偏轉(zhuǎn)角對不同腐蝕程度鋼絞線力學(xué)性能及蝕坑應(yīng)力影響研究

朱國超， 鄧年春，2， 徐 杰， 謝清清

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，廣西 南寧 530004)

在現(xiàn)代拱橋結(jié)構(gòu)中，腐蝕是造成危害拱橋吊索安全的影響因素之一，腐蝕鋼絞線表面狀態(tài)往往隨著腐蝕程度的增加而變得更加復(fù)雜。國內(nèi)外不少學(xué)者已開展了腐蝕預(yù)應(yīng)力鋼絞線的軸向靜力拉伸試驗(yàn)，研究了腐蝕鋼絞線的極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變等力學(xué)性能的影響規(guī)律。曾嚴(yán)紅等[1]先對鋼絞線進(jìn)行電化學(xué)加速腐蝕，對預(yù)腐蝕鋼絞線試件進(jìn)行靜力拉伸，研究得到隨著銹蝕程度的增大，鋼絞線極限強(qiáng)度迅速減小。余芳等[2]對通電加速腐蝕獲得的27根預(yù)應(yīng)力鋼絞線試件進(jìn)行了軸向拉伸疲勞試驗(yàn)，研究了腐蝕后預(yù)應(yīng)力鋼絞線的疲勞性能，建立了腐蝕后鋼絞線疲勞壽命與腐蝕率之間的關(guān)系，同時根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了腐蝕后鋼絞線的疲勞壽命方程。通過拱橋吊索斷裂事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)[3-4]，大多數(shù)破斷的短吊索都存在一定的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。江建文等[5]通過鋼絞線偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)研究得到偏轉(zhuǎn)角度與鋼絞線彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限延伸率呈線性下降關(guān)系。

以上學(xué)者分別對腐蝕鋼絞線單軸拉伸的力學(xué)性能和不同偏轉(zhuǎn)角下鋼絞線的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，但對于2個參數(shù)同時存在的不同偏轉(zhuǎn)角下腐蝕鋼絞線的力學(xué)性能影響還有待研究。本文采用銅鹽醋酸鹽霧試驗(yàn)法得到32根腐蝕鋼絞線，通過偏轉(zhuǎn)角拉伸試驗(yàn)，得到不同偏轉(zhuǎn)角對不同腐蝕程度鋼絞線力學(xué)性能的影響，并利用有限元軟件對不同偏轉(zhuǎn)角下鋼絞線蝕坑應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行分析，為拱橋吊索設(shè)計(jì)提供有效參考。

1 腐蝕試驗(yàn)

試件采用直徑為15.2 mm的1860級7絲鍍鋅高強(qiáng)鋼絲鋼絞線，考慮到西南部環(huán)境中有一定量的銅離子存在，腐蝕試液采用銅鹽醋酸鹽霧[6]，分為靜態(tài)腐蝕和應(yīng)力腐蝕2種。靜態(tài)腐蝕是指鋼絞線在無應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行加速腐蝕，應(yīng)力腐蝕是將鋼絞線放入小型反力架，用千斤頂對鋼絞線張拉至0.45σb，編好號后與反力架一起放入鹽霧腐蝕箱，如圖1和圖2所示。

圖2 應(yīng)力腐蝕

根據(jù)文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]可知，當(dāng)鋼絞線在溫度T=40 ℃、相對濕度RH=90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣環(huán)境下，1 h的腐蝕時間等于自然環(huán)境環(huán)境下約7.8 h的服役時間，由此可推算自然環(huán)境下服役1 a的鋼絞線吊索等同于試驗(yàn)環(huán)境下的262.3 h。對靜態(tài)腐蝕分為3組試驗(yàn)，腐蝕時間分別為360、720、1 080 h，約等同于自然環(huán)境下的1.4、2.8、3.2 a。應(yīng)力腐蝕進(jìn)行1組試驗(yàn)，腐蝕時間為720 h，等同于自然環(huán)境下的2.8 a。得到腐蝕后的鋼絞線試件后對比腐蝕程度。

根據(jù)《GB/T 2423.17》國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于銅鹽加速醋酸試驗(yàn)的規(guī)定，調(diào)整好鹽霧腐蝕箱參數(shù)，鹽霧腐蝕室溫度控制在(40±1)℃，飽和空氣筒溫度控制在(65±1)℃，壓力設(shè)置為(1.0±0.1)kg/cm2，并且采用計(jì)時功能嚴(yán)格控制腐蝕時間。

2 腐蝕鋼絞線試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 腐蝕形態(tài)對比分析

從圖3可以看到不同周期時間下的腐蝕鋼絞線形態(tài)差別很大。腐蝕時間為360 h時，鋼絞線表面出現(xiàn)一層白色的覆蓋物，這是由于鋼絞線表面的鍍鋅層與腐蝕氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一層致密的氧化物。同時產(chǎn)生的NaCl固化物黏附在上面，局部出現(xiàn)紅褐色腐蝕物；腐蝕時間為720 h時，普通腐蝕鋼絞線表面的白氧化物幾乎完全脫落，露出鋼絞線本體，并且在鋼絲接觸的縫隙中產(chǎn)生紅褐色腐蝕物；應(yīng)力腐蝕鋼絞線表面存留一定量的白色氧化物，局部出現(xiàn)大量紅褐色腐蝕物，覆蓋鋼絞線本體；腐蝕時間為1 080 h時，鋼絞線表面出現(xiàn)大量的紅褐色和黑色腐蝕物，說明腐蝕程度進(jìn)一步增加。

圖3 腐蝕鋼絞線試件

清洗過后的鋼絞線如圖4所示。腐蝕時間為360 h時，鋼絞線的鍍鋅保護(hù)層幾乎完全腐蝕掉了，局部出現(xiàn)面積較小、肉眼幾乎無法觀察的蝕坑，可以認(rèn)為這個階段僅侵蝕掉鍍鋅保護(hù)層；腐蝕時間為720 h時，普通腐蝕鋼絞線出現(xiàn)大量深淺不一的蝕坑，并且隨機(jī)分布，應(yīng)力腐蝕鋼絞線表面出現(xiàn)的蝕坑更為密集一些；腐蝕時間為1 080 h時，鋼絞線表面幾乎布滿深淺不一的蝕坑，許多相鄰腐蝕坑連接在一起造成質(zhì)量缺失。

圖4 清洗后的鋼絞線試件

2.2 腐蝕程度對比分析

對于鋼絞線這種材料形態(tài)較為特殊，不便于直接測量或者計(jì)算其面積實(shí)際缺損，因此采用失重法[9]來衡量腐蝕速度是較為直觀的。其計(jì)算公式為

(1)

式中，m前為鋼絞線腐蝕前的質(zhì)量；m后為鋼絞線腐蝕后的質(zhì)量。

由于鋼絞線試件較多，對鋼絞線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后僅取不同腐蝕時間鋼絞線對應(yīng)的平均腐蝕程度，如表1所示。普通腐蝕下的鋼絞線腐蝕程度隨著時間的增加而增大，并且其腐蝕速率也隨之增大。在0～360 h期間，主要對鋼絞線鍍鋅層腐蝕破壞，減小的質(zhì)量鍍鋅層占比大。在相同時間下，加載0.45σb的應(yīng)力腐蝕情況下的腐蝕程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通腐蝕，約為1.62倍。

表1 腐蝕程度對比

3 腐蝕鋼絞線偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

吊桿的軸偏轉(zhuǎn)角主要是通過兩端錨固區(qū)產(chǎn)生相對位移而引起的。這種轉(zhuǎn)角與軸向荷載形成角度差，導(dǎo)致鋼絞線其中一側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了更貼合實(shí)際工況，設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)4個彎曲角度(0、10、20、30 mrad)的錨板如圖5所示，實(shí)線圓為錨板1穿孔位置，虛線圓為錨板2對應(yīng)偏轉(zhuǎn)角穿孔位置。先將墊板安裝在反力架左右，將鋼絞線依次從錨孔中穿過，由此實(shí)現(xiàn)軸偏轉(zhuǎn)角。圖6為試驗(yàn)示意圖，鋼絞線左側(cè)采用擠壓錨固，右側(cè)依次套上夾片錨具、壓力傳感器和千斤頂。

圖5 錨板示意圖(單位:mm)

圖6 試驗(yàn)示意圖

拉力加載方式按照《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼材試驗(yàn)方法》(GB/T 21839—2008)的有關(guān)規(guī)范進(jìn)行。本試驗(yàn)先按照每級10 kN分級加載方式，當(dāng)荷載達(dá)到90 kN后，按照每級5 kN分級加載，直到鋼絞線第1根鋼絲斷裂，取該值為極限破斷值。隨后繼續(xù)加力，直至鋼絞線完全斷裂。為減少試驗(yàn)所造成的誤差，每級加載結(jié)束后持荷10 min，待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

清洗完鋼絞線后，在不同軸偏轉(zhuǎn)角度情況下(0、10、20、30 mrad)，對鋼絞線進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，研究不同腐蝕程度鍍鋅鋼絞線在不同軸偏轉(zhuǎn)角度情況下的力學(xué)性能。破壞形式以2張典型破壞形狀為例，如圖7所示。可以看到鋼絞線斷裂位置接近錨固端，但其原實(shí)際斷裂位置就在錨固端處，這種現(xiàn)象是由于鋼絞線斷裂滑移引起鋼絞線回縮，拉力的突變使鋼絞線往另一端移動。鋼絞線在張拉過程中，會產(chǎn)生解螺旋的現(xiàn)象，由此當(dāng)鋼絞線破斷時整體會呈現(xiàn)“爆炸”狀，鋼絲以中絲向四周散開，各鋼絲由于受力不均勻，斷口不整齊。

圖7 腐蝕鋼絞線破壞形態(tài)

圖8 腐蝕鋼絞線破斷力值擬合曲線圖

表2是腐蝕鋼絞線破斷力值，圖8為破斷力值的擬合曲線圖。取的是每組2根鋼絞線的平均破斷力值?？梢钥吹礁g鋼絞線極限破斷力隨著軸偏轉(zhuǎn)角增大而減小，減小幅值也增大，且腐蝕時間越大其破斷力值越?。辉谙嗤g時間內(nèi)，應(yīng)力腐蝕的鋼絞線力學(xué)性能小于普通腐蝕鋼絞線。隨著軸偏轉(zhuǎn)角度的增大，鋼絞線不僅承受越來越大的軸向拉應(yīng)力，并且承受著逐漸增大的附加彎曲應(yīng)力，引起鋼絞線錨固端應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼絞線的極限強(qiáng)度下降；隨著腐蝕程度的增大，鋼絞線表面隨機(jī)出現(xiàn)蝕坑，鋼絞線某些截面面積發(fā)生突變。在兩端拉力的作用下，蝕坑會產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且偏轉(zhuǎn)角對不同位置的蝕坑應(yīng)力具有一定的貢獻(xiàn)度，這也進(jìn)一步降低了其力學(xué)性能。

表2 腐蝕鋼絞線破斷力值 kN

4 鋼絞線蝕坑應(yīng)力分析

通過對鋼絞線腐蝕蝕坑相關(guān)文獻(xiàn)的研究[10-11]，蝕坑的形狀多種多樣，選取理想狀態(tài)下的半球形蝕坑建立有限元模型。隨機(jī)選取鋼絞線任意一根外絲，在遠(yuǎn)軸側(cè)距離“加載段”1 cm、1/4索體及索體中部建立0.6 mm深度的半球狀蝕坑，對這3個位置分別以A、B、C進(jìn)行編號,如圖9所示。鋼絞線模型一端固定連接，一端施加位移和拉力。施加拉力0.45σb=117 kN。設(shè)置4個不同軸偏轉(zhuǎn)角(0、10、20、30 mrad)，分析得到偏轉(zhuǎn)角對不同位置蝕坑應(yīng)力的影響規(guī)律。

圖9 鋼絞線蝕坑模型

蝕坑周圍采用加密網(wǎng)格劃分方法[12]，見圖10，為了準(zhǔn)確模擬蝕坑應(yīng)力變化，蝕坑有限單元的邊長取值為0.01 mm，邊緣變化質(zhì)量最大。蝕坑所在鋼絲其余部分采用映射網(wǎng)格的劃分方法，單元的最大邊長為0.5 mm。其他鋼絲采用邊緣尺寸調(diào)整為12個區(qū)域，利用掃略劃分網(wǎng)格，單元邊長取值1 mm，確保模擬精準(zhǔn)度的同時節(jié)約算力。

圖10 蝕坑網(wǎng)格加密

以偏轉(zhuǎn)角30 mrad蝕坑A應(yīng)力云圖為例。如圖11所示，蝕坑表面出現(xiàn)集中應(yīng)力帶，呈橢圓形分布。應(yīng)力值蝕坑底部沿外圍呈階梯減小，到達(dá)蝕坑橫向邊緣時應(yīng)力值最小。這是由于受軸向拉力，對蝕坑底部橫截面的受力最大。

圖11 蝕坑應(yīng)力云圖

圖12為鋼絞線未發(fā)生偏轉(zhuǎn)時蝕坑截面應(yīng)力圖，可以看到不同位置的蝕坑應(yīng)力大小基本相同，這是由于鋼絞線僅受軸向拉力，索體整體截面受力均勻，任意位置蝕坑受力也相同。蝕坑引起鋼絞線截面減小，所以蝕坑位置會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，蝕坑表面應(yīng)力最大，應(yīng)力由外向內(nèi)逐漸遞減。

圖12 0 mrad蝕坑應(yīng)力云圖

圖13～圖15為不同偏轉(zhuǎn)角下蝕坑的應(yīng)力云圖。索體中部蝕坑的應(yīng)力基本相同，并不隨偏轉(zhuǎn)角的增大而變化。而索體1/4處和錨固端部蝕坑應(yīng)力隨偏轉(zhuǎn)角增大而增大，離錨固端越近產(chǎn)生的集中應(yīng)力越大。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為10 mrad時，蝕坑A的應(yīng)力比分別比B、C增加了36.5%、10.7%;偏轉(zhuǎn)角為20 mrad時，蝕坑A的應(yīng)力比分別比蝕坑B、C增加了77.6%、20.2%;偏轉(zhuǎn)角為30 mrad時，蝕坑A的應(yīng)力比分別比B、C增加了98.1%、13.5%。

圖13 10 mrad蝕坑應(yīng)力云圖

圖14 20 mrad蝕坑應(yīng)力云圖

圖15 30 mrad蝕坑應(yīng)力云圖

在橋梁長期服役期間，錨固端屬于吊桿與拱肋和橫梁的交界處，其受力最為復(fù)雜。此外，根據(jù)大量文獻(xiàn)研究可知，端部的腐蝕程度較索體更為嚴(yán)重。因此對腐蝕鋼絞線吊桿而言，當(dāng)?shù)鯒U發(fā)生偏轉(zhuǎn)角時，錨固端的蝕坑應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他蝕坑。由此可見，腐蝕坑這一缺陷的存在使得鋼絞線出現(xiàn)了嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這必將對鋼絞線吊桿的力學(xué)性能產(chǎn)生巨大影響，應(yīng)著重對錨固端區(qū)域進(jìn)行加固處理。

5 結(jié)論

通過不同腐蝕程度鋼絞線試驗(yàn)、偏轉(zhuǎn)角拉伸試驗(yàn)及有限元模擬，得到以下結(jié)論：

(1)鍍鋅鋼絞線的腐蝕程度隨著腐蝕時間的延長而增大，在腐蝕周期為360 h時，鍍鋅鋼絞線破壞的主要是表面的鍍鋅保護(hù)層，內(nèi)部鋼絲并未受到侵蝕。鋼絞線在受到拉應(yīng)力的作用下會加快鋼絞線的腐蝕速率，導(dǎo)致鋼絞線表面更容易產(chǎn)生缺陷，在相同腐蝕周期下，持荷狀態(tài)下的鋼絞線比無應(yīng)力下的鋼絞線更容易被破壞。

(2)腐蝕鋼絞線極限破斷力隨著軸偏轉(zhuǎn)角增大而減小，在相同的腐蝕率下，偏轉(zhuǎn)角引起鋼絞線錨固端位置應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致鋼絞線的極限強(qiáng)度下降。

(3)最大集中應(yīng)力出現(xiàn)在蝕坑的中部，在蝕坑中間形成應(yīng)力帶，并且從中間向兩邊分層遞減。隨偏轉(zhuǎn)角的增大，越靠近錨固端位置的蝕坑應(yīng)力越大。因此，工程實(shí)際中應(yīng)著重考慮偏轉(zhuǎn)角對腐蝕吊索錨固端的影響。