考慮環(huán)境侵蝕作用的拱橋吊桿疲勞壽命預(yù)測

張建奎

(內(nèi)蒙古交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

吊桿作為中承式拱橋傳遞荷載的構(gòu)件，將橋面主梁所受的荷載傳遞至拱肋[1]。吊桿一旦出現(xiàn)疲勞斷裂，會導(dǎo)致橋面坍塌，威脅人身安全和財產(chǎn)安全。

以上研究人員的研究成果均假設(shè)吊桿的疲勞抗力強(qiáng)度曲線不變，對吊桿的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。事實上吊桿受外界侵蝕介質(zhì)的作用，材料疲勞強(qiáng)度曲線的參數(shù)會發(fā)生相應(yīng)的變化。本文基于一中承式拱橋吊桿的實測應(yīng)力數(shù)據(jù)，用單調(diào)遞減函數(shù)來描述銹蝕材料的疲勞強(qiáng)度曲線的變化，提出了一種考慮環(huán)境侵蝕作用下吊桿的疲勞壽命評估方法。

1 工程背景

圖1 中承式拱橋的立面示意(單位：m)

2001年11月7日發(fā)生了橋塌事件，其中南岸32#,40#,48#和北岸32#吊桿突然斷裂導(dǎo)致相應(yīng)橋面整體垮塌，于2002年7月維修加固后通車。2015年對該橋的吊桿進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)兩端短吊桿保護(hù)罩與拱肋下表面脫落，局部銹蝕，護(hù)腳底防水墊塊混凝土開裂。針對檢測結(jié)果，決定全部更換該橋吊桿。原位更換新吊桿采用單吊桿體系，除32#短吊桿外其余吊桿采用19根φ15.2、抗拉強(qiáng)度為 1 860 MPa 的環(huán)氧噴涂無黏結(jié)鋼絞線，破斷力為 4 940 kN，普通吊桿在最不利荷載工況下吊桿安全系數(shù)3.37。針對該橋吊桿反復(fù)出現(xiàn)疲勞銹蝕導(dǎo)致安全使用的問題，有必要對更新后吊桿的剩余疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測和討論。

2 交通荷載和吊桿應(yīng)力監(jiān)測

2.1 車輛荷載數(shù)據(jù)調(diào)查

2.2 索力監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖2 32#吊桿應(yīng)力監(jiān)測曲線

為了得到更精確的吊桿應(yīng)力時程曲線，分別在全橋邊跨的32#吊桿、L/4跨的64#吊桿以及中跨的96#吊桿上安裝應(yīng)變傳感器，對全橋關(guān)鍵位置吊桿的應(yīng)力進(jìn)行量測。假設(shè)吊桿在外界荷載作用下不發(fā)生塑性變形，其應(yīng)變與應(yīng)力呈線性關(guān)系，將監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)與吊桿材料的彈性模量(E=195 000 MPa)求積，可得吊桿的應(yīng)力時程曲線，見圖2?？芍O(jiān)測得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)幅值均在-5～15 MPa，應(yīng)力幅值較小，這與該橋?qū)ω涇嚨南扌杏泻艽蟮年P(guān)系。吊桿上出現(xiàn)的應(yīng)力脈沖集中在工作時間內(nèi)，具有很強(qiáng)的時效性。采用雨流計數(shù)法對3種吊桿的應(yīng)力時程數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力幅值的提取，并采用等效疲勞損傷計算表達(dá)式計算日等效應(yīng)力幅值Δσeq和日等效循環(huán)次數(shù)Nd，計算式分別如下

(1)

Nd=ni+nj

(2)

式中:KC和KD分別為疲勞強(qiáng)度系數(shù),KC和KD的取值依據(jù)應(yīng)力幅值的大小，參照Eurocode規(guī)范[8];ni和nj分別為第i和j次應(yīng)力循環(huán);Δσ表示應(yīng)力幅值;Δσ0為不同細(xì)節(jié)類型對應(yīng)疲勞壽命2×108的常幅應(yīng)力值。

3 銹蝕吊桿的疲勞抗力模型

3.1 吊桿的初始抗力模型

歐洲Eurocode規(guī)范給出了針對高應(yīng)力水平與低應(yīng)力水平的2種疲勞曲線表達(dá)式，分別為

(3)

(4)

式中:N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù);m為強(qiáng)度曲線的指數(shù)系數(shù);Δσc為不同細(xì)節(jié)類型對應(yīng)疲勞壽命2×106的常幅應(yīng)力值。

當(dāng)疲勞壽命次數(shù)區(qū)間從(0,5×106]延長至(0,5×108]時，強(qiáng)度曲線的指數(shù)參數(shù)值則由3變成5。當(dāng)壽命次數(shù)大于5×108，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)在此應(yīng)力幅作用下永遠(yuǎn)不會失效。Eurocode規(guī)范將鋼箱梁疲勞細(xì)節(jié)分為14類，圖3為14類細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度的對比曲線。細(xì)節(jié)1在歐洲規(guī)范中對應(yīng)H類，屬于高周期疲勞破壞，則m=5，ΔσD=52 MPa。依據(jù)雨流計數(shù)法，得到材料的等效應(yīng)力幅值為6.7 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該材料的門檻值。如果材料的疲勞強(qiáng)度系數(shù)不發(fā)生改變，則材料不會發(fā)生疲勞失效。

圖3 Eurocode規(guī)范疲勞強(qiáng)度曲線對比

3.2 吊桿的時變疲勞抗力模型

吊桿受外部腐蝕介質(zhì)的侵蝕作用，吊桿的疲勞抗力隨時間增長而減弱。文獻(xiàn)[9]給出了考慮材料銹蝕的疲勞強(qiáng)度曲線的表達(dá)式為

(5)

式中:f(t)為隨材料銹蝕量變化的單調(diào)遞減函數(shù)。

f(t)的表達(dá)式為

f(t)=C(t)/C0

(6)

式中:C0為材料的初始強(qiáng)度系數(shù);C(t)為服役期t所對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度系數(shù)。

C(t)/C0值的劣化大致可分為3個階段:第1階段鋼筋的銹蝕量很小(銹坑深度很淺),C值的下降規(guī)律不明顯;第2階段隨著鋼筋銹坑深度的增長,C值呈線性下降規(guī)律;第3階段當(dāng)銹坑深度達(dá)到一定數(shù)值后,C值將有急劇下降的趨勢。當(dāng)試件的銹坑深度達(dá)到2.0 mm 時C值的下降超過50%。f(t)可以用一個分段函數(shù)來表述[9]，即

(7)

式中:r為吊桿表面最大蝕坑半徑。

依據(jù)2015年現(xiàn)場更換下來服役10年的吊桿，吊桿表面最大蝕坑深度為3 mm。為簡化計算，假設(shè)吊桿中鋼絲的腐蝕速率為勻速的，材料表面最大蝕坑和吊桿服役時間為線性關(guān)系式。

4 疲勞壽命預(yù)測與討論

橋梁運(yùn)營若干年后吊桿細(xì)節(jié)疲勞損傷D表達(dá)式為

(8)

式中：d為天數(shù)。

圖4給出了3根代表性吊桿的疲勞損傷發(fā)展曲線，可知吊桿的疲勞壽命均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限。如果長時間限制貨車過橋，南門橋吊桿在設(shè)計期內(nèi)將不會出現(xiàn)疲勞斷裂。3根代表性吊桿的疲勞發(fā)展曲線吻合度較高，平均疲勞壽命為515年。

圖4 吊桿疲勞損傷發(fā)展曲線

圖5 32#吊桿疲勞傷損發(fā)展曲線

圖5(a)對比了考慮與不考慮吊桿材料銹蝕的疲勞損傷發(fā)展曲線?？芍豢紤]銹蝕對材料疲勞強(qiáng)度的影響時，吊桿呈現(xiàn)線性損傷特征?？紤]銹蝕作用后，吊桿的疲勞壽命顯著下降，在后期材料的損傷值不斷增加。圖5(b)對比了限制貨車與不限制貨車2種情況下，32#吊桿的疲勞損傷發(fā)展曲線?？芍?種情況下，同一吊桿疲勞損傷值在服役年限超過50年后區(qū)別較大?？梢悦黠@得知貨車荷載是影響吊桿疲勞斷裂的關(guān)鍵性因素。

5 結(jié)論

本文基于一中承式拱橋吊桿實測應(yīng)變和交通荷載監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了一種考慮環(huán)境侵蝕作用下吊桿疲勞壽命評估方法，并得到以下結(jié)論：

1)3根典型吊桿疲勞壽命相近，限載后考慮環(huán)境侵蝕作用下3根吊桿的平均疲勞壽命為515年。具有足夠的疲勞安全儲備。

2)對南門橋的吊桿進(jìn)行更換和限制貨車過橋的兩項措施，提高了結(jié)構(gòu)的疲勞抗力，同時也降低了結(jié)構(gòu)所受的疲勞效應(yīng)。在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，該橋的吊桿在使用過程中出現(xiàn)疲勞斷裂的概率非常低。