局部腐蝕下鋼圈限位裝置力學性能及使用年限預(yù)測

王占飛,任 浩,張 強,侯雯峪

(沈陽建筑大學交通工程學院,遼寧 沈陽 110168)

橋梁遭遇地震作用時,若上下部結(jié)構(gòu)間的相對位移超過其設(shè)計限值,則會引起落梁震害[1-2]。為減少落梁,韓強、袁萬城等[3-5]研究了多種橋梁限位裝置。王占飛等[6-8]等提出了一種兼具多級設(shè)防水準與緩沖耗能能力的防落梁鋼圈限位裝置,并在靜力加載試驗下建立了該限位裝置力-位移曲線的計算公式。限位裝置能有效控制橋梁結(jié)構(gòu)間相對位移、避免落梁,但這些研究均在理想條件下進行,而未考慮限位裝置的腐蝕問題。限位裝置常安裝于橋梁上下部結(jié)構(gòu)間,極易受環(huán)境影響出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象[9]。腐蝕會降低結(jié)構(gòu)的承載能力[10-16]，但因當前缺乏對限位裝置腐蝕問題的研究,故各類限位裝置在腐蝕后的力學性能尚不明確,其承載力退化程度如何,能否滿足抗震要求尚未可知。筆者已分析研究了均勻腐蝕下鋼圈限位裝置的力學性能[17]，但與均勻腐蝕相比,因防腐涂層局部脫落、腐蝕因子局部積累而引起的局部腐蝕更易發(fā)生。對此,筆者通過建立局部腐蝕鋼圈限位裝置有限元模型,研究局部腐蝕條件下鋼圈限位裝置的力學性能,提出局部腐蝕鋼圈限位裝置承載力退化比計算式,并預(yù)測不同局部腐蝕條件下鋼圈限位限位裝置的使用年限。

1 防落梁鋼圈限位裝置

鋼圈限位裝置(SRR)如圖1所示。由連接板、導向輪及限位鋼圈3部分組成。地震作用下,連接板帶動導向輪在限位鋼圈內(nèi)滑動,利用限位鋼圈對導向輪的約束,限制橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的相對位移。

圖1 鋼圈限位裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of SRRs

該限位裝置在水平外荷載下的典型力-位移曲線如圖2所示[6-8]。

圖2 鋼圈限位裝置典型力-位移曲線Fig.2 Typical force-displacement curve of SRR

從圖2可知,在日常荷載作用下,該限位裝置無明顯反力產(chǎn)生,且不會進入工作狀態(tài)。在中小地震(E1地震)作用下可提供較小承載力與剛度K1,維護橋梁的日常交通功能;在罕遇地震(E2地震)下可提供較大承載力與剛度K2,避免落梁。同時,在剛度K1向剛度K2轉(zhuǎn)變過程中會經(jīng)歷一段緩沖區(qū)域,可有效避免剛度突變而對橋梁帶來沖擊。由此可見,與傳統(tǒng)限位裝置相比,鋼圈限位裝置兼具多級多水準的抗震性能與一定的緩沖耗能能力,其工作機理也符合韌性交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求。

2 鋼圈限位裝置局部腐蝕

在土木工程領(lǐng)域多采用截面削減法研究腐蝕對金屬構(gòu)件力學性能的影響[9-10]。該方法能在一定程度上反映腐蝕構(gòu)件的受力特征[11-17]。對此,筆者結(jié)合 Q.ZHANG[18]提出的局部截面缺陷分析方案,通過削減限位鋼圈局部區(qū)域的截面厚度(見圖3),研究局部腐蝕條件下鋼圈限位裝置的力學性能。

圖3 鋼圈限位裝置局部缺陷分析方法Fig.3 Analysis method of local defect of SRRs

2.1 局部腐蝕區(qū)域

圖4為3號區(qū)域發(fā)生局部腐蝕,削減該區(qū)域截面厚度示意圖。

圖4 鋼圈限位裝置局部腐蝕模擬Fig.4 Local corrosion simulation of SRRs

局部腐蝕具有隨機性,筆者在綜合考慮模擬精度與分析模型數(shù)量的基礎(chǔ)上,將限位鋼圈圓弧段按15°劃分成26個區(qū)域并編號,隨后根據(jù)編號順序依次削減各區(qū)域的截面厚度,模擬鋼圈限位裝置在不同位置出現(xiàn)局部腐蝕后的截面狀態(tài)。

2.2 局部腐蝕程度

筆者采用腐蝕率η反映鋼圈限位裝置的局部腐蝕程度:

(1)

式中:A、V和m為限位鋼圈的原截面面積、體積及質(zhì)量;Ac、Vc和mc為腐蝕后腐蝕區(qū)域的截面面積、體積及質(zhì)量;l為限位鋼圈總體弧線長度;lc為腐蝕區(qū)域的弧線長度。

3 數(shù)值模擬

3.1 局部腐蝕鋼圈限位裝置有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件研究局部腐蝕鋼圈限位裝置的力學性能。建立有限元模型如圖5所示,其中限位鋼圈采用CPS4R殼單元模擬,導向輪采用解析剛體模擬。限位鋼圈與導向輪間徑向為硬接觸,切向為摩擦接觸,摩擦系數(shù)為0.3。鋼材的材料特性:屈服應(yīng)力σy為293.71 MPa、極限應(yīng)力σu為424.15 MPa、彈性模量E為209.79 GPa、泊松比υ為0.25、伸長率δ為38.14%[17]。

圖5 局部腐蝕鋼圈限位裝置有限元模型Fig.5 FE model of locally corroded SRRs

3.2 加載方案

局部腐蝕會改變鋼圈限位裝置的幾何對稱性,使得導向輪加載方向會影響其力學性能。對此，筆者以同一SRR為例建立可能發(fā)生的4種加載工況有限元模型,探討局部腐蝕率η=5%時不同加載工況的影響,加載方式及分析結(jié)果如圖6所示。從圖可知,不同加載方式有限元模型A、B、C和D獲得力-位移曲線一致。表明模型存在對稱關(guān)系時,加載工況不會對鋼圈限位裝置力學性能產(chǎn)生影響。因此,采用模型A加載工況進行分析,其他工況分析結(jié)果利用模型對稱關(guān)系獲得。

圖6 局部腐蝕率η為5%時鋼圈限位裝置的加載工況及有限元分析結(jié)果Fig.6 Loading cases and FE results of locally corroded SRRs when the local corrosion rate ηwas 5%

3.3 有限元分析結(jié)果

以a=25 mm、R=120 mm、D=40 mm、截面面積A=180 mm2和A=160 mm2為基本分析模型,依據(jù)區(qū)域編號順序,按腐蝕率0%、5%、10%、15%及20%依次削減各區(qū)域的截面厚度,建立Ⅰ(A=180 mm2)組和Ⅱ(A=160 mm2)組共210個局部腐蝕鋼圈限位裝置有限元模型。

3.3.1 局部腐蝕對力-位移曲線的影響

局部腐蝕對鋼圈限位裝置力-位移曲線的影響規(guī)律基本一致,筆者以Ⅰ組有限元模型為例,分析腐蝕率及腐蝕區(qū)域?qū)ζ淞?位移曲線的影響趨勢(見圖7)。

圖7 局部腐蝕對鋼圈限位裝置力-位移曲線的影響Fig.7 Influence of local corrosion on the force-displacement curve of SRRs

圖7(a)為限位鋼圈1號位置發(fā)生腐蝕,腐蝕率為0%、5%、10%、15%及20%時,鋼圈限位裝置的力-位移曲線。圖7(b)為腐蝕率為20%,1、2、3及4號區(qū)域發(fā)生腐蝕時,鋼圈限位裝置的力-位移曲線。

從圖7可知,不同局部腐蝕條件下鋼圈限位裝置的力-位移曲線,與未發(fā)生局部腐蝕鋼圈限位裝置的力-位移曲線的變化趨勢基本一致:即加載初期,隨位移增加,限位裝置呈現(xiàn)較小的反力,并在此階段形成第1個穩(wěn)定的剛度K1;隨位移繼續(xù)增加,限位裝置的承載力及剛度快速上升,并在此形成第2個穩(wěn)定剛度K2;最終在該裝置達到極限承載力Fu后,其承載力快速下降。可見,局部腐蝕并未對鋼圈限位裝置力-位移曲線的變化特征產(chǎn)生影響。此外還可看出:隨腐蝕率增加,鋼圈限位裝置的剛度K1、K2基本不變,而極限承載力Fu及極限位移δu均有所降低;改變腐蝕區(qū)域,剛度K1、K2同樣變化微小,而極限承載力Fu與極限位移δu變化顯著,這表明局部腐蝕對鋼圈限位裝置的Fu與δu影響顯著,而對剛度K1、K2影響較小。因此在后續(xù)研究中,筆者系統(tǒng)分析了局部腐蝕對鋼圈限位裝置Fu與δu的影響。

3.3.2 腐蝕率對Fu與δu的影響

表1為部分局部腐蝕鋼圈限徑裝置有限元分析結(jié)果。為直觀反映局部腐蝕的影響趨勢,分析結(jié)果以退化比γ的形式給出,即腐蝕后鋼圈限位裝置的極限承載力、極限位移與未腐蝕鋼圈限位裝置極限承載力和極限位移的比值。其中 Ⅰ 組中未腐蝕鋼圈限位裝置的Fu、δu為111.3 kN和326 mm;Ⅱ 組中未腐蝕鋼圈限位裝置的Fu、δu為95.1 kN和322 mm。

表1 部分局部腐蝕鋼圈限位裝置有限元分析結(jié)果Table 1 FE results of locally corroded SRRs

圖8為不同腐蝕率下,鋼圈限位裝置的承載力退化比與位移退化比結(jié)果。

圖8 不同腐蝕率下鋼圈限位裝置承載力退化比及位移退化比Fig.8 Degradation ratio of ultimate strength and ultimate displacement of SRRs under different corrosion rate

從圖8(a)可知,隨腐蝕率增加,鋼圈限位裝置的極限承載力下降顯著,當η達到20%時,個別鋼圈限位裝置的承載力退化比已降至0.8。而反觀圖8(b),隨腐蝕率增加,鋼圈限位裝置的極限位移雖有所下降,但在η升至20%時,大部分鋼圈限位裝置位移退化比仍保持在0.9以上?？梢?當鋼圈限位裝置出現(xiàn)局部腐蝕,隨腐蝕率增加,其極限承載力會明顯降低,而極限位移則變化較小。

3.3.3 腐蝕區(qū)域?qū)u的影響

圖9為相同腐蝕率,不同區(qū)域局部腐蝕后,鋼圈限位裝置的承載力退化比。從圖9可知,在相同腐蝕率下,改變腐蝕區(qū)域會對鋼圈限位裝置的極限承載力產(chǎn)生顯著影響。其中當局部腐蝕發(fā)生在限位鋼圈4、11、16、23區(qū)域時,鋼圈限位裝置承載力退化比下降幅度最大;其次為3、12、15、24區(qū)域與2、13、14、25區(qū)域、其他區(qū)域下降程度最小。

圖9 不同腐蝕區(qū)域下鋼圈限位裝置承載力退化比包絡(luò)曲線Fig.9 Envelope curves of ultimate strength degradation ratio of SRRs under different corrosion regions

為直觀反映這種影響,將發(fā)生局部腐蝕的區(qū)域定義為如圖10所示的4類局部腐蝕敏感區(qū)域。

圖10 鋼圈限位裝置局部腐蝕敏感區(qū)域Fig.10 Corrosion sensitive regions of SRRs

第1類敏感區(qū)域表示,當該區(qū)域發(fā)生局部腐蝕時,鋼圈限位裝置極限承載力下降程度最大;第2類敏感區(qū)表示極限承載力下降程度較大;第3類敏感區(qū)則表示下降程度一般;第4類敏感區(qū)為下降不明顯。

3.3.4 腐蝕率及腐蝕區(qū)域?qū)嗔盐恢玫挠绊?/p>

不同局部腐蝕條件下,鋼圈限位裝置的斷裂位置呈現(xiàn)出一定規(guī)律。以A180組局部腐蝕發(fā)生于3號(局部腐蝕敏感程度為2類)及7號(局部腐蝕敏感程度為4類)區(qū)域的有限元模型為例進行說明。所選模型最終斷裂位置如圖11所示。

圖11 局部腐蝕鋼圈限位裝置截面斷裂位置Fig.11 Fracturelocation of SRRs with local corrosion

當η僅為5%時,兩鋼圈限位裝置的斷裂位置均出現(xiàn)在與導向輪接觸部位。但當η上升至10%,腐蝕發(fā)生在3號區(qū)域的限位裝置便開始在腐蝕區(qū)域內(nèi)斷裂,而發(fā)生在7號區(qū)域的限位裝置依舊在與導向輪接觸部位斷裂。當η繼續(xù)上升至15%及20%,腐蝕發(fā)生在7號區(qū)域的限位裝置也開始在腐蝕區(qū)域內(nèi)斷裂。由此可知,局部腐蝕下鋼圈限位裝置的斷裂位置受腐蝕區(qū)域及腐蝕率影響:輕微腐蝕時,無論任何位置出現(xiàn)局部腐蝕,其斷裂均發(fā)生在與導向輪接觸部位。腐蝕程度進一步增加,鋼圈限位裝置的斷裂位置則由腐蝕區(qū)域所主導。當腐蝕率達到一定程度,鋼圈限位裝置在外荷載下發(fā)生斷裂的位置均發(fā)生在腐蝕區(qū)域。

4 耐久性分析

4.1 局部腐蝕鋼圈限位裝置承載力退化比

為保證地震下帶有局部腐蝕損傷的鋼圈限位裝置能充分發(fā)揮限位功能,筆者運用Origin軟件對210個有限元模型的承載力退化結(jié)果進行擬合,得到不同敏感區(qū)域出現(xiàn)局部腐蝕后鋼圈限位裝置承載力退化比。

(1)第1類敏感區(qū)

(2)

(2)第2類敏感區(qū)

(3)

(3)第3類敏感區(qū)腐蝕

(4)

(4)第4類敏感區(qū)腐蝕

(5)

式中:γFi,Fηi分別為在第i類敏感區(qū)出現(xiàn)局部腐蝕后,鋼圈限位裝置的承載力退化比和極限承載力;Fu為未腐蝕狀態(tài)下鋼圈限位裝置的極限承載力。

其中,Fu可按照式(6)計算[7]:

(6)

將兩組有限元模型在不同敏感區(qū)域出現(xiàn)局部腐蝕后的極限承載力,與相應(yīng)的公式計算結(jié)果進行對比(見圖12)。通過對比可知,公式計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果最大誤差不超過5%,表明該公式具有較高精度。

圖12 公式計算結(jié)果與有限元結(jié)果對比Fig.12 Comparison results of formulas and FEAs

4.2 局部腐蝕鋼圈限位裝置使用年限預(yù)測

局部腐蝕會降低鋼圈限位裝置的承載能力,當其承載力降至原設(shè)計承載力以下時,將無法繼續(xù)保證該裝置在地震時限位功能的正常發(fā)揮。對此,筆者將鋼圈限位裝置極限承載能力退化至原設(shè)計承載力時經(jīng)歷的時間定義為該裝置的使用年限,并對該限位裝置使用年限的計算方法進行了探討。

鋼圈限位裝置的設(shè)計承載力計算方法[8]為

Fd=2×σu×A×0.6.

(7)

根據(jù)《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕性第2部分:腐蝕等級的指導值》(GB/T 19292.2—2018),碳鋼腐蝕速率計算方法為

dD/dt=brcorr(t)b-1.

(8)

式中:rcorr為金屬第1年的腐蝕速率,μm/a;b為金屬環(huán)境參數(shù);D為金屬的腐蝕深度。

將式(7)與先前求得鋼圈限位裝置承載力退化比公式聯(lián)立,可求得鋼圈限位裝置承載力退化至其原設(shè)計承載力時的臨界腐蝕率。利用腐蝕率與腐蝕面積的關(guān)系,可推導出在臨界腐蝕率下鋼圈限位裝置的腐蝕深度D。利用腐蝕深度與腐蝕速率的關(guān)系,即可獲得鋼圈限位裝置使用年限的計算式:

(9)

式中:tηi為第i類敏感區(qū)出現(xiàn)局部腐蝕后,鋼圈限位裝置的使用年限,a;t1為防腐涂層或等防腐措施的失效年限,a;C為未腐蝕狀態(tài)下,鋼圈限位裝置的設(shè)計截面周長mm。

以Ⅰ組的鋼圈限位裝置基本分析模型為例，假設(shè)在國內(nèi)不同腐蝕環(huán)境等級地區(qū)使用時,在不同敏感區(qū)域發(fā)生局部腐蝕后的使用年限預(yù)測結(jié)果如表2所示。公式所需相關(guān)參數(shù)參考《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕性第1部分:分類測定和評估》(GB/T 19292.1—2018),其中rcorr取0.75倍標準值、b取0.575、t1取0計算。

由表2可知:在不考慮防腐措施情況下,當鋼圈限位裝置應(yīng)用于C1及C2類腐蝕環(huán)境時,其使用年限均能達到120 a以上;但隨腐蝕環(huán)境惡化,限位裝置的使用年限會不同程度地縮減。當使用地區(qū)腐蝕環(huán)境達到C5時,無論任何區(qū)域發(fā)生局部腐蝕,其使用年限均不足20 a。

表2 鋼圈限位裝置使用年限預(yù)測Table 2 Predicted service life of SRRs

5 結(jié) 論

(1)局部腐蝕鋼圈限位裝置力-位移曲線的變化趨勢與未腐蝕時一致。隨腐蝕率增加,鋼圈限位裝置極限承載力顯著下降,而剛度與極限位移變化微小。腐蝕率相同,不同區(qū)域出現(xiàn)局部腐蝕后,鋼圈限位裝置的極限承載力下降程度不同。定義的腐蝕敏感區(qū)域可有效反映局部腐蝕區(qū)域?qū)︿撊ο尬谎b置極限承載力的影響。

(2)局部腐蝕鋼圈限位裝置的斷裂位置受腐蝕率及腐蝕區(qū)域影響。輕微腐蝕時,斷裂位置出現(xiàn)在與導向輪接觸部位隨腐蝕程度增加,其斷裂位置則可能發(fā)生在高敏感區(qū)域;當腐蝕達到一定程度后,無論任何區(qū)域腐蝕,斷裂位置均出現(xiàn)在腐蝕區(qū)域內(nèi)。

(3)局部腐蝕鋼圈限位裝置承載力退化比公式具有較高精度。利用金屬大氣腐蝕原理預(yù)測了不同使用地區(qū)鋼圈限位裝置的使用年限。