī)律研究還基本沒(méi)有.

本文首先利用袁州大橋腐蝕舊鋼絲進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)研究，得到鋼絲力學(xué)性能退化特征，進(jìn)行鋼絲斷口分析，并研究鋼絲力學(xué)性能參數(shù)分布模型.

1 試件來(lái)源

本試驗(yàn)樣本來(lái)自袁州大橋更換吊桿所得的腐蝕鋼絲，總共39根，見(jiàn)圖1.袁州大橋位于江西省宜春市袁州區(qū)，橫跨秀江河，主橋?yàn)橹谐惺较禇U拱橋，采用平行鋼絲吊索.全長(zhǎng)507.4 m，主橋凈寬20 m，引橋凈寬15 m.主橋跨度85 m.1997年建成通車(chē)，2011年經(jīng)江西省交通科學(xué)研究院檢測(cè)，吊桿鋼絲腐蝕嚴(yán)重，已有斷絲現(xiàn)象，2012年3月進(jìn)行吊桿更換，2012年10月1日竣工通車(chē).

圖1 袁州大橋腐蝕鋼絲

2 腐蝕鋼絲靜力拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)在江蘇省法爾勝材料檢測(cè)公司力學(xué)試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)采用SHT4106電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī).為獲得全程拉伸曲線(xiàn)，全部加載過(guò)程采用應(yīng)變控制方式，加載速度為0.5 mm/min.鋼絲強(qiáng)度采用名義屈服強(qiáng)度和名義極限強(qiáng)度.名義屈服強(qiáng)度為鋼絲的實(shí)際屈服荷載與鋼絲的公稱(chēng)截面面積(鋼絲未腐蝕時(shí)的截面面積)之比；名義極限強(qiáng)度為鋼絲的實(shí)際極限荷載與鋼絲的公稱(chēng)截面面積之比.圖2為本文實(shí)測(cè)獲得的2個(gè)典型腐蝕鋼絲應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，圖3為所有鋼絲的腐蝕鋼絲應(yīng)力-關(guān)系曲線(xiàn).

圖2 典型腐蝕鋼絲應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

圖3 腐蝕鋼絲應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系比較

由圖3可見(jiàn)，總體上鋼絲強(qiáng)度損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于延伸率的損失.其中名義屈服強(qiáng)度最大值為1 587 MPa，最小值為1 479 MPa，名義極限強(qiáng)度最大值為1 722 MPa，最小值為1 518 MPa，而延伸率最大值為5%，最小值僅為1.6%.強(qiáng)度和延伸率之間沒(méi)有必然的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如25#鋼絲的名義屈服強(qiáng)度為1 485 MPa，而延伸率達(dá)到4.4%，43#鋼絲的名義屈服強(qiáng)度為1 520 MPa，而延伸率僅為1.5%.

對(duì)未受損傷且質(zhì)量達(dá)標(biāo)的平行鋼絲進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，其中典型斷口為杯錐式斷口，如表1中新鋼絲斷口(序號(hào)為1).而對(duì)于腐蝕舊鋼絲，通過(guò)觀察其斷口，可以發(fā)現(xiàn)腐蝕平行鋼絲斷口主要為杯錐式斷口、銑刀式斷口和劈裂-銑刀式斷口等3種斷口形式.

表1 鋼絲斷口

由表1可見(jiàn)，表面沒(méi)有宏觀蝕坑的鋼絲拉伸斷裂斷口為杯錐式斷口；而有些鋼絲表面即使存在宏觀蝕坑，但是蝕坑較均勻地分布在鋼絲周圈，其斷口為銑刀式斷口；另外一些鋼絲表面只在局部位置存在宏觀蝕坑，甚至只有一個(gè)宏觀蝕坑，正是蝕坑分布的不均勻造成鋼絲斷口為劈裂-銑刀式斷口.腐蝕鋼絲拉伸斷裂多數(shù)為銑刀式斷裂和劈裂-銑刀式斷口，39根試驗(yàn)試件，其中20根為銑刀式斷裂，15根為劈裂-銑刀式斷裂，只有4根為杯錐式斷裂.從表中可以看出，斷口形式為杯錐式和銑刀式的鋼絲，在斷口附近明顯地出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，二者屬于延性斷口；而斷口為劈裂-銑刀式的鋼絲，斷口附近沒(méi)有出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象，屬于脆性斷口.

根據(jù)鋼絲的力學(xué)性能參數(shù)與失重率之間的關(guān)系見(jiàn)圖4.由圖4可見(jiàn)，各性能參數(shù)數(shù)據(jù)離散性大，與失重率之間沒(méi)有合適的公式進(jìn)行表達(dá).名義彈性模量的趨勢(shì)線(xiàn)基本呈水平狀態(tài)，與失重率之間沒(méi)有明顯關(guān)系.名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度和名義延伸率與失重率有一定的相關(guān)性，從趨勢(shì)線(xiàn)可以看出，名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度和延伸率是隨著失重率的增加而降低，其中延伸率趨勢(shì)線(xiàn)斜率最大，名義極限強(qiáng)度次之，名義屈服強(qiáng)度較小.

圖4 腐蝕鋼絲力學(xué)性能參數(shù)與失重率關(guān)系散點(diǎn)圖

鋼絲的力學(xué)性能參數(shù)與蝕坑最大深度之間的關(guān)系見(jiàn)圖5.由圖5可見(jiàn)，名義彈性模量和最大蝕坑深度之間的趨勢(shì)線(xiàn)不再保持水平.各性能參數(shù)均是隨著蝕坑深度的增加而降低，其中延伸率趨勢(shì)線(xiàn)斜率最大，名義極限強(qiáng)度次之，名義彈性模量較小，名義屈服強(qiáng)度最小.

圖5 腐蝕鋼絲力學(xué)性能參數(shù)與最大蝕坑深度關(guān)系散點(diǎn)圖

3 腐蝕舊鋼絲力學(xué)性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)

雖然名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度、延伸率和名義彈性模量等參數(shù)取值隨蝕坑深度或失重率的增加而降低，但是由于樣本試件少，無(wú)法得到鋼絲主要力學(xué)性能參數(shù)與失重率或最大蝕坑深度的關(guān)系表達(dá)式.鋼絲力學(xué)性能的變異性，以及這種變異性隨著腐蝕的發(fā)展而變化，即使鋼絲的失重率或最大蝕坑深度相等，鋼絲力學(xué)性能也相差比較大.所以本文主要對(duì)樣本試件力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，為以后研究做準(zhǔn)備.圖6、圖8、圖10和圖12為腐蝕鋼絲各性能參數(shù)分布直方圖，圖7、圖9、圖11和圖13為各性能參數(shù)對(duì)數(shù)分布直方圖.

圖6 腐蝕鋼絲名義屈服強(qiáng)度分布直方圖

圖7 腐蝕鋼絲名義屈服強(qiáng)度對(duì)數(shù)分布直方圖

腐蝕鋼絲力學(xué)性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)描述見(jiàn)表2.

圖8 腐蝕鋼絲名義極限強(qiáng)度分布直方圖

圖9 腐蝕鋼絲名義極限強(qiáng)度對(duì)數(shù)分布直方圖

圖10 腐蝕鋼絲延伸率分布直方圖

圖11 腐蝕鋼絲延伸率對(duì)數(shù)分布直方圖

圖12 腐蝕鋼絲名義彈性模量分布直方圖

圖13 腐蝕鋼絲名義彈性模量對(duì)數(shù)分布直方圖

力學(xué)性能參數(shù)N均值標(biāo)準(zhǔn)差極小值極大值名義屈服強(qiáng)度/MPa391517.824.514791587名義屈服強(qiáng)度對(duì)數(shù)397.32490.0167.2997.3696名義極限強(qiáng)度/MPa39161744.415181722名義極限強(qiáng)度對(duì)數(shù)397.38800.02767.32517.4512延伸率/%392.87221.11811.0005.000延伸率對(duì)數(shù)390.97690.410701.6094名義彈性模量/MPa392017788320186154223006名義彈性模量對(duì)數(shù)3912.21410.040712.134312.3150

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸得到腐蝕鋼絲名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度、名義彈性模量和延伸率的正態(tài)分布概率密度函數(shù)以及對(duì)數(shù)正態(tài)分布概率密度函數(shù)，見(jiàn)表3.

表3 腐蝕鋼絲力學(xué)性能正態(tài)分布概率密度函數(shù)及對(duì)數(shù)正態(tài)分布概率密度函數(shù)

利用MATLAB對(duì)名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度、名義延伸率和名義彈性模量的正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布進(jìn)行K-S檢驗(yàn)可知，其正態(tài)分布顯著性水平分別為：0.321,0.821,0.401和0.560，對(duì)數(shù)正態(tài)分布顯著性水平分別為：0.346,0.957,0.751和0.626，均大于正?？山邮艿娘@著性水平 0.05，說(shuō)明腐蝕鋼絲的力學(xué)性能參數(shù)不拒絕正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布，且對(duì)數(shù)正態(tài)分布較顯著.

4 結(jié) 論

1) 名義屈服強(qiáng)度、名義極限強(qiáng)度、延伸率和名義彈性模量等參數(shù)取值隨蝕坑深度或失重率的增加而降低，但是由于樣本試件少，無(wú)法得到鋼絲主要力學(xué)性能參數(shù)與失重率或最大蝕坑深度的關(guān)系表達(dá)式.

2) 利用袁州大橋腐蝕舊鋼絲進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了腐蝕鋼絲力學(xué)性能參數(shù)的概率模型，腐蝕鋼絲的力學(xué)性能參數(shù)不拒絕正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布，得到了性能參數(shù)的正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布概率密度函數(shù).

[1]ABBA G L.The silver bridge collapse recounted[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,1993,7(4):249-261.

[2]HAMILTON H R，BREEN J E，F(xiàn)RANK K H.Investigation of corrosion protection systems for bridge stay cables，research report No.1264-3F[R].Austin：Center for Transportation Research，Bureau of Engineering research，University of Texas at Austin，1995.

[3]李宏江,王 江,張永明,等.天津永和斜拉橋換索后的索力調(diào)整[J].公路交通科技，2008，25(10)：79-83.

[4]周誠(chéng)華，梅秀道.南昌市八一大橋斜拉橋換索工程施工監(jiān)控[J].世界橋梁，2011(2)：73-76.

[5]謝福君,廖龍輝.衡山湘江公路大橋換索方案研究[J].公路，2013(4)：21-24.

[6]CREMONA C.Probabilistic approach for cable residual strength assessment[J].Engineering Structures,2003,25(3)：377-384.

[7]朱勁松，肖汝誠(chéng).大跨度斜拉橋拉索安全性分析方法研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2006，39(9)：74-79.

[8]ELACHACHI S M,BREYSSE D,YOTTE S,et al.A probabilistic multi-scale time dependent model for corroded ctructural suspension cables[J].Probabilistic Engineering Mechanics,2006,21(3):235-245.

[9]徐達(dá)昱，鄭日亮，曹 謙.下承式混凝土系桿拱橋荷載試驗(yàn)與評(píng)定[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，21(1)：1-4.

[10]劉武飛.鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載試驗(yàn)分析[J].公路工程，2012，37(3)：106-110.

[11]孫建平.大跨度鐵路系桿拱橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2012(9)：29-32.

Study on Distribution of Mechanical Properties Degradation and Model of Corroded Cable Wires

QIAO Yan1)LI Aiqun2)MIAO Changqing2)SUN Chuanzhi1)

(DepartmentofArchitectureEngineering,SuqianCollege,Suqian223800,China)1)(KeyLaboratoryforConcreteandPrestressedConcreteStructuresofEducationMinistry,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)2)

In order to carry out capacity evaluation of corroded cable, the mechanical properties degradation of corroded wire and the distributed parameter model must to be studied. The 39 corroded steel wires of Yuanzhou bridge were used to study the nominal elastic model of corroded steel wire,and the nominal ultimate strength and nominal yield strength and elongation and other mechanical properties parameters were studied. The relationship between the maximum depth of corrosion pit mechanics performance parameters and weight loss rate were analyzed, and the probability distribution models of mechanical properties were analyzed using the mathematical statistics analysis software.The results show that, under 0.05 of the significance levels, the mechanical properties parameters of corroded wire does not reject the normal distribution and lognormal distribution.

corroded cable; wire; mechanical properties; degradation; distribution model

2015-01-12

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：51078080)、江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：10KJB58005)資助

U448.22+5

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.009

喬 燕(1976- )：女，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)與力學(xué)