基于MIDAS的大跨度拱橋吊索節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

郭棉明,景 慧,路衛(wèi)兵

（中國長江三峽集團(tuán)有限公司,湖北 宜昌 443133）

0 引言

隨著橋梁服役時(shí)間的增長，吊索病害問題愈發(fā)突出，其腐蝕、磨損及疲勞問題關(guān)系著橋梁的安全。中下承式拱橋的吊索處在主梁、立柱與拱肋交接處的特殊位置，節(jié)點(diǎn)域在荷載作用下受力、分析較為復(fù)雜，目前常采用試驗(yàn)分析和有限元法相結(jié)合的方法評(píng)定吊索節(jié)點(diǎn)工作性能。有限元數(shù)值分析方法常常作為試驗(yàn)的有力補(bǔ)充，將相關(guān)計(jì)算構(gòu)件作為一個(gè)整體模擬，能夠在結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定性等方面起到重要的數(shù)據(jù)支撐作用，在很多大型工程中得到成功的應(yīng)用[1]。

1 工程概況

該研究依托一座全長341.87 m、主橋?yàn)椋?8.3+121+48.3）m三跨懸臂鋼管混凝土拱橋開展吊索損傷退化以及橋梁安全性能研究。該橋梁目前運(yùn)營已超20年，距長江約150 m，河床寬約200 m。橋梁布置圖見圖1。該橋共有72對(duì)吊索，結(jié)構(gòu)上在預(yù)應(yīng)力橫梁梁端各設(shè)置兩根吊索，吊索上端穿過拱肋預(yù)埋鋼管，在拱肋頂部用84φ5DM型錨具錨固，下端穿過預(yù)應(yīng)力橫梁兩端預(yù)留孔后，采用DM錨具錨固于梁端底面。吊索外露部分采用玻璃絲布包裹瀝青、外設(shè)鋼絲網(wǎng)水泥，鐵皮防護(hù)罩的防護(hù)措施，吊索穿過拱肋及橫梁部分采用壓注水泥漿方式封固。吊索采用85φ5高強(qiáng)鋼絲束，吊索抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 570 MPa，公稱破斷索力2 620 kN，外徑68 mm，截面面積1 668 mm2。鋼絲公稱直徑為5 mm，公稱截面積19.6 mm2。以該拱橋更換下來的吊索鋼絲作為樣本試樣，通過靜力拉伸試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)等研究了其殘余力學(xué)性能、疲勞壽命及影響因素，并建立大橋有限元模型，進(jìn)行了吊索腐蝕-磨損耦合疲勞機(jī)理及壽命評(píng)估方法研究。

圖1 橋梁總體布置圖

2 試樣選擇與試驗(yàn)方法

為便于歸納吊索病害特點(diǎn)，將吊索劃分為三個(gè)區(qū)段：上錨固區(qū)、索體和下錨固區(qū)，并對(duì)這三個(gè)區(qū)段進(jìn)行抽樣檢測(cè)。對(duì)吊索及鋼絲進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)從YC方向往SP方向編號(hào)，例如：3A，即為大橋從YC往SP方向第3個(gè)吊點(diǎn)第1根吊索。錨頭編號(hào)在吊桿編號(hào)基礎(chǔ)上標(biāo)注“上”（上錨固區(qū)）“下”（下錨固區(qū)）。鋼絲編號(hào)，以從上到下，從左向右的原則進(jìn)行編號(hào)。例如3A-10，即3A編號(hào)吊桿，從上面第一層開始數(shù)，然后按照從左向右進(jìn)行編號(hào)的第10根鋼絲。

選取大橋通行車輛荷載較大、吊索受力最不利的工況下的舊吊索樣本3A、5A、11B中間段進(jìn)行破斷力及伸長率測(cè)試，試驗(yàn)采用LEM-5000型500t靜載錨固試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。按照《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》規(guī)范要求，對(duì)1A、3A、5A近錨段進(jìn)行鋼絲的截面銹蝕率測(cè)量、力學(xué)及疲勞性能試驗(yàn)，試驗(yàn)采用UTM5105型10t微機(jī)伺服控制萬能試驗(yàn)機(jī)和YYU-25/250型電子引伸計(jì)進(jìn)行。試驗(yàn)內(nèi)容包括鋼絲抗拉強(qiáng)度、彈性模量及斷后伸長率。從每根已完成外觀檢查及銹蝕率測(cè)量的吊桿試樣中挑選3根銹蝕較嚴(yán)重的鋼絲制作成鋼絲力學(xué)性能試樣，參照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)；鋼絲的拉伸試驗(yàn)按GB/T 228.1—2010的規(guī)定進(jìn)行，根據(jù)《金屬材料彈性模量和泊松比試驗(yàn)方法》（GB/T 22315—2008）規(guī)范計(jì)算彈性模量；鋼絲斷后伸長率A根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分室溫試驗(yàn)方法》（GB/T228.1—2010）；試驗(yàn)采用JAW-500K/4型微機(jī)控制電液伺服雙通道加載結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)專用軟件全程自動(dòng)控制，從樣品鋼絲截取長度為50 mm的鋼絲，參照《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲》（GB/T 5223—2014）內(nèi)疲勞試驗(yàn)設(shè)置試驗(yàn)；對(duì)4A、5A、9A、11B上、下共計(jì)8個(gè)錨頭解剖檢查錨頭銹蝕情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 鋼絲銹蝕

通過對(duì)吊索銹蝕檢測(cè)結(jié)果研究后發(fā)現(xiàn)，吊索防護(hù)套纖維增強(qiáng)聚酯帶老化嚴(yán)重，每根吊索銹蝕嚴(yán)重處出現(xiàn)在纖維增強(qiáng)帶與鋼絲接觸處。吊索下部的鋼絲束表面均有不同程度的白銹和紅繡，表明鋼絲表面局部鍍鋅層發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，鍍鋅層耗盡后，露出的鋼絲與腐蝕介質(zhì)接觸發(fā)生銹蝕，表面形成氧化物或者氫氧化物薄膜，最終轉(zhuǎn)化成鐵氧化物的紅棕色易碎層。使用砂紙打磨掉后，觀察到所有樣本外層鋼絲存在點(diǎn)蝕、銹坑現(xiàn)象，蝕坑鋼絲占總樣本的5.5%。表明樣本鋼絲被腐蝕過程中，鍍鋅鈍化膜覆蓋的鋼絲表面有活化陰離子在缺陷處局部富集，促使了陽極反應(yīng)，而氧化劑的存在又促進(jìn)陰極反應(yīng)，由此產(chǎn)生點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕可導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋[2-3]，且應(yīng)力腐蝕裂紋源于點(diǎn)蝕坑底應(yīng)力集中處，是影響鋼絲疲勞性能甚至斷裂的重要因素。外層和中層鋼絲束的鋼絲間存在相互磨損，部分表面磨痕顯著，甚至出現(xiàn)了中層鋼絲斷裂現(xiàn)象。綜合該橋吊索受力和運(yùn)動(dòng)情況可知，吊索的此類病害是銹蝕-磨損耦合疲勞作用導(dǎo)致的。

3.2 鋼絲力學(xué)性能

抽樣6根吊索510根鋼絲截面未削弱處直徑介于4.95～5.06 mm，滿足《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T 18365—2001）4.5.1.6中表1中5 mm鋼絲直徑允許偏差±0.06 mm的規(guī)定。截面損失率介于2%～13%，有蝕坑的鋼絲截面最大減少到87%。

鋼絲力學(xué)性能數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，鋼絲應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示鋼絲存在明顯的上、下屈服現(xiàn)象。在屈服平臺(tái)上，所有樣本鋼絲之間拉伸強(qiáng)度相比變化不大，但是彈性模量區(qū)間出現(xiàn)顯著下降，但仍滿足《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索》（GB/T18365—2018）中第5.2.1.3節(jié)“鋼絲彈性模量應(yīng)符合（2.0±0.1）×105MPa”規(guī)范要求。斷面伸長率有影響但不明顯，斷面伸長率反映的是鋼絲在斷裂時(shí)發(fā)生的塑性變形能力。表明銹蝕導(dǎo)致的鋼絲截面積缺損未改變鋼絲未銹蝕部分的材質(zhì)，鋼絲銹蝕損傷已經(jīng)從完好-鍍鋅層銹蝕-均勻腐蝕階段過渡到蝕坑損傷-腐蝕疲勞損傷-應(yīng)力腐蝕損傷階段[4]。鋼絲表面的蝕坑不僅改變了鋼絲的幾何形狀及表面粗糙度凹凸不平，還導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，使得塑性發(fā)展不均勻，導(dǎo)致鋼絲延展性下降、力學(xué)性能降低。

表 1 吊索鋼絲力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 鋼絲疲勞性能

疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，3個(gè)樣本鋼絲疲勞斷裂時(shí)循環(huán)次數(shù)為96.7萬次、80.4萬次、68.6萬次，均小于200萬次，不滿足《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索》（GB/T18365—2018）中第5.2.1.2節(jié)規(guī)范中疲勞性能的要求。鋼絲在疲勞試驗(yàn)過程中，均為突然地脆斷，且時(shí)間和位置具有隨機(jī)性。細(xì)觀疲勞試樣鋼絲斷裂部位，斷面無明顯的塑性變形，斷口平直，呈現(xiàn)有光澤的晶粒狀。這可能是點(diǎn)蝕導(dǎo)致裂紋形成的。疲勞損傷時(shí)，循環(huán)應(yīng)力引起的微區(qū)金屬反復(fù)滑移以及腐蝕介質(zhì)與金屬通過電化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕損傷，二者之間相互作用，相互促進(jìn)。銹蝕鋼絲在交變荷載合作用下塑性降低，脆性增強(qiáng)。發(fā)生腐蝕-疲勞的鋼絲在點(diǎn)蝕發(fā)展成裂紋后產(chǎn)生韌-脆轉(zhuǎn)化，符合Griffith 破斷強(qiáng)度理論[5]。

3.4 錨頭檢測(cè)

選取4A-上錨頭、4A-下錨頭、5A-上錨頭、5A-下錨頭、9A-上錨頭、9A-下錨頭、11B-上錨頭、11B-下錨頭共計(jì)8個(gè)錨頭，解剖后進(jìn)行外觀檢查，檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，錨頭整體及鋼絲鐓頭均存在輕微銹蝕現(xiàn)象，這可能是吊索結(jié)構(gòu)原因?qū)е铝隋^固區(qū)積水形成了濕氣誘發(fā)鋼絲腐蝕造成。DM錨頭解剖后有5～49根鋼絲脫落，31～79根鋼絲松動(dòng)滑移，8個(gè)錨頭整體及鋼絲鐓頭均存在輕微銹蝕現(xiàn)象，DM錨具解剖后，鋼絲可以從錨具里脫落及松動(dòng)滑移屬正常現(xiàn)象。

3.5 吊索破斷力

對(duì)3A、5A、11B共3根吊索進(jìn)行破斷力及伸長率測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示，3根吊索破斷力介于2 829.5～2 848.7 kN，均滿足《斜拉橋熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T18365—2001）中85φ5的高強(qiáng)鋼絲束公稱破斷索力2 620 kN的技術(shù)要求。實(shí)測(cè)安全系數(shù)介于2.70～2.72，均大于《斜拉橋熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T18365—2001）中設(shè)計(jì)索力安全系數(shù)2.5。3根吊索的伸長率介于2.6%～4.2%，均滿足《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索》（GB/T18365—2018）第5.3.2節(jié)大于等于2%的技術(shù)要求。吊索斷面損失率介于0.2%～2.4%。假定橋梁吊索力等于吊索所有的鋼絲力之和，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明吊索破斷力與85根鋼絲的強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果相吻合。鑒于每根鋼絲的極限應(yīng)變不同，抗拉強(qiáng)度也不同，鋼絲強(qiáng)度由最弱截面控制。當(dāng)鋼絲的應(yīng)變達(dá)到極限應(yīng)變后便突然斷裂，然后其力按斷絲前比例或均勻分擔(dān)給剩余鋼絲，直至下一根鋼絲斷裂。如此往復(fù)，直到索力達(dá)到極限值。

表2 吊索破斷力試驗(yàn)結(jié)果

4 計(jì)算模型與荷載組合

采用MIDAS CIVIL軟件建立了全橋模型，采用板單元模擬橋面系，桁架單元模擬吊桿，梁單元模擬主桁架結(jié)構(gòu)、橋面橫梁及橫向聯(lián)結(jié)系。整體結(jié)構(gòu)共計(jì)1 907個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 104個(gè)單元。模型如圖2所示。

圖2 全橋整體模型

考慮恒荷載、汽車荷載、（1.2恒+1.4汽）三種荷載工況下，對(duì)吊索索力進(jìn)行分析，并計(jì)算索力的安全系數(shù)，如表3。

表3 吊索承載能力檢算結(jié)果

由表3吊索承載能力結(jié)果可知，吊索索力在最不利荷載（1.2橫+1.4汽）工況下，吊桿的索力最大值為770.6 kN，安全系數(shù)為3.4。結(jié)合吊索破斷力試驗(yàn)、歷年橋梁養(yǎng)護(hù)動(dòng)載運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及模擬計(jì)算結(jié)果綜合分析，得出吊索在最不利荷載工況下，橋梁結(jié)構(gòu)仍然在設(shè)計(jì)規(guī)范安全值之內(nèi)。

5 結(jié)論

通過實(shí)橋試驗(yàn)方法得到了大橋服役20年吊索的力學(xué)性能和疲勞壽命，探討了吊索損傷退化的可能原因。通過吊索破斷力試驗(yàn)和有限元分析，探討了吊索在各種工況下橋梁的安全可靠性。該橋吊索鋼絲當(dāng)前已處于蝕坑損傷-腐蝕疲勞階段，但吊索在最不利工況（1.2恒+1.4汽）下，由于橋梁運(yùn)行維護(hù)正常，雖然投入運(yùn)行已超過二十年，但橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算及測(cè)試結(jié)果仍然在設(shè)計(jì)規(guī)范范圍，仍然具有一定的安全可靠性?？紤]將吊索系統(tǒng)索體和下錨固區(qū)各作為一個(gè)退化組件建立可靠性串聯(lián)模型，進(jìn)行多狀態(tài)服役可靠性和安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估是可行的。