既有腐蝕拉索鋼絲蝕坑形態(tài)參數(shù)的分布特征

許紅勝，胡亞斯，顏東煌

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

中國(guó)20世紀(jì)修建的100余座斜拉橋中，由于斜拉索鋼絲銹蝕的原因，有超過(guò)20%的斜拉橋進(jìn)行了斜拉索更換，耗資巨大。在基于腐蝕的設(shè)計(jì)方法(CBDA)中，對(duì)于斜拉索這種多鋼絲組成的富余結(jié)構(gòu)，斜拉索失效是建立在鋼絲腐蝕失效的基礎(chǔ)上。而針對(duì)拉索鋼絲腐蝕損傷的試驗(yàn)研究均表明，鋼絲的腐蝕程度與其強(qiáng)度和疲勞壽命的降低存在顯著的關(guān)聯(lián)性。研究結(jié)果表明：要對(duì)拉索的壽命進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，必須準(zhǔn)確地掌握拉索鋼絲的腐蝕程度。最近的拉索鋼絲腐蝕研究指出，點(diǎn)蝕是影響拉索鋼絲力學(xué)性能的關(guān)鍵腐蝕模式，對(duì)拉索鋼絲腐蝕程度的判定需重點(diǎn)研究腐蝕蝕坑的形態(tài)及其參數(shù)特征。

在實(shí)際工程中對(duì)斜拉索腐蝕鋼絲的收集存在一定困難，目前針對(duì)鋼絲腐蝕的試驗(yàn)研究主要采用室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)制備鋼絲樣本。顯然，合適的試驗(yàn)方法對(duì)鋼絲腐蝕相關(guān)研究具有重要意義。該文以實(shí)際工程中更換的腐蝕斜拉索的腐蝕鋼絲作為基礎(chǔ)樣本，對(duì)比不同室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)制備腐蝕鋼絲樣本，進(jìn)行腐蝕鋼絲表面蝕坑幾何形態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律研究，為腐蝕斜拉索的剩余壽命評(píng)估提供蝕坑數(shù)值化的基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)所采用的加速腐蝕試驗(yàn)的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)橋腐蝕鋼絲

長(zhǎng)沙某湘江大橋主橋?yàn)殡p塔單索面塔梁固結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨徑為(105+210+105) m，斜拉索呈扇形分布，東、西塔每塔兩側(cè)各15組斜拉索。該橋1990年12月竣工投入運(yùn)營(yíng)，2005年進(jìn)行的橋梁檢測(cè)發(fā)現(xiàn)斜拉索鋼絲出現(xiàn)較嚴(yán)重腐蝕；2010年再次檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)斜拉索腐蝕程度顯著發(fā)展；2012年9月完成全橋斜拉索更換施工。從更換的斜拉索中選取銹蝕嚴(yán)重的東塔東14號(hào)索、銹蝕較嚴(yán)重的東塔西下游9號(hào)索和銹蝕較輕微的東塔東7號(hào)索，切取出其中腐蝕相對(duì)嚴(yán)重的鋼絲絲段(400 mm長(zhǎng))作為實(shí)橋腐蝕鋼絲樣本(60個(gè))進(jìn)行分析。

1.2 腐蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前針對(duì)拉索鋼絲進(jìn)行的加速腐蝕試驗(yàn)常采用周浸法、鹽霧法、局部腐蝕法(鋼絲表面局部棉紗浸潤(rùn)法)，該文采用周浸法和局部腐蝕法進(jìn)行鋼絲加速腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)情況見表1。

1.3 鋼絲腐蝕分級(jí)

為了有效評(píng)估鋼絲腐蝕的程度，需要對(duì)其腐蝕嚴(yán)重性進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)。文獻(xiàn)[14]根據(jù)JTG/T H21-2011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定結(jié)合試驗(yàn)鋼絲表面銹蝕情況將拉索鋼絲銹蝕劃分成5個(gè)不同程度的等級(jí)，文獻(xiàn)[15]根據(jù)鋼絲表面銹蝕情況將腐蝕等級(jí)分為6級(jí)，文獻(xiàn)[16]在此基礎(chǔ)上增加完好和基本完好的級(jí)別，將鋼絲腐蝕情況劃分為8級(jí)，文獻(xiàn)[17]以文獻(xiàn)[15]的腐蝕分級(jí)為基礎(chǔ)，增加了具體的蝕坑參數(shù)作為腐蝕分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，提高了評(píng)估的操作性。該文依據(jù)文獻(xiàn)[17]的鋼絲腐蝕分級(jí)方法，按6個(gè)腐蝕等級(jí)進(jìn)行腐蝕鋼絲樣本分類，表2為試驗(yàn)樣本數(shù)量表。

表1 鋼絲加速腐蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)情況

表2 腐蝕分級(jí)鋼絲樣本數(shù)量

注：局部腐蝕樣本為每一腐蝕級(jí)別3根張拉試樣，每試樣上4處局部腐蝕試驗(yàn)段。

2 典型蝕坑形貌與分布規(guī)律

2.1 典型蝕坑形貌

從中國(guó)國(guó)內(nèi)部分實(shí)橋腐蝕拉索鋼絲的試驗(yàn)檢測(cè)情況發(fā)現(xiàn)，拉索腐蝕具有明顯的局部特性，即往往出現(xiàn)局部區(qū)段腐蝕較嚴(yán)重的情況。在這些腐蝕嚴(yán)重的局部區(qū)段中，往往出現(xiàn)大量的腐蝕蝕坑，根據(jù)多蝕坑對(duì)應(yīng)力集中影響性的研究成果，當(dāng)兩個(gè)較深蝕坑間距離大于5倍蝕坑半徑時(shí)，蝕坑之間的相互影響可忽略不計(jì)。

蝕坑取樣中以最深蝕坑為近似中心，長(zhǎng)度105 mm的鋼絲嚴(yán)重腐蝕區(qū)段作為蝕坑幾何形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)的調(diào)查區(qū)域，通過(guò)對(duì)嚴(yán)重腐蝕區(qū)段進(jìn)行染色，確定典型蝕坑的位置并進(jìn)行標(biāo)記；將鋼絲表面的染色劑洗去，利用MDA2000工業(yè)顯微鏡對(duì)鋼絲表面的蝕坑進(jìn)行拍照，然后利用與顯微鏡配套的Gaosuo測(cè)量軟件對(duì)標(biāo)識(shí)區(qū)的蝕坑進(jìn)行測(cè)量(多次測(cè)量取平均值)，量取鋼絲表面蝕坑的長(zhǎng)度L、寬度W；鋼絲表面典型蝕坑深度采用深度測(cè)量?jī)x測(cè)量，從蝕坑長(zhǎng)度和寬度方向分別對(duì)蝕坑深度進(jìn)行測(cè)量3次，取平均值作為腐蝕蝕坑的深度h。

為便于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)參考，蝕坑幾何形態(tài)宏觀上可抽象為淺球形、深橢球形、淺橢球形、長(zhǎng)槽形4種，表3為各典型蝕坑幾何形態(tài)照片和參數(shù)特征。

表3 典型蝕坑照片和幾何形態(tài)特征

2.2 蝕坑分布密度及規(guī)律

隨著腐蝕程度的加深，蝕坑的典型形態(tài)和分布密度也會(huì)相應(yīng)隨之變化，因此調(diào)查典型蝕坑的分布情況對(duì)于腐蝕程度的判斷具有良好的指示性。

進(jìn)入統(tǒng)計(jì)范圍的蝕坑其深度h不小于0.03 mm，對(duì)試驗(yàn)樣本的典型蝕坑各級(jí)別的分布密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制各典型蝕坑密度隨腐蝕級(jí)別的變化情況(圖1)。從圖1可看出:3種試驗(yàn)類型的鋼絲腐蝕蝕坑密度走勢(shì)大體相同，實(shí)橋腐蝕蝕坑分布密度大致處于局部腐蝕蝕坑密度和周浸法腐蝕蝕坑密度之間，局部腐蝕的各類型蝕坑的分布密度曲線更接近實(shí)橋；蝕坑形態(tài)在腐蝕初期均以淺球形為主伴有少量的深橢球形，未見有淺橢球形和長(zhǎng)槽形蝕坑；隨著腐蝕級(jí)別的加深，淺球形蝕坑逐漸減少，在6級(jí)銹蝕時(shí)基本趨于0；深橢球蝕坑和淺橢球形蝕坑呈先增后減的趨勢(shì)，深橢球形蝕坑均在3級(jí)銹蝕時(shí)分布密度達(dá)到最大，淺橢球形蝕坑在4級(jí)銹蝕時(shí)分布密度達(dá)到最大；長(zhǎng)槽形蝕坑從3級(jí)銹蝕開始分布密度呈逐漸增大的趨勢(shì)。

圖1 典型蝕坑分布密度變化圖

通過(guò)對(duì)各類型蝕坑在各腐蝕級(jí)別出現(xiàn)的概率進(jìn)行分析，繪制各類型蝕坑在不同試驗(yàn)條件下隨腐蝕級(jí)別變化的概率擬合分布曲線(圖2)。由于篇幅有限，圖2僅給出了深橢球形蝕坑在3類試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的概率隨腐蝕分級(jí)變化的分布圖；同類型蝕坑在不同試驗(yàn)中擬合的曲線類型是完全一致的，且擬合度較高，淺球形蝕坑與腐蝕級(jí)別相關(guān)的概率分布曲線呈負(fù)指數(shù)函數(shù)；深橢球形蝕坑和淺橢球形蝕坑與腐蝕級(jí)別相關(guān)的概率分布曲線呈高斯函數(shù)；長(zhǎng)槽形蝕坑與腐蝕級(jí)別相關(guān)的概率分布曲線呈指數(shù)函數(shù)。

圖2 3類試驗(yàn)下深橢球形蝕坑出現(xiàn)的概率圖

對(duì)上述同類型蝕坑擬合的概率分布曲線在不同試驗(yàn)下進(jìn)行對(duì)比(圖3)，由圖3可以看出：考慮張拉應(yīng)力的局部腐蝕的擬合曲線與實(shí)際工程鋼絲的腐蝕擬合曲線更接近。

3 蝕坑形態(tài)參數(shù)的分布特征

隨機(jī)選取不同類型試驗(yàn)的鋼絲試樣，對(duì)鋼絲表面蝕坑的三維尺寸進(jìn)行測(cè)量并統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)的實(shí)橋腐蝕、周浸腐蝕以及局部腐蝕試樣蝕坑分別為425、294、260個(gè)。通過(guò)分析鋼絲表面蝕坑三維尺寸的數(shù)據(jù)，作出不同試驗(yàn)的蝕坑三維尺寸分布直方圖及對(duì)數(shù)正態(tài)分布曲線(表4)。從表4可得：曲線擬合效果較好，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行k-s假設(shè)檢驗(yàn)(表5)，表5表明：3類試驗(yàn)蝕坑的參數(shù)在顯著性水平α0.05下均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

蝕坑的長(zhǎng)度、寬度以及深寬比服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：

(1)

式中：x為蝕坑變量；μ為變量的對(duì)數(shù)均值；σ為變量的對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

對(duì)不同試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的蝕坑長(zhǎng)度、寬度以及深寬比的概率分布函數(shù)的曲線進(jìn)行對(duì)比如圖4所示，由圖4可得：考慮張拉應(yīng)力的局部腐蝕加速腐蝕鋼絲試樣的形態(tài)參數(shù)的概率分布函數(shù)與實(shí)際工程腐蝕鋼絲試樣的形態(tài)參數(shù)的概率分布函數(shù)擬合度良好。

圖3 各類型蝕坑擬合曲線對(duì)比圖

表4 不同試驗(yàn)典型蝕坑形態(tài)參數(shù)分布直方圖

表5 不同試驗(yàn)典型蝕坑參數(shù)估計(jì)與k-s檢驗(yàn)

圖4 各類型試驗(yàn)下蝕坑形態(tài)參數(shù)的概率分布函數(shù)

4 結(jié)論

(1) 腐蝕鋼絲的蝕坑幾何形狀為淺球形、深橢球形、淺橢球形及長(zhǎng)槽形，在腐蝕初期，試驗(yàn)樣本蝕坑以淺球形及深橢球形為主，隨著腐蝕級(jí)別的加深，蝕坑主要以淺橢球形和長(zhǎng)槽形蝕坑為主。淺球形蝕坑的概率分布服從負(fù)指數(shù)；深橢球形和淺橢球形蝕坑的概率分布呈高斯分布；長(zhǎng)槽形蝕坑的概率分布呈現(xiàn)指數(shù)分布。

(2) 對(duì)3種類型試驗(yàn)的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)蝕坑在長(zhǎng)度、寬度以及深寬比上服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，深度上不服從傳統(tǒng)的隨機(jī)分布模式。

(3) 在該文統(tǒng)計(jì)的蝕坑類型以及蝕坑形態(tài)參數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮張拉應(yīng)力的局部腐蝕加速腐蝕鋼絲試樣的蝕坑統(tǒng)計(jì)規(guī)律與實(shí)際工程腐蝕鋼絲試樣蝕坑統(tǒng)計(jì)規(guī)律具有良好的擬合度。