腐蝕對(duì)風(fēng)車(chē)聯(lián)合作用下斜拉橋拉索疲勞可靠性的影響分析

李巖 楊婷婷 夏梁鐘

摘 ? 要：為探討腐蝕對(duì)隨機(jī)交通和風(fēng)載聯(lián)合作用下斜拉索疲勞可靠性的影響規(guī)律和機(jī)理，通過(guò)拉索高強(qiáng)鋼絲的加速腐蝕和疲勞試驗(yàn)，提出了考慮腐蝕的斜拉索疲勞抗力模型;基于線性累積損傷準(zhǔn)則，建立了考慮腐蝕影響的風(fēng)車(chē)聯(lián)合作用下拉索疲勞可靠性的分析方法和流程; 依托工程實(shí)例，分析了腐蝕等級(jí)和時(shí)變腐蝕對(duì)拉索疲勞可靠性的影響. 結(jié)果表明：隨腐蝕加劇拉索動(dòng)態(tài)疲勞可靠指標(biāo)下降速率增大;等級(jí)達(dá)到Ⅲ級(jí)及以上的腐蝕對(duì)拉索疲勞可靠壽命影響顯著，尤其對(duì)于靠近橋塔及輔助墩處拉索;Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)腐蝕時(shí)拉索疲勞壽命相對(duì)無(wú)腐蝕狀況降幅最大分別達(dá)24%和44%;相對(duì)完好狀況，時(shí)變腐蝕影響下拉索的動(dòng)態(tài)疲勞可靠指標(biāo)下降更為迅速，且降幅明顯大于僅考慮腐蝕分級(jí)的狀況.

關(guān)鍵詞：橋梁工程;疲勞可靠性;斜拉索;腐蝕;風(fēng)荷載;車(chē)輛荷載

中圖分類(lèi)號(hào)：U441.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：To study the effect of corrosion on fatigue reliability of stay cables under random traffic and wind load， the fatigue life model for stayed cables considering corrosion is firstly built up based on accelerated corrosion and fatigue performance experimental results for high strength steel wires. Secondly， the fatigue reliability analysis procedure for stay cables under various corrosion levels and time-varying corrosion is established based on the linear cumulative damage theory considering the combination of vehicle and wind load. Finally， the influence of corrosion on fatigue reliability for the stay cable is studied considering the random traffic and wind combined action for a large span cable-stayed bridge. The research results indicate that the down rate of time-varying fatigue reliability increases with the aggravation of corrosion; the corrosion effect on fatigue becomes appreciable when corrosion is higher than level III， particularly for the cables closing to pylon and auxiliary piers; the maximum decreasing amplitude of cable fatigue life are 24% and 44% when corrosion condition changes from zero to level IV and V， respectively; the decrease of time-varying fatigue reliability index under time-varying corrosion is obviously larger than that just corresponding to corrosion level.

Key words：bridge engineering;fatigue reliability;stay cables;corrosion;wind load;vehicle load

斜拉索作為斜拉橋的關(guān)鍵構(gòu)件，運(yùn)營(yíng)期承受車(chē)輛和風(fēng)荷載等反復(fù)作用，其疲勞問(wèn)題一直廣受關(guān)注. 環(huán)境和人為因素的影響可造成拉索系統(tǒng)發(fā)生腐蝕，進(jìn)而造成其抗疲勞性能退化[1-4].國(guó)內(nèi)外有關(guān)拉索腐蝕和疲勞性能評(píng)價(jià)等問(wèn)題已開(kāi)展了一些研究工作. 徐俊結(jié)合實(shí)際斜拉索檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立了鋼絲銹蝕程度八等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[2];徐陽(yáng)通過(guò)人工加速腐蝕試驗(yàn)，利用腐蝕因子描述了高強(qiáng)鋼絲均勻腐蝕與點(diǎn)腐蝕間的關(guān)系，建立了高強(qiáng)鋼絲腐蝕退化的預(yù)測(cè)模型[3];侯金生對(duì)某大橋換下的腐蝕拉索進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，建立了腐蝕拉索S-N曲線時(shí)變退化模型[5];蘭成明等研究提出鋼絲疲勞壽命的多參數(shù)Weibull模型，分析了斜拉索疲勞壽命與其內(nèi)部鋼絲疲勞壽命及斷絲率的關(guān)系[6];Faber等指出平行鋼絲拉索疲勞壽命服從

Weibull分布，并根據(jù)貝葉斯理論更新了平行鋼絲的疲勞壽命評(píng)估模型[7];Matteo等從服役斜拉橋更換下的拉索中獲取鋼絲樣本，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試來(lái)評(píng)

估服役階段索結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)[8]; Cremona等基于

Monte-Carlo法建立了拉索可靠性評(píng)估模型[9];Maljaars等考慮拉索初始缺陷，基于斷裂力學(xué)方法提出一種評(píng)估拉索抗力的概率模型，依托工程實(shí)例進(jìn)行了斜拉索的疲勞失效分析[10]; ？魣lvarez等對(duì)一座服役25年的多塔斜拉橋拉索退化過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)果表明腐蝕可導(dǎo)致拉索疲勞壽命大幅下降[11].目前針對(duì)在役橋梁斜拉索的疲勞可靠性預(yù)測(cè)和評(píng)定研究中，腐蝕因素影響還少有考慮. 不同腐蝕狀況對(duì)運(yùn)營(yíng)斜拉橋拉索的疲勞可靠性影響規(guī)律尚不明晰，難以為在役橋梁斜拉索的疲勞評(píng)估和狀態(tài)預(yù)測(cè)提供必要的依據(jù)和理論基礎(chǔ).

為此，本文在隨機(jī)車(chē)輛-風(fēng)-橋梁系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)分析理論框架下，結(jié)合既有研究的人工加速腐蝕高強(qiáng)鋼絲疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果，建立了考慮腐蝕影響的運(yùn)營(yíng)環(huán)境下斜拉索疲勞可靠度分析方法. 依托算例開(kāi)展腐蝕對(duì)運(yùn)營(yíng)環(huán)境下斜拉橋拉索疲勞可靠性的影響研究，可為在役斜拉橋拉索的疲勞壽命評(píng)價(jià)和安全評(píng)估提供參考.

1 ? 考慮腐蝕的拉索疲勞抗力模型

1.1 ? 人工加速腐蝕高強(qiáng)鋼絲的疲勞性能

依據(jù)拉索常用鍍鋅高強(qiáng)度鋼絲試件的人工加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果[3，12]，通過(guò)對(duì)不同人工加速腐蝕時(shí)長(zhǎng)的鋼絲樣本表觀狀況與腐蝕分級(jí)特征描述[2]的比對(duì)分析，得到試驗(yàn)樣本鋼絲腐蝕等級(jí)如下：1 d-腐蝕等級(jí)Ⅰ;7 d-腐蝕等級(jí)Ⅱ;10 d-腐蝕等級(jí)Ⅲ;30 d-腐蝕等級(jí)Ⅳ;60 d-腐蝕等級(jí)Ⅴ. 選取腐蝕暴露時(shí)間為1 d、7 d、10 d、30 d和60 d的腐蝕鋼絲進(jìn)行4種應(yīng)力水平（0.4～0.8 σu、0.3～0.6 σu、0.25～0.5 σu和0.2～0.4 σu，σu = 1 670 MPa為極限強(qiáng)度，應(yīng)力比為0.5）的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn). 該試驗(yàn)采用先對(duì)鋼絲預(yù)腐蝕，后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的拉索腐蝕疲勞常用試驗(yàn)方法，未考慮應(yīng)力與腐蝕的交互作用. 基于試驗(yàn)結(jié)果，擬合得到上述5種不同腐蝕程度鋼絲的疲勞壽命曲線.

既有研究結(jié)果表明平行鋼絲斜拉索的高強(qiáng)鋼絲和拉索的S-N曲線斜率相同，且當(dāng)概率保證率為99.7%時(shí)，拉索疲勞壽命大于鋼絲疲勞壽命，設(shè)計(jì)疲勞壽命200萬(wàn)次的研究結(jié)果類(lèi)似[3，6]. 同時(shí)，拉索疲勞壽命主要由組成拉索的一小部分疲勞壽命最短鋼絲控制. 考慮到實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境中的拉索腐蝕并不是均勻發(fā)生的，一般按照腐蝕程度最為嚴(yán)重的部分鋼絲狀況確定等級(jí)[2]. 為此，本研究偏安全的基于前述腐蝕鋼絲疲勞試驗(yàn)結(jié)果，將腐蝕鋼絲與拉索的疲勞壽命曲線等效，得到不同腐蝕等級(jí)的拉索（對(duì)應(yīng)不同加速腐蝕周期）的S-N曲線方程如下：

腐蝕等級(jí)Ⅰ：lg N = 23.02 - 6.49 lg S，（1 d）腐蝕等級(jí)Ⅱ：lg N = 21.75 - 6.06 lg S，（7 d）腐蝕等級(jí)Ⅲ：lg N = 21.24 - 5.88 lg S，（10 d）腐蝕等級(jí)Ⅳ：lg N = 19.48 - 5.26 lg S，（30 d）腐蝕等級(jí)Ⅴ：lg N = 19.33 - 5.26 lg S，（60 d） ? ?（1）

上述腐蝕和疲勞試驗(yàn)過(guò)程和相關(guān)數(shù)據(jù)可參考文獻(xiàn)[13]，此不贅述. 目前工程設(shè)計(jì)中對(duì)于斜拉索一般以考慮安全系數(shù)的設(shè)計(jì)荷載（如車(chē)輛活載等）下通過(guò)200萬(wàn)次等效加載循環(huán)作為評(píng)價(jià)其疲勞性能的標(biāo)準(zhǔn). 相關(guān)研究引用最為廣泛的是美國(guó)后張法學(xué)會(huì)斜拉橋委員會(huì)基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出的拉索疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，其中平行鋼絲拉索200萬(wàn)次加載循環(huán)的疲勞應(yīng)力幅設(shè)計(jì)值為144.8 MPa，并指出任何超過(guò)20.69 MPa的受拉應(yīng)力幅應(yīng)計(jì)入[14]. 同時(shí)，拉索疲勞試驗(yàn)研究受時(shí)間和條件等限制，對(duì)于循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)大于200萬(wàn)次的低應(yīng)力幅疲勞試驗(yàn)很少開(kāi)展. 各國(guó)學(xué)者開(kāi)展的斜拉橋拉索疲勞損傷相關(guān)研究，均以既有試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)擬合得到S-N曲線，進(jìn)行橋梁使用荷載下的疲勞壽命或可靠性分析[15-18].

1.2 ? 加速腐蝕與實(shí)際服役的時(shí)間尺度轉(zhuǎn)化

斜拉索內(nèi)部高強(qiáng)鋼絲受外界環(huán)境等因素影響發(fā)生腐蝕后，其腐蝕狀況將隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)不斷惡化[6]. 時(shí)變腐蝕對(duì)拉索疲勞性能的影響，可通過(guò)對(duì)拉索S-N曲線進(jìn)行時(shí)變更新來(lái)描述. 本文以前述試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立加速腐蝕時(shí)間與實(shí)際服役時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)而擬合得到拉索S-N曲線參數(shù)與實(shí)際服役時(shí)間之間的關(guān)系，建立時(shí)變腐蝕拉索S-N曲線退化模型.

當(dāng)人工加速腐蝕試驗(yàn)與實(shí)際服役環(huán)境腐蝕導(dǎo)致的均勻腐蝕深度相同時(shí)，可認(rèn)為加速腐蝕鋼絲與對(duì)應(yīng)的實(shí)際服役環(huán)境腐蝕下鋼絲的腐蝕程度相當(dāng). 實(shí)際斜拉橋由于服役腐蝕環(huán)境差異，其斜拉索的腐蝕速率不同. 通過(guò)均勻腐蝕深度等效原則，可建立人工加速腐蝕時(shí)間尺度與實(shí)際服役時(shí)間尺度的關(guān)系. 現(xiàn)以南京三橋?yàn)槔凑找陨系刃г瓌t，建立人工加速腐蝕與實(shí)際服役時(shí)間尺度的關(guān)系. 該橋位于工業(yè)區(qū)，根據(jù)曹楚南等[19]對(duì)該區(qū)域自然環(huán)境下高強(qiáng)鍍鋅鋼絲腐蝕試驗(yàn)的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)鋼絲24 μm厚度的鍍鋅層全部腐蝕消耗需3.9年. 此時(shí)，鋼絲處于第一腐蝕階段，據(jù)此有如下?lián)Q算：

dact，Zn = ψ1tγ1 ?= ψact，Zn tγ1 ? ? ? act，Zn ? ? ?（4）

式中：dact，Zn為實(shí)際環(huán)境下高強(qiáng)鋼絲均勻腐蝕深度;ψact，Zn 為實(shí)際自然環(huán)境中鋼絲的腐蝕速率;tγ1 ? ? ? act，Zn為自然環(huán)境下拉索暴露時(shí)間. 由觀測(cè)數(shù)據(jù)知dact，Zn = 24 μm，tγ1 ? ? ? act，Zn= 3.9 year. 根據(jù)均勻腐蝕深度等效原則，可獲得人工加速腐蝕試驗(yàn)時(shí)間尺度與實(shí)際服役環(huán)境時(shí)間尺度的關(guān)系：

（5）

由此可知鋼絲腐蝕階段，鹽霧試驗(yàn)條件下1 d相當(dāng)于在該橋所在地區(qū)自然條件環(huán)境腐蝕0.74年的腐蝕程度. 其中鹽霧試驗(yàn)條件為：鹽霧NaCl溶液濃度（5±0.5）%，pH值3.0～3.1，室內(nèi)溫度為（35±2） ℃.

雖然當(dāng)斜拉橋處于不同橋址環(huán)境中時(shí)，斜拉索受到環(huán)境腐蝕的影響程度不同，但采用均勻腐蝕深度等效原則建立人工加速腐蝕試驗(yàn)時(shí)間尺度與實(shí)際服役環(huán)境時(shí)間尺度的換算公式的方法具有通用性[20].

1.3 ? 考慮時(shí)變腐蝕的拉索S-N曲線

研究以前述高強(qiáng)鋼絲加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，建立拉索時(shí)變腐蝕的疲勞退化模型.

首先，為了便于采用公式（1），將拉索S-N曲線方程N(yùn)Sm = C寫(xiě)成對(duì)數(shù)形式：

lg N = A - Blg S ? ? ? ?（6）

式中：A = lg C，B = m，m和C是與材料性能及構(gòu)件構(gòu)造細(xì)節(jié)有關(guān)的常數(shù).

根據(jù)高強(qiáng)鋼絲加速腐蝕試件疲勞試驗(yàn)得到的S-N曲線方程（1），并將試驗(yàn)的時(shí)間尺度，按照方程（5）轉(zhuǎn)化至實(shí)際環(huán)境服役時(shí)間尺度，通過(guò)最小二乘法擬合得到參數(shù)時(shí)變腐蝕拉索S-N曲線的參數(shù)A、B隨時(shí)間變化關(guān)系，時(shí)變曲線如圖2所示.

其中材料性能參數(shù)C可通過(guò)不同腐蝕等級(jí)下的拉索S-N曲線獲得，臨界損傷Dc服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布[21]. 通過(guò)應(yīng)力譜的模擬計(jì)算以及Seq的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)描述交通和風(fēng)荷載的隨機(jī)性. 首先通過(guò)模擬計(jì)算得到多個(gè)典型時(shí)間塊的拉索應(yīng)力時(shí)程，經(jīng)雨流法計(jì)數(shù)處理后獲得應(yīng)力幅及其循環(huán)次數(shù);然后分析得到各時(shí)段的等效應(yīng)力幅，并統(tǒng)計(jì)分析得到各典型時(shí)間段的等效應(yīng)力幅;最后擬合得到等效應(yīng)力幅的隨機(jī)分布類(lèi)型和參數(shù).

2.1.2 ? 腐蝕分級(jí)條件下拉索疲勞可靠性分析模型

將時(shí)變腐蝕拉索的S-N曲線方程（9）代入到拉索疲勞極限狀態(tài)方程（16），可得運(yùn)營(yíng)年限為Ns時(shí)的拉索疲勞極限狀態(tài)方程如下：

2.2 ? 疲勞可靠度計(jì)算過(guò)程和步驟

圖3給出了基于Monte-Carlo法考慮腐蝕的隨機(jī)車(chē)輛與風(fēng)載聯(lián)合作用下的斜拉索疲勞可靠度計(jì)算過(guò)程，篇幅所限，詳細(xì)步驟未予贅述，具體可見(jiàn)文獻(xiàn)[22]. 在此僅對(duì)拉索等效應(yīng)力幅的計(jì)算過(guò)程予以簡(jiǎn)要說(shuō)明：1）按照交通調(diào)查確定車(chē)型、車(chē)重、車(chē)間距和橫向位置隨機(jī)分布模型，進(jìn)行隨機(jī)車(chē)輛模擬，獲得典型時(shí)間塊內(nèi)隨機(jī)交通荷載樣本; 2）按照橋址處風(fēng)荷載統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和概率分布擬合結(jié)果確定極值風(fēng)速、平均風(fēng)速和風(fēng)向服從的概率分布，開(kāi)展風(fēng)速、風(fēng)向和脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程樣本模擬; 3）基于數(shù)值模擬分析程序計(jì)算典型時(shí)間塊內(nèi)拉索的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程; 4）考慮車(chē)輛和風(fēng)荷載隨機(jī)性，對(duì)各樣本典型時(shí)間塊拉索應(yīng)力時(shí)程進(jìn)行應(yīng)力幅和循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì). 基于線性累積損傷等效準(zhǔn)則，以循環(huán)次數(shù)為常量，由式（15）分別計(jì)算得到多個(gè)等效應(yīng)力幅樣本; 5）對(duì)多個(gè)等效應(yīng)力幅樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得其服從概率分布及參數(shù).

大橋隨機(jī)風(fēng)載和交通荷載譜的模擬實(shí)現(xiàn)過(guò)程及相關(guān)結(jié)果詳見(jiàn)文獻(xiàn)[22]. 通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的大跨橋梁風(fēng)車(chē)橋動(dòng)力分析程序，對(duì)橋例進(jìn)行了不同風(fēng)速下隨機(jī)車(chē)流與橋梁耦合振動(dòng)響應(yīng)分析. 考慮交通量增長(zhǎng)的隨機(jī)車(chē)載和風(fēng)載聯(lián)合作用下的拉索應(yīng)力譜計(jì)算、等效應(yīng)力幅概率統(tǒng)計(jì)分析具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程和結(jié)果詳見(jiàn)文獻(xiàn)[22]. 以大橋建成第一年為例，按照2.2節(jié)所述流程，計(jì)算得到J1和J20號(hào)拉索的等效應(yīng)力幅最大值分別為34 MPa和20 MPa（如圖5所示）. 在此有必要對(duì)導(dǎo)致等效應(yīng)力幅較小的原因進(jìn)行解釋?zhuān)嚎紤]典型時(shí)間塊內(nèi)的隨機(jī)風(fēng)載作用后，拉索實(shí)際變幅應(yīng)力幅循環(huán)的次數(shù)較單獨(dú)交通荷載作用情況發(fā)生了幾何

數(shù)量級(jí)水平的大幅度增加，且包含較大比例的低階應(yīng)力幅. 本文等效應(yīng)力幅按應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不變的方式計(jì)算得到，由此導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)得到的等效應(yīng)力幅幅值較小. 拉索實(shí)際存在一定比例的大應(yīng)力幅，如J20拉索最大應(yīng)力幅可達(dá)165.8 MPa，篇幅所限，應(yīng)力時(shí)程未列出，具體可參考文獻(xiàn)[22].

3.2 ? 疲勞分析參數(shù)的確定

根據(jù)式（16） （17）建立拉索的疲勞極限狀態(tài)方程，采用Monte-Carlo法分析拉索疲勞可靠度. 將可靠性分析中涉及的隨機(jī)變量列于表1. 拉索S-N曲線中的參數(shù)m和C為非隨機(jī)變量，分別按照前述腐蝕分級(jí)和時(shí)變腐蝕模型表達(dá)式（1）（7）（8）確定，隨交通量的增長(zhǎng)，應(yīng)力幅循環(huán)次數(shù)n也隨之改變，等效應(yīng)力幅的均值和方差由統(tǒng)計(jì)分析得到.

3.3 ? 考慮腐蝕分級(jí)的拉索疲勞可靠性分析

首先以運(yùn)營(yíng)10年為例，分析得到隨機(jī)交通與風(fēng)荷載聯(lián)合作用下全橋拉索疲勞可靠度（如圖6所示）. 由圖6可知拉索疲勞可靠度分布并不均勻，可靠度較低的拉索主要為江側(cè)J5～J10和岸側(cè)A5～A8范圍（拉索編號(hào)見(jiàn)圖4），最低為A6號(hào)拉索. 為此后繼考慮腐蝕影響的拉索疲勞可靠性分析以A6號(hào)拉索為對(duì)象進(jìn)行.

南京二橋與前述南京三橋所處環(huán)境基本相同，可認(rèn)為前文已建立的人工加速腐蝕試驗(yàn)與實(shí)際服役環(huán)境時(shí)間尺度的換算公式（5）及參數(shù)適用于本橋.

據(jù)實(shí)際交通觀測(cè)和交通量增長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型[23]，考慮過(guò)橋交通量的增長(zhǎng)影響，以A6號(hào)拉索為例，基于前述分析方法得到其在不同腐蝕等級(jí)下的動(dòng)態(tài)疲勞可靠度如圖7所示（假定腐蝕等級(jí)I級(jí)與無(wú)腐蝕條件相當(dāng)）. 可見(jiàn)隨服役時(shí)間增加，各腐蝕等級(jí)的拉索疲勞可靠指標(biāo)均不斷下降，且下降速度在前期（前25年內(nèi)）明顯大于后繼使用期（25年到100年）. 在橋梁運(yùn)營(yíng)初期，隨腐蝕等級(jí)的惡化，拉索疲勞可靠指標(biāo)下降速度變快. 以V級(jí)腐蝕為例，使用期前25年內(nèi)拉索動(dòng)態(tài)疲勞可靠指標(biāo)合計(jì)下降21.8%，下降速率為0.87%/年，為完好狀況下降速率的1.42倍;使用期后75年，拉索可靠指標(biāo)下降了11.3%，下降速率為0.15%/年，為完好狀況下降速率的1.63倍.

為進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)使用期內(nèi)不同腐蝕等級(jí)下拉索的疲勞可靠指標(biāo)差異情況，將不同腐蝕狀況下A6號(hào)拉索動(dòng)態(tài)疲勞可靠指標(biāo)進(jìn)行相鄰等級(jí)差值處理，結(jié)果如圖8所示. 可見(jiàn)，腐蝕等級(jí)Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)、及Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)間的拉索疲勞可靠指標(biāo)差值相對(duì)最小，變化范圍在0.1～0.15之間. 導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因?yàn)棰蚣?jí)和Ⅲ級(jí)腐蝕時(shí)拉索內(nèi)部高強(qiáng)鋼絲都處于鍍鋅層腐蝕階段;Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)則都處于拉索內(nèi)部高強(qiáng)鋼絲受腐蝕階段. 腐蝕等級(jí)Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)間的可靠指標(biāo)差值變化范圍在0.29～0.36間，該差值主要是由于Ⅱ級(jí)腐蝕時(shí)高強(qiáng)鋼絲鋅層開(kāi)始腐蝕所致;腐蝕等級(jí)Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)的可靠指標(biāo)差值處于0.41～0.55之間，相對(duì)變化最為顯著，這是由于Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)正處在鋅層腐蝕與高強(qiáng)鋼絲腐蝕的過(guò)渡階段，當(dāng)內(nèi)部高強(qiáng)鋼絲開(kāi)始腐蝕時(shí)導(dǎo)致了拉索的疲勞可靠指標(biāo)明顯降低.

為考察腐蝕等級(jí)對(duì)全橋拉索疲勞可靠度的影響規(guī)律，以服役期10年為例進(jìn)行了拉索疲勞可靠度分析，結(jié)果如圖9所示. 可見(jiàn)隨腐蝕等級(jí)提高，全橋拉索的疲勞可靠指標(biāo)均呈明顯下降趨勢(shì)，其中可靠指標(biāo)最低的為A6號(hào)拉索，腐蝕Ⅴ級(jí)相對(duì)Ⅰ級(jí)條件下其可靠指標(biāo)下降了19.6%.

為進(jìn)一步研究腐蝕等級(jí)對(duì)拉索疲勞壽命的影響，選取目標(biāo)可靠指標(biāo)為3.5[23]，進(jìn)行了全橋拉索疲勞可靠壽命預(yù)測(cè)分析，結(jié)果如圖10所示.

由圖10可知，腐蝕等級(jí)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ條件下，目標(biāo)可靠指標(biāo)全橋拉索疲勞壽命均可達(dá)到100年;當(dāng)腐蝕等級(jí)達(dá)到Ⅳ級(jí)以上時(shí)，腐蝕對(duì)中等長(zhǎng)度拉索疲勞壽命影響較大;當(dāng)腐蝕程度達(dá)到Ⅳ級(jí)時(shí)，全橋拉索疲勞壽命較無(wú)腐蝕的降幅為1%～24%;腐蝕等級(jí)為Ⅴ級(jí)時(shí)，全橋拉索疲勞壽命降幅為1%～44%.

3.4 ? 考慮時(shí)變腐蝕的拉索疲勞可靠性分析

實(shí)際斜拉橋拉索發(fā)生腐蝕后，腐蝕會(huì)由于環(huán)境和荷載等因素的影響逐步發(fā)展，其過(guò)程可通過(guò)前述建立的拉索時(shí)變腐蝕疲勞模型進(jìn)行描述. 為研究時(shí)變腐蝕對(duì)拉索疲勞可靠性的影響，針對(duì)橋例在時(shí)變腐蝕、不同腐蝕等級(jí)和無(wú)腐蝕條件下拉索的動(dòng)態(tài)疲勞可靠指標(biāo)進(jìn)行分析，并以A6號(hào)拉索為例給出分析結(jié)果（如圖11所示）. 發(fā)現(xiàn)時(shí)變腐蝕影響下（假定腐蝕從橋梁通車(chē)運(yùn)營(yíng)開(kāi)始），前25年內(nèi)拉索的疲勞可靠指標(biāo)下降了41.9%，降幅速率為1.68%/年，其疲勞可靠指標(biāo)降幅及其速率分別為腐蝕Ⅰ級(jí)到Ⅴ級(jí)的2.74倍、2.46倍、2.35倍、1.98倍和1.43倍. 服役期第25年至100年，時(shí)變腐蝕拉索的可靠指標(biāo)下降了46.9%，降幅速率為0.63%/年，降幅及其速率分別為腐蝕I級(jí)到V級(jí)的6.80倍、5.90倍、5.54倍、4.33倍和4.14倍.

綜上所述，拉索腐蝕一旦發(fā)生，如不及時(shí)采取必要的維修和補(bǔ)救措施，則在時(shí)變腐蝕影響下拉索的疲勞可靠指標(biāo)將迅速下降，其下降幅度和速度較僅考慮腐蝕分級(jí)更為明顯，時(shí)變腐蝕導(dǎo)致的拉索損傷積累速率相比于腐蝕程度不變的情況增長(zhǎng)更快，進(jìn)而造成拉索疲勞可靠壽命急劇下降. 因此在實(shí)際工程中及時(shí)在早期發(fā)現(xiàn)拉索腐蝕病害并進(jìn)行及時(shí)處理，采取有效措施避免腐蝕惡化或有效減緩其發(fā)展，是保證拉索安全和延長(zhǎng)其使用壽命的關(guān)鍵.

斜拉索運(yùn)營(yíng)期的維護(hù)質(zhì)量也是顯著影響拉索疲勞可靠壽命的重要因素. 現(xiàn)以橋例拉索受到腐蝕影響的起始時(shí)間分別為運(yùn)營(yíng)10年、15年和20年后為例，分析時(shí)變腐蝕模型下腐蝕開(kāi)始時(shí)間對(duì)拉索動(dòng)態(tài)疲勞可靠性的影響. 以A6號(hào)拉索為例，分析結(jié)果如圖12所示. 目標(biāo)可靠指標(biāo)為3.5條件下，腐蝕開(kāi)始時(shí)間為運(yùn)營(yíng)10年、15年和20年的拉索疲勞可靠壽命分別為13年、18年、38年;腐蝕發(fā)生后仍可安全運(yùn)營(yíng)的時(shí)間分別為3年、5年、18年. 可見(jiàn)，腐蝕發(fā)生時(shí)間越早，拉索的疲勞可靠性下降越快.

因此，在既有橋梁的斜拉索腐蝕檢測(cè)與壽命評(píng)估中，應(yīng)考慮腐蝕開(kāi)始時(shí)間的影響，以便更為合理地估計(jì)拉索的安全使用壽命，科學(xué)選擇拉索的維護(hù)或更換處置方案，提高維護(hù)經(jīng)濟(jì)性.

5 ? 結(jié) ? 論

1）基于拉索高強(qiáng)鋼絲的加速腐蝕試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，并結(jié)合既有的相關(guān)研究結(jié)果，提出了考慮腐蝕的斜拉索疲勞抗力模型，建立了考慮腐蝕影響的斜拉索疲勞可靠度分析方法，可為在役斜拉橋的拉索疲勞壽命評(píng)估提供基礎(chǔ)和借鑒.

2）拉索動(dòng)態(tài)疲勞可靠指標(biāo)的下降速率隨腐蝕等級(jí)提高而增大，且運(yùn)營(yíng)初期下降速度遠(yuǎn)大于后期;腐蝕程度為Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)時(shí)，腐蝕對(duì)拉索疲勞可靠壽命的影響較小;當(dāng)腐蝕等級(jí)達(dá)到Ⅲ級(jí)及以上時(shí)，對(duì)拉索疲勞壽命影響明顯，尤其對(duì)靠近橋塔及輔助墩處拉索的影響最大，其中Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)腐蝕時(shí)，拉索疲勞壽命較無(wú)腐蝕狀況的降幅最大分別達(dá)24%和44%.

3）相鄰腐蝕等級(jí)下拉索動(dòng)態(tài)疲勞可靠指標(biāo)的變化程度分析表明：腐蝕Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)間的疲勞可靠指標(biāo)變化幅度最?。?.1～0.15），腐蝕I級(jí)和Ⅱ級(jí)的可靠指標(biāo)變化幅度較大（0.29～0.36），腐蝕Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)的可靠指標(biāo)變化幅度最大（0.41～0.55）;相鄰腐蝕等級(jí)處于不同的腐蝕階段（鋅層腐蝕階段與高強(qiáng)鋼絲內(nèi)部腐蝕階段）是導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)的拉索疲勞可靠指標(biāo)產(chǎn)生顯著變化的主要原因.

4）時(shí)變腐蝕影響下拉索的動(dòng)態(tài)疲勞可靠指標(biāo)下降迅速，其降幅和降速均明顯大于僅考慮腐蝕分級(jí)的情況. 時(shí)變腐蝕條件下運(yùn)營(yíng)前期（前25年）拉索疲勞可靠指標(biāo)降幅為腐蝕Ⅰ級(jí)到Ⅴ級(jí)的2.74倍、2.46倍、2.35倍、1.98倍和1.43倍;運(yùn)營(yíng)后期（25年至100年）的疲勞可靠指標(biāo)降幅為腐蝕Ⅰ級(jí)到Ⅴ級(jí)的6.80倍、5.90倍、5.54倍、4.33倍和4.14倍.

5）腐蝕發(fā)生的時(shí)間對(duì)拉索疲勞可靠性具有顯著影響. 發(fā)生時(shí)間越早，拉索的疲勞可靠壽命越短. 建議在既有橋梁斜拉索的運(yùn)營(yíng)維護(hù)和檢測(cè)評(píng)估時(shí)，既要關(guān)注腐蝕等級(jí)對(duì)拉索疲勞可靠性影響，也應(yīng)考慮腐蝕開(kāi)始時(shí)間的不利影響.

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