預腐蝕橋梁纜索高強鋼絲疲勞試驗

吳 沖，蔣 超，姜 旭

(同濟大學 土木工程學院,上海 200092)

纜索是橋梁的重要受力構(gòu)件，其安全性和耐久性將直接影響整座橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性.在橋梁服役期間，纜索承受環(huán)境腐蝕作用，不可避免地會產(chǎn)生力學性能衰減的現(xiàn)象.近20年來，我國已有15座以上的橋梁吊桿、拉索產(chǎn)生了影響橋梁運營的腐蝕現(xiàn)象，不得不進行更換，腐蝕嚴重的甚至發(fā)生了斷裂[1].目前由于缺乏合理的安全評價方法，在發(fā)現(xiàn)纜索出現(xiàn)腐蝕后，管理部門會立刻對纜索進行更換，大大增加了橋梁維護成本.而安全評價方法的關鍵就是對橋梁纜索鋼絲腐蝕后的力學性能進行準確的評估.

國內(nèi)外很多學者對腐蝕的橋梁纜索高強鋼絲進行了單軸靜力拉伸試驗，研究了腐蝕對鋼絲彈性模量、屈服強度、極限強度、極限應變等指標的影響，并提出了鋼絲的靜力性能退化模型[2-6].相比靜力性能，腐蝕鋼絲疲勞性能方面的研究還比較有限.

Nakamura等[7]研究了不同腐蝕程度鋼絲以及人造蝕坑鋼絲的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)鋼絲疲勞強度隨腐蝕程度的增加而減小，蝕坑處的應力集中是疲勞強度衰減的主要原因.Li等[8]研究了服役18年的斜拉索腐蝕鋼絲的疲勞性能，認為腐蝕導致鋼絲疲勞裂紋萌生相對容易，疲勞源區(qū)會從腐蝕產(chǎn)生的表面缺陷處形成.孫傳智[9]對不同腐蝕程度的退役鋼絲以及人工加速腐蝕鋼絲進行了疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)鋼絲疲勞壽命的離散性隨蝕坑尺寸的增加而增大，應力比對腐蝕鋼絲疲勞壽命的影響很小.鄭祥隆等[10]研究了服役13年的吊桿鋼絲以及人工加速腐蝕鋼絲的疲勞性能以及疲勞斷裂機理，發(fā)現(xiàn)在相同腐蝕程度下，人工加速腐蝕鋼絲的疲勞性能優(yōu)于實橋腐蝕鋼絲，腐蝕鋼絲S-N(應力-疲勞壽命)曲線在低應力幅下會出現(xiàn)拐點.上述研究為橋梁纜索鋼絲疲勞性能退化規(guī)律和建立疲勞性能退化模型提供了依據(jù).但已有的研究無法定量地評價腐蝕程度與疲勞性能的關系，不能應用于橋梁纜索實際剩余疲勞壽命的預測.

基于此，本文采用酸性鹽霧試驗得到了6組共30根不同腐蝕程度的鋼絲試件，試件腐蝕后的質(zhì)量損失率在4%～20%.通過單軸拉伸疲勞試驗分析了這些試件的疲勞性能，分析了預腐蝕對疲勞壽命的影響，建立了考慮腐蝕程度的鋼絲疲勞壽命方程，為橋梁纜索的安全評價方法提供了合理的依據(jù).

1 試驗概況

1.1 試件設計

橋梁纜索高強鋼絲試件采用江蘇法爾勝纜索有限公司提供的B87MnQL型號鋼絲盤條切割而成，鋼絲為鍍鋅高強鋼絲，直徑為7 mm，單位面積的鋅層質(zhì)量為360 g·m-2，鍍鋅層厚度約為50 μm.鋼絲化學成分如表1所示.力學性能參數(shù)通過標準拉伸試驗獲得，如表2所示.根據(jù)鋼絲疲勞試驗的要求，每根鋼絲試件長度取為500 mm，并通過精度為0.001 g 的電子天平稱量試件質(zhì)量為m1.鋼絲兩端包裹長度為100 mm的膠帶，避免腐蝕并內(nèi)置標簽記錄編號，中間保留300 mm的腐蝕區(qū)域.鋼絲通過酸性鹽霧試驗人工加速腐蝕，按規(guī)范《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗：GB/T 10125—2012)》[11]進行，腐蝕溶液的氯化鈉質(zhì)量濃度為(50±5)g·L-1，pH值為3.0，鹽霧箱溫度為(50±2)℃.鋼絲試件分為A～F共6組，每組5根鋼絲，不同組鋼絲鹽霧腐蝕時長不同.腐蝕試驗時長原設置為15、30、45、60、75和90 d，但由于鹽霧箱數(shù)次在持續(xù)工作下發(fā)生故障導致試驗中斷若干小時，鋼絲試件的實際腐蝕時間與預設時長有偏差，實際腐蝕時長分別為318.5、678.0、997.0、1 370.0、1 712.0與1 864.5 h.圖1為不同腐蝕程度的鋼絲試件，淺色為鋅銹，深色為鐵銹.從圖中可以明顯地看出鋼絲表面腐蝕產(chǎn)物的增加.

表1 纜索高強鋼絲化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical composition of high-strength bridge wires %

表2 纜索高強鋼絲力學性能參數(shù)Tab.2 Mechanical properties of high-strength bridge wires

a A組

b B組

c C組

d D組

e E組

f F組圖1 預腐蝕鋼絲試件Fig.1 Pre-corroded steel wires

1.2 預腐蝕鋼絲質(zhì)量損失率測定

腐蝕結(jié)束取出鋼絲試件后，按《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除：GB/T 16545—2015)》[12]進行試件清洗，步驟為：流水中軟毛刷輕微機械清洗、室溫下酸洗液清洗10 min、自來水充分沖洗、蒸餾水及乙醇沖洗.酸洗液同樣按規(guī)范配制，濃鹽酸500 mL中加入3.5 g六次甲基四胺，再加入適量蒸餾水配制成1 000 mL的溶液作為腐蝕鋼絲的清洗液.清洗完畢后用吹風機吹干試件，冷卻至室溫后用電子天平稱重，質(zhì)量為m2.考慮到無腐蝕鋼絲試件在酸洗液內(nèi)也會產(chǎn)生質(zhì)量損失，試驗設置3根未腐蝕的對照試件，故預腐蝕鋼絲試件的實際質(zhì)量損失率η為

(1)

式中：mc1為對照試件初始質(zhì)量；mc2為對照試件清洗后的質(zhì)量.6組試件的質(zhì)量損失率最小為4.3%，最大為18.7%.鋼絲質(zhì)量損失率隨腐蝕時長變化的關系如圖2所示.從圖中可以看出，質(zhì)量損失率與腐蝕時長呈非線性關系，腐蝕速率逐漸變緩.對數(shù)據(jù)進行冪函數(shù)擬合可得質(zhì)量損失率的表達式為

η=5.81×10-4t0.764

(2)

式中：t為腐蝕時長，h.擬合相關系數(shù)R2=0.992，擬合效果很好.

圖2 質(zhì)量損失率與腐蝕時長的關系Fig.2 Weight loss versus exposure time

1.3 單軸拉伸疲勞試驗

試驗在江蘇法爾勝材料分析測試有限公司進行，加載設備采用PLG-200C高頻疲勞試驗機，如圖3所示.采用載荷控制，按正弦波加載，加載頻率為80 Hz.

圖3 鋼絲疲勞試驗裝置Fig.3 Loading system of fatigue test

根據(jù)以往經(jīng)驗，高強鋼絲在進行疲勞試驗時在夾持部位易因應力集中而斷裂.為使試驗獲得理想可靠的結(jié)果，首先對試驗鋼絲試件兩端的夾持部位表面進行噴砂處理，使夾持部位鋼絲表面產(chǎn)生預壓應力，提高其抗疲勞性能，如圖4a所示；隨后用膠帶包裹試件兩端，采用特殊設計的錨具固定鋼絲試件，如圖4b所示.

疲勞試驗的應力比R為0.4，考慮到纜索鋼絲使用中容許應力一般小于0.5倍的抗拉強度即917.5 MPa，因此最大應力范圍設計為520 MPa，此時最大應力為867 MPa，不超過容許應力.本試驗其余應力范圍設計為450、360和270 MPa.360 MPa是《橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲：GB/T 17101—2008)》[13]中規(guī)定的高強度鋼絲疲勞試驗應力范圍.如果在指定應力范圍下200萬次鋼絲試件仍未斷裂，則將應力范圍增大一級繼續(xù)加載.A、B兩組試件由于在應力范圍為270 MPa時加載200萬次未斷裂，因此采用同組其余鋼絲試件另加了應力范圍為300 MPa的情況.

a 噴砂處理

b 端頭錨具圖4 噴砂處理與錨具Fig.4 Sand blasting and anchorage

2 試驗結(jié)果分析

2.1 疲勞試驗結(jié)果

鋼絲疲勞破壞后發(fā)現(xiàn)，鋼絲斷面整齊，無頸縮現(xiàn)象，為標準的疲勞斷口，均表現(xiàn)為脆性破壞.不同腐蝕程度的纜索高強鋼絲的疲勞壽命試驗結(jié)果如表3所示，斷口位置為斷口與鋼絲試件頭部的距離.從表中可以看出,試驗中所有疲勞加載試件均未斷裂在夾持部位，試驗數(shù)據(jù)均有效.

根據(jù)《橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲：GB/T 17101—2008)》[13]中對于纜索鋼絲疲勞性能的規(guī)定，最大拉力為0.45倍極限拉力、應力范圍為360 MPa時，鋼絲加載次數(shù)不能小于200萬次.而A～F組預腐蝕鋼絲試件相對應的疲勞壽命分別為464 954、366 536、230 367、163 443、159 810及127 807次，遠小于規(guī)范規(guī)定的不小于200萬次.其中，A組試件表面仍有部分鋅銹，質(zhì)量損失率為5%左右，但疲勞壽命較規(guī)范至少降低了76.8%.可見一旦有鋼絲基體發(fā)生腐蝕，鋼絲疲勞性能會大幅降低.鍍鋅層對鋼絲疲勞性能的保護不由鍍鋅層完全耗盡的時間決定，而是由局部鍍鋅層耗盡的最短時間決定.

2.2 S-N曲線分析

在雙對數(shù)坐標下，金屬材料的疲勞壽命N與應力幅S通常呈線形關系，表達式如下：

mlgS+lgN=lgA

(3)

式中：m、A均為材料常數(shù).歐洲規(guī)范中纜索吊桿等構(gòu)件的疲勞曲線呈雙直線，即認為不存在疲勞截止限.李先立等[14]對未腐蝕橋梁纜索用高強鍍鋅鋼絲的疲勞性能進行了試驗，試驗用鋼絲的基本參數(shù)與本文一致.在應力比R=0.4以及加載頻率為10～20 Hz下，試驗所得S-N曲線也呈雙直線關系，拐點對應的應力幅為550 MPa.

表3 預腐蝕纜索高強鋼絲疲勞試驗結(jié)果Tab.3 Fatigue test result of pre-corroded bridge wires

將試驗數(shù)據(jù)繪制在雙對數(shù)坐標下，如圖5所示.從圖中可以看出，在雙對數(shù)坐標下，不同腐蝕程度的鋼絲應力幅與疲勞壽命仍然有明顯的雙直線關系，但拐點位置對應的應力幅相比未腐蝕鋼絲有明顯的減小，拐點對應的應力幅在270～360 MPa，低于拐點應力幅時，預腐蝕鋼絲的疲勞壽命有明顯的增大.

圖5 疲勞試驗結(jié)果Fig.5 Results of fatigue test

由于A-4、A-5、B-4、B-5這4根鋼絲試件采取了兩級應力幅加載，數(shù)據(jù)無法直接用于確定S-N曲線，因此需要基于線性累積損傷準則將疲勞壽命換算為單一應力幅下的疲勞壽命.線性累積損傷準則認為，變幅疲勞中各個應力幅Si所造成的疲勞損傷可用ni/Ni來定量表示，且可以線性迭加，任意構(gòu)件在變幅應力循環(huán)(Si，i=1,2,3,…)作用下的損傷度可定義為

(4)

式中：ni為應力幅Si作用的次數(shù)；Ni為用Si作常幅應力循環(huán)試驗時的疲勞破壞次數(shù)；當D≥1時表明構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞.以A-5為例將兩級應力幅下的疲勞壽命換算為單一應力幅下的疲勞壽命

(5)

因此換算得在單一應力幅S=300 MPa時試件疲勞壽命為9 933 216次.

經(jīng)換算后可以得到預腐蝕鋼絲的中值S-N曲線如圖6所示，雙直線拐點處應力幅保守假定為360 MPa(拐點處應力幅越大，低于拐點的應力幅所對應的疲勞壽命越小).從圖中可以看出，當S≥360 MPa時，A～F組預腐蝕鋼絲S-N曲線斜率較接近，曲線隨著腐蝕程度的增加而向左偏移；當S<360 MPa時，S-N曲線的斜率絕對值隨著腐蝕程度的增加而增大，F(xiàn)組預腐蝕鋼絲S-N曲線的雙直線斜率已經(jīng)比較接近，說明隨著腐蝕程度的增大，拐點對應的應力幅隨之降低.中值S-N曲線中的材料參數(shù)如表4所示.

圖6 預腐蝕鋼絲中值S-N曲線Fig.6 S-N curves of pre-corroded steel wires

表4 中值S-N曲線材料參數(shù)值Tab.4 Parameters of S-N curves

2.3 預腐蝕對疲勞壽命的影響

為了考慮腐蝕程度對疲勞壽命的影響，圖7給出了預腐蝕鋼絲疲勞壽命與質(zhì)量損失率η的關系.從圖中可以看出，在相同應力幅下，疲勞壽命對數(shù)值隨著質(zhì)量損失率的增加而線性減小.應力幅為520、450和360 MPa時，疲勞壽命對數(shù)值線性減小的斜率相近，質(zhì)量損失率每增加5%疲勞壽命對數(shù)值減小0.19.當應力幅為270 MPa時，疲勞壽命對數(shù)值線性減小的幅度大于高應力幅，失重率每增加5%疲勞壽命對數(shù)值減小0.40.這說明相比高應力幅，低應力幅下鋼絲疲勞性能對腐蝕更敏感.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是高強鋼絲抗裂紋萌生能力強、抗裂紋擴展能力弱[13].在低應力幅下鋼絲的初始裂紋萌生較難，而腐蝕造成的蝕坑可以迅速發(fā)展成初始裂紋，大大縮短裂紋萌生所需要的時間.

3 S-N-η曲面方程

為了能夠計算特定腐蝕程度下高強鋼絲的疲勞壽命，本文基于試驗數(shù)據(jù)建立S-N-η曲面方程.方程假定：

圖7 預腐蝕鋼絲疲勞壽命與質(zhì)量損失率的關系Fig.7 Fatigue life versus weight loss of pre-corroded steel wires

(1) 預腐蝕鋼絲S-N曲線拐點對應的應力幅保守設為360 MPa；

(2) 材料常數(shù)m、lgA與質(zhì)量損失率線性相關.

通過多元非線性回歸分析，可以得到S-N-η曲面方程的表達式為

當S≥360 MPa時，

(3.154-2.73η)lgS+lgN=13.929-11.09η-kσ

當S<360 MPa時，

(19.246 1-96.19η)lgS+lgN=55.174 0-250.67η-kσ

式中：k為保證率影響系數(shù)，當疲勞壽命對數(shù)值服從正態(tài)分布時，保證率為50.0%、95.0%、97.7%對應的k值為0、1.645、2.000；σ為疲勞壽命對數(shù)值的標準差，試驗結(jié)果統(tǒng)計分析可得σ=0.234 1e0.63η.

中值曲面方程對試件疲勞壽命的擬合如表5所示，26個試件中25個試件擬合誤差在50%以內(nèi)，16個試件擬合誤差在10%以內(nèi).當應力幅大于等于360 MPa時，曲面方程的擬合結(jié)果準確度較高，最大誤差為22.67%，對于工程使用精度是可以接受的；當應力幅小于360 MPa時，50%的擬合結(jié)果誤差大于35%，最大誤差為187.69%.因此，曲面方程低應力幅下需謹慎使用.

采用曲面方程對文獻[7,9,15-16]中可獲得質(zhì)量損失率的實橋銹蝕鋼絲及試驗預腐蝕鋼絲疲勞壽命進行預測，如表6所示.從表中可以看出，95%保證率下的預測值能夠很好地預測實橋銹蝕鋼絲以及預腐蝕鋼絲的疲勞壽命下限，實際疲勞壽命與曲面方程的預測區(qū)間較吻合，本文建立的S-N-η曲面方程有較好的適用性.

表5 預腐蝕鋼絲預測疲勞壽命Tab.5 Predictive fatigue life of pre-corroded steel wires

表6 文獻中預腐蝕鋼絲的預測疲勞壽命Tab.6 Predictive fatigue life of corroded steel wires in previous researches

注：N95%與N50%分別為保證率95%與50%下曲面方程的預測疲勞壽命.

根據(jù)曲面方程，可以得到不同保證率以及不同疲勞壽命要求次數(shù)下的預腐蝕鋼絲疲勞強度建議值.保證率為50.0%、95.0%與97.7%下的預腐蝕鋼絲疲勞強度建議值如表7所示.

表7 預腐蝕鋼絲疲勞強度建議值Tab.7 Fatigue strength of pre-corroded steel wires

4 結(jié)論

通過對不同腐蝕程度的橋梁纜索高強鋼絲進行疲勞試驗，可以得到如下結(jié)論：

(1) 鋼絲的疲勞壽命隨腐蝕程度的增加而急劇減小.表面仍有部分鋅銹，質(zhì)量損失率為4.78%的鋼絲疲勞壽命與規(guī)范規(guī)定的壽命相比至少降低了76.8%.

(2) 腐蝕下高強鋼絲的S-N曲線依然呈雙直線形式，拐點位置對應的應力幅隨腐蝕程度的增加而減小.

(3) 在相同應力幅下，鋼絲疲勞壽命對數(shù)值隨質(zhì)量損失率線性降低.相比高應力幅，低應力幅下腐蝕對鋼絲疲勞性能的影響更大.

(4) 通過對試驗數(shù)據(jù)的多元非線性回歸分析，建立了橋梁纜索高強鋼絲的S-N-η曲面方程，驗證了方程的適用性，并給出了不同保證率以及質(zhì)量損失率下的鋼絲疲勞強度建議值.