跨海斜拉橋BFRP拉索多因素耦合作用長(zhǎng)期性能預(yù)測(cè)分析

楊亞強(qiáng),張陳晨,詹 瑒,吳東岳,袁平平,潘志宏

(1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212100)

(2.南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 南京 211167)

近年來我國(guó)重大跨海通道的大規(guī)模建設(shè)中,跨度大、受力良好、建造成本低的大跨斜拉橋被廣泛采用.但隨著跨海斜拉橋跨度的增加,傳統(tǒng)鋼拉索自重大、垂度效應(yīng)明顯、承載效率下降嚴(yán)重等問題凸顯.同時(shí)海洋腐蝕環(huán)境及復(fù)雜荷載作用下,鋼拉索腐蝕、退化嚴(yán)重,嚴(yán)重威脅海洋橋梁結(jié)構(gòu)的安全和服役性能[1],亟需一種高性能、高耐久、輕量化的新型材料拉索替代傳統(tǒng)鋼拉索,滿足跨海斜拉橋結(jié)構(gòu)性能與長(zhǎng)期服役性能的需求.利用輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer,FRP)制備大跨斜拉橋拉索,能夠發(fā)揮FRP材料的性能優(yōu)勢(shì),增大跨海斜拉橋的跨徑、提高橋梁的承載效率、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命,為實(shí)現(xiàn)跨海斜拉橋的輕量化、高耐久、長(zhǎng)壽命目標(biāo)提供了有效的途徑[2].碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)由于其優(yōu)異的力學(xué)與化學(xué)性能成為跨海斜拉橋拉索制備材料的首選,但是居高不下的材料成本限制了CFRP拉索在大跨斜拉橋中的推廣應(yīng)用[3],為了兼顧跨海斜拉橋的力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性能,對(duì)其他FRP材料制備斜拉橋拉索的可行性進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明,相比其他FRP材料,玄武巖纖維復(fù)合材料(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)取材天然廣泛,生產(chǎn)成本較低,同時(shí)抗拉強(qiáng)度高、延伸率大、抗疲勞性能優(yōu)、化學(xué)穩(wěn)定性高、長(zhǎng)期性能優(yōu)異[4],同時(shí)生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單、能耗低、污染少,成為最具潛力的跨海斜拉橋拉索制備材料之一.

隨著跨海斜拉橋設(shè)計(jì)使用壽命的增加以及沿海地區(qū)海洋環(huán)境的不斷惡化,FRP拉索的長(zhǎng)期性能研究與壽命預(yù)測(cè)分析成為跨海斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與維護(hù)的關(guān)鍵.既有研究主要基于人工加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合力學(xué)退化模型開展FRP材料的長(zhǎng)期性能預(yù)測(cè)[5],目前人工加速試驗(yàn)包括酸溶液腐蝕加速試驗(yàn)、堿溶液腐蝕加速試驗(yàn)、鹽溶液腐蝕加速試驗(yàn)、紫外線加速老化試驗(yàn)、干濕老化加速試驗(yàn)、凍融循環(huán)加速試驗(yàn)等,常用的壽命預(yù)測(cè)模型包括Arrhenius模型[6]、Fick模型[7]以及基于強(qiáng)度保留率的時(shí)變模型[8]等.當(dāng)BFRP拉索替換鋼拉索應(yīng)用跨海斜拉橋時(shí),FRP拉索受到預(yù)應(yīng)力的作用,一直處于高應(yīng)力工作狀態(tài),相關(guān)研究表明在“高應(yīng)力”與“鹽溶液腐蝕”的協(xié)同作用下,BFRP拉索的力學(xué)性能退化加劇,預(yù)測(cè)使用壽命縮短[9].但實(shí)際服役環(huán)境下,跨海斜拉橋的拉索在長(zhǎng)期服役過程中受到鹽霧、紫外線、濕熱、降水等環(huán)境因素與預(yù)應(yīng)力荷載因素的耦合作用,多因素的耦合作用將對(duì)BFRP拉索的長(zhǎng)期性能與使用壽命產(chǎn)生重大影響,現(xiàn)有的力學(xué)性能退化模型無法直接用于分析多因素耦合作用下跨海斜拉橋BFRP拉索的長(zhǎng)期性能,需要設(shè)計(jì)并開展能夠模擬跨海斜拉橋?qū)嶋H服役環(huán)境的人工加速老化試驗(yàn),同時(shí)利用加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立BFRP拉索長(zhǎng)期性能的壽命預(yù)測(cè)模型.

為了合理評(píng)估實(shí)際服役環(huán)境下跨海斜拉橋BFRP拉索的長(zhǎng)期性能,文中基于IEC多因子老化試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)并開展了BFRP拉索的多因素耦合耐久加速試驗(yàn),通過測(cè)試多因素耦合作用下BFRP拉索的基本力學(xué)性能,分析多因素耦合作用下BFRP拉索的力學(xué)性能退化規(guī)律,并基于試驗(yàn)結(jié)果提出了多因素耦合作用下BFRP拉索的壽命預(yù)測(cè)模型,對(duì)實(shí)際服役環(huán)境下BFRP拉索的長(zhǎng)期性能進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估.

1 BFRP拉索多因素耦合耐久試驗(yàn)

1.1 BFRP拉索多因素耐久試驗(yàn)方法

實(shí)際服役情況下,跨海斜拉橋拉索主要承受成橋索力、交通荷載以及外部嚴(yán)酷海洋環(huán)境的協(xié)同作用,影響因素包括預(yù)應(yīng)力、太陽輻射、空氣中腐蝕氯離子、雨水以及濕熱催化等.為了準(zhǔn)確評(píng)估應(yīng)用于跨海斜拉橋BFRP拉索的長(zhǎng)期性能與使用壽命,需要開展能夠較全面模擬跨海斜拉橋的真實(shí)多因素老化運(yùn)行條件的人工加速老化試驗(yàn).IEC多因子老化試驗(yàn)法能夠合理考慮多個(gè)影響因素[10],模擬實(shí)際復(fù)雜老化環(huán)境,而廣泛應(yīng)用于電氣工程元器件的耐久性、可靠性研究中.文中基于IEC(international electrotechnical commission)多因子老化試驗(yàn)法,結(jié)合跨海斜拉橋的實(shí)際服役環(huán)境,設(shè)計(jì)了BFRP拉索的多因素耦合耐久性試驗(yàn),如表1.該實(shí)驗(yàn)將一天分為12個(gè)階段,作為一個(gè)循環(huán)周期.實(shí)際服役情況下,荷載影響因素索力以及環(huán)境加速因素溫、濕度始終存在,因此整個(gè)循環(huán)過程中預(yù)應(yīng)力與溫濕度一直發(fā)生作用.由于海洋氣候的變化,紫外線、鹽霧以及降水等環(huán)境影響因素則交替發(fā)生作用:太陽出現(xiàn),紫外線發(fā)生作用,同時(shí)溫度隨之升高;溫度升高到一定程度,海水蒸發(fā)出現(xiàn)鹽霧,遮擋太陽,紫外線無法透射大氣,紫外線停止作用,鹽霧開始發(fā)生腐蝕老化;霧氣不斷凝結(jié)再加上空氣中的水分子凝聚,然后開始降水,紫外線與鹽霧停止作用,只有雨水發(fā)生作用;然后紫外線、鹽霧與雨水繼續(xù)交替發(fā)生作用.一個(gè)循環(huán)結(jié)束后,進(jìn)入下一個(gè)循環(huán).

1.2 BFRP拉索試驗(yàn)試樣、設(shè)備與試驗(yàn)方案

現(xiàn)階段FRP拉索由FRP筋材按照一定的方式排列組合而成,因此FRP拉索的長(zhǎng)期性能通常通過FRP筋材的耐久性試驗(yàn)評(píng)估預(yù)測(cè)[11].選取常用的直徑4 mm的BFRP筋材作為研究對(duì)象開展多因素耦合耐久性試驗(yàn),試驗(yàn)用筋材中玄武巖纖維體積含量大于80%,參照ACI 440.3R-04規(guī)范制作試驗(yàn)試樣[12],如圖1.

圖1 BFRP拉索試樣臺(tái)

采用多因素耦合老化試驗(yàn)箱中開展BFRP拉索的多因素耦合耐久試驗(yàn),如圖2(a).該試驗(yàn)箱綜合配備紫外線、噴灑淋頭(可噴灑鹽霧與雨水)以及加熱保溫裝置,能夠在保持環(huán)境溫濕度的條件,模擬紫外線、鹽霧與降水的作用.為了能夠保持BFRP拉索的索力,設(shè)計(jì)并制作了拉索張拉架,如圖2(b).

圖2 BFRP拉索試件及多因素耦合老化試驗(yàn)箱

為研究BFRP拉索多因素耦合作用下基本力學(xué)性能退化的規(guī)律,分別開展了不同老化作用時(shí)間下的多因素耦合耐久性試驗(yàn),如表2.根據(jù)ACI 440.3R-04規(guī)范的要求,每組試驗(yàn)均包括3個(gè)及以上的有效數(shù)據(jù).

表2 多因素耦合耐久性加速試驗(yàn)編組及參數(shù)

2 多因素耦合作用下BFRP拉索力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

利用萬能試驗(yàn)機(jī)逐次開展BFRP拉索的基本力學(xué)性能試驗(yàn),測(cè)試多因素耦合作用下BFRP拉索的拉伸強(qiáng)度以及彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo),相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果列于表3中,多因素耦合作用下BFRP拉索基本力學(xué)性能的變化曲線如圖3.由圖可知,多因素耦合老化作用下BFRP拉索的抗拉強(qiáng)度退化明顯,最大降幅可達(dá)35.57%.整個(gè)多因素耦合作用過程中,初始階段(耦合作用老化120 h)BFRP拉索的降幅最大,最大降幅為32.54%.之后的老化過程中,BFRP拉索抗拉強(qiáng)度的降低幅度很小,變動(dòng)范圍在1.70%與1.98%之間.多因素耦合作用下BFRP拉索的彈性模量整體呈下降趨勢(shì),但下降較小,降低幅度均小于6%,變化規(guī)律卻不明顯.隨著多因素耦合作用時(shí)間的增加,BFRP拉索的斷裂應(yīng)變呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì).

表3 多因素耦合試驗(yàn)BFRP拉索基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖3 多因素耦合作用下BFRP拉索基本力學(xué)性能的退化曲線

3 多因素耦合作用下BFRP拉索長(zhǎng)期性能預(yù)測(cè)

退化模型是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中短期人工加速條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估實(shí)際使用條件下結(jié)構(gòu)退化程度與使用壽命的理論基礎(chǔ),目前FRP材料長(zhǎng)期性能預(yù)測(cè)常用的退化模型包括Arrhenius模型[6]、Fick模型[7]以及Eyring模型[12]等,其中Arrhenius模型由于理論清晰、方法簡(jiǎn)單,廣泛應(yīng)用于FRP材料的長(zhǎng)期性能預(yù)測(cè)分析中.

然而受限于溫度單一加速因子的情況,Arrhenius模型無法對(duì)多因素作用下結(jié)構(gòu)的退化程度與使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估,針對(duì)多因素耦合作用下BFRP拉索的長(zhǎng)期性能問題,文中采用改進(jìn)的Arrhenius殘余強(qiáng)度衰減模型[13]對(duì)多因素耦合作用下BFRP拉索的長(zhǎng)期性能進(jìn)行預(yù)測(cè).該模型基于強(qiáng)度保留率試驗(yàn)結(jié)果與老化作用時(shí)間的對(duì)數(shù)線性關(guān)系,通過人工加速試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)多因素耦合作用下BFRP拉索的長(zhǎng)期性能,如:

Y=alg(t)+b

(1)

式中:Y為強(qiáng)度保留率,%;a和b為試驗(yàn)結(jié)果擬合的回歸常數(shù).

根據(jù)殘余強(qiáng)度衰減模型分析BFRP拉索多因素耦合耐久試驗(yàn)結(jié)果,可得BFRP拉索的強(qiáng)度保留率與老化作用時(shí)間對(duì)數(shù)的擬合曲線,如圖4.從圖中可知各組數(shù)據(jù)大致呈平行關(guān)系,證明不同溫度作用下BFRP拉索的損傷退化機(jī)理一致,符合改進(jìn)Arrhenius模型應(yīng)用條件,可以應(yīng)用該模型對(duì)多因素耦合作用下BFRP拉索的長(zhǎng)期性能進(jìn)行預(yù)測(cè).由BFRP拉索的強(qiáng)度保留率與老化作用時(shí)間對(duì)數(shù)的擬合關(guān)系,通過回歸分析得到Arrhenius殘余強(qiáng)度衰減模型中的常數(shù)a、b列于表4中.

表4 多因素耦合作用下BFRP拉索殘余強(qiáng)度衰減模型的擬合系數(shù)

圖4 多因素耦合作用下BFRP拉索的殘余強(qiáng)度衰減模型

根據(jù)35 ℃、50 ℃條件下BFRP拉索殘余強(qiáng)度的衰減模型及擬合關(guān)系式,可以得到多因素耦合作用于BFRP拉索一定時(shí)間后不同溫度對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度保留率,表5中分別列出了多因素耦合作用于BFRP拉索1、5、10、20、30及50 a時(shí)不同溫度(開氏溫度,K)所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度保留率,以實(shí)驗(yàn)開氏溫度的倒數(shù)(1 000/K)為橫坐標(biāo),以強(qiáng)度保留率為縱坐標(biāo),繪制多因素耦合作用一定時(shí)間后BFRP拉索的強(qiáng)度保留率與溫度的關(guān)系圖,如圖5.

表5 BFRP拉索多因素耦合作用特定時(shí)間不同溫度對(duì)應(yīng)強(qiáng)度保留率

圖5 BFRP拉索多因素耦合作用一定時(shí)間強(qiáng)度保留率與溫度關(guān)系曲線

從圖5中可知多因素耦合作用一定時(shí)間時(shí),BFRP拉索的強(qiáng)度保留率與溫度呈線性關(guān)系,利用線性關(guān)系式2對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行擬合(式2中A,B為擬合回歸參數(shù)),可以得到多因素耦合作用一定時(shí)間時(shí)BFRP拉索的強(qiáng)度保留率與溫度的關(guān)系式參數(shù),如表6.

表6 BFRP拉索不同老化時(shí)間下的強(qiáng)度保留率預(yù)測(cè)結(jié)果

(2)

根據(jù)擬合得到的關(guān)系式,可以分析得到BFRP拉索在一定多因素耦合作用時(shí)間時(shí)某一溫度所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度保留率,表6列出了30 ℃時(shí)多因素耦合作用1、5、10、20、30、50 a時(shí)BFRP拉索的強(qiáng)度保留率,分析結(jié)果表明,跨海斜拉橋BFRP拉索服役1 a時(shí),強(qiáng)度保留率降幅最大(約20.64%),之后強(qiáng)度保留率雖然隨著服役時(shí)間的增加逐漸減小,但降幅卻大幅縮減.上述結(jié)論與BFRP拉索多因素耦合人工加速老化試驗(yàn)結(jié)果一致,證明殘余強(qiáng)度衰減模型能夠較準(zhǔn)確地對(duì)BFRP拉索的長(zhǎng)期性能.預(yù)測(cè)結(jié)果還表明跨海斜拉橋50 a實(shí)際服役條件下,BFRP拉索的拉伸強(qiáng)度約為初始拉伸強(qiáng)度的71.42%,因此BFRP拉索應(yīng)用跨海斜拉橋能夠有效提升海洋環(huán)境下大跨橋梁的長(zhǎng)期性能.

4 結(jié)論

通過BFRP拉索的多因素耦合耐久加速試驗(yàn)與基本力學(xué)性能試驗(yàn),討論了多因素耦合作用下BFRP拉索的力學(xué)性能變化規(guī)律,基于Arrhenius殘余強(qiáng)度衰減模型評(píng)估了實(shí)際服役環(huán)境下BFRP拉索的長(zhǎng)期性能,主要得到以下結(jié)論:

(1) 基于IEC多因子老化試驗(yàn)方法,將多因素耦合耐久試驗(yàn)分為12個(gè)階段,根據(jù)跨海斜拉橋?qū)嶋H服役環(huán)境,設(shè)計(jì)了BFRP拉索多因素耦合耐久性試驗(yàn)方案.

(2) 不同多因素耦合條件下BFRP拉索的基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明:多因素耦合老化作用下BFRP拉索的抗拉強(qiáng)度退化明顯,且初始階段BFRP拉索的降幅最大;而BFRP拉索的彈性模量與斷裂應(yīng)變均隨作用時(shí)間的增加而下降,但彈性模量的降幅較小.

(3) 根據(jù)殘余強(qiáng)度衰減模型與人工加速試驗(yàn)結(jié)果,分析得到了多因素耦合作用下BFRP拉索長(zhǎng)期性能預(yù)測(cè)關(guān)系式,評(píng)估了某一溫度不同多因素耦合作用時(shí)間下BFRP拉索的強(qiáng)度保留率,結(jié)果表明,實(shí)際服役環(huán)境下50年內(nèi)BFRP拉索的強(qiáng)度保留率大于71%.