吊桿鋼絲損傷檢測(cè)及剩余疲勞壽命試驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U443 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）20-0089-05

Abstract：Thispapertakestheold boomunderthereplacementof Heishipu XiangjiangBridgeastheresearchobject，and analyzestheremainingfatiguelifeoftheboombyonthesteewiredamageinspection，statictensiletestandfatiguetestresults. Theresultsshowthattheresiduallifeofgrade3andgrade4corrodedsteelwireisreduedmore，andtheresidualfatiguelife of steel wire with rust grade 4 has been reduced by 20% .Parisformula is used to quantitatively introduce the theoretical residualfatiguelifeoffracturesteelwire.Thetheoreticalfatiguelifevalueagreeswellwiththetestfatiguelifevalue.Inthe actual testitems，theresidual fatigue lifeofcorosionstelwirecanbeevaluatedbymeasuringthecorosionpitparameters.

Keywords：bridge engineering；suspender; corrosion clasification； fatigue life；remaining life

吊桿作為拱橋連接拱肋與橋面系的主要受理構(gòu)件，吊桿的使用狀態(tài)直接影響到橋梁的運(yùn)行安全和使用壽命。拱橋吊桿的設(shè)計(jì)年限為30年，但是因吊桿材料耐久性不佳或橋梁運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)缺乏科學(xué)的管理，隨著服役時(shí)間的增加，吊桿損傷將會(huì)不斷積累，病害程度持續(xù)惡化，導(dǎo)致承載能力下降、性能劣化，部分拱橋吊桿未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就因銹蝕而失效，嚴(yán)重的甚至?xí)饦蛄嚎逅?，吊桿的使用年限遠(yuǎn)低于其使用壽命?，F(xiàn)有研究表明，吊桿內(nèi)部鋼絲的力學(xué)性能在腐蝕疲勞耦合作用下急劇退化，嚴(yán)重威脅拱橋安全[。對(duì)吊桿進(jìn)行銹蝕損傷檢測(cè)，科學(xué)分析疲勞損傷壽命是有重要意義的。

鋼絲的腐蝕類(lèi)型可以分成局部腐蝕和均勻腐蝕2種，而局部腐蝕中的點(diǎn)蝕蝕坑對(duì)鋼絲的使用壽命影響最為嚴(yán)重。為研究銹蝕對(duì)高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能及疲勞損傷壽命的影響，一般借助室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)、靜力拉伸試驗(yàn)等試驗(yàn)手段實(shí)現(xiàn)，

蘭成明等對(duì)服役18年的腐蝕斜拉索鋼絲進(jìn)行腐蝕疲勞性能試驗(yàn)，得出結(jié)論鋼絲受腐蝕會(huì)嚴(yán)重縮減斜拉索的疲勞壽命。Zheng等以某拱橋上服役13年的吊桿中的腐蝕高強(qiáng)鋼絲為研究對(duì)象，通過(guò)疲勞試驗(yàn)得到了腐蝕鋼絲的力學(xué)特性和斷裂特征，結(jié)果表明腐蝕鋼絲的延性隨腐蝕程度的增加而急劇下降，點(diǎn)蝕尺寸與疲勞壽命之間的負(fù)相關(guān)性會(huì)隨著應(yīng)力范圍的增大而減弱。王瑞雪通過(guò)研究吊索鋼絲腐蝕情況及腐蝕速率，提出鋼絲腐蝕疲勞壽命的計(jì)算公式。

本文以2004年建成通車(chē)的黑石鋪湘江特大橋更換下的2根舊吊桿鋼絲為研究對(duì)象，通過(guò)檢測(cè)鋼絲銹蝕損傷情況，結(jié)合靜力拉伸試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)，合理評(píng)估鋼絲在已經(jīng)出現(xiàn)腐蝕情況下吊桿鋼絲剩余疲勞壽命，以便進(jìn)一步確定其剩余安全使用壽命，提出具有針對(duì)性的管養(yǎng)措施。

1 工程背景

長(zhǎng)沙黑石鋪湘江大橋主橋主孔為三不等跨中承式鋼管混凝土拱橋（ 144m （凈跨徑） +162m （凈跨徑） + 144m （凈跨徑）），全橋共設(shè)57對(duì)114根吊桿，順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距 600cm ，橫橋向間距 2850cm ，采用PES7-109平行鋼絲成品拉索，外包雙層PE防腐，最外層為白色PE，鋼絲采用 Φ7 鍍鋅鋼絲，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為 1670MPa 兩端配冷鑄墩頭錨，錨具型號(hào)為PESM7-109，上端為張拉端，在拱上張拉，下端為錨固端，錨于鋼橫梁內(nèi)。主孔橋型布置示意圖如圖1所示。

黑石鋪湘江大橋于1999年10月開(kāi)工建設(shè)，2002年12月完成橋梁主體結(jié)構(gòu)施工，2004年3月投入正式運(yùn)營(yíng)。針對(duì)黑石鋪湘江大橋的檢測(cè)顯示吊桿存在如下較嚴(yán)重的病害，考慮到中承式拱橋的吊桿受沖擊力較大，易疲勞損壞，其下錨頭部位工作環(huán)境復(fù)雜，易被污水、油污侵蝕發(fā)生銹蝕現(xiàn)象；而吊桿下錨頭區(qū)段難以進(jìn)行日常檢測(cè)維護(hù)，無(wú)法判斷吊桿損傷情況，存在極大安全隱患，因此更換較為嚴(yán)重的2根吊桿，進(jìn)行檢測(cè)分析。

2 鋼絲損傷檢查

2.1 鋼絲損傷情況

鋼絲銹蝕是導(dǎo)致吊桿鋼絲在運(yùn)營(yíng)中發(fā)生斷裂的重要原因之一，是吊桿承載力和使用壽命降低的直接原因，是影響吊桿運(yùn)營(yíng)安全的重大威脅。為了了解吊桿鋼絲在縱向各斷面的銹蝕狀況，對(duì)全橋吊桿的使用狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，換下2根吊桿進(jìn)行解剖檢查，以判斷吊桿的銹蝕現(xiàn)狀，決定吊桿及全橋的維修使用方案。卸下的2根吊桿鋼絲均已出現(xiàn)不同程度的銹蝕。舊吊桿鋼護(hù)筒與PE護(hù)套間連接段的防護(hù)缺陷導(dǎo)致了局部鋼絲出現(xiàn)了嚴(yán)重銹蝕，鋼絲在下錨頭鋼護(hù)筒端部的部位嚴(yán)重銹蝕，距鋼護(hù)筒 2.5m 范圍內(nèi)上側(cè)PE護(hù)套內(nèi)鋼絲銹蝕嚴(yán)重（圖2）;距鋼護(hù)筒 2.5～4.0m 范圍內(nèi)PE護(hù)套內(nèi)鋼絲銹蝕程度逐漸變輕；距鋼護(hù)筒超過(guò) 4.0m 的中間索段內(nèi)的鋼絲完好，基本無(wú)銹蝕；而上錨頭區(qū)段內(nèi)鋼絲基本未發(fā)生銹蝕。

吊桿內(nèi)的鋼絲束在制作過(guò)程中存在一定的角度，并不是完全平行的，在約束位置或車(chē)輛動(dòng)荷載作用下吊桿可能發(fā)生橫向微振動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)部鋼絲之間產(chǎn)生動(dòng)摩擦，長(zhǎng)期以往會(huì)對(duì)鋼絲產(chǎn)生明顯的摩擦損傷。 1^# 吊桿上、下錨頭段出現(xiàn)少量、輕微摩擦損傷，中間段因位于與拱段鋼護(hù)筒下出口擠壓處出現(xiàn)大量、明顯摩擦損傷。 2^# 吊桿上錨頭段、中間段未見(jiàn)摩擦損傷，下錨頭段出現(xiàn)少量、輕微損傷（圖3）。

2.2 鋼絲損傷程度

鋼絲銹蝕程度直接影響吊桿整體承載能力，對(duì)橋梁安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，因此分析吊桿承載能力及疲勞壽命必須對(duì)鋼絲銹蝕程度進(jìn)行評(píng)定。點(diǎn)蝕蝕坑是影響鋼絲剩余疲勞壽命的重要參數(shù)，其數(shù)據(jù)對(duì)于進(jìn)行腐蝕鋼絲剩余壽命的理論分析具有重要的作用。

選取 1^# 吊桿和 2^# 吊桿的下錨頭連接段發(fā)生嚴(yán)重銹蝕的鋼絲作為分析樣本，通過(guò)目測(cè)的方法，觀察鋼絲表面鍍鋅層清晰完好程度及表面銹斑面積，根據(jù)文獻(xiàn)[5]鋼絲銹蝕程度等級(jí)分類(lèi)，本次更換下舊吊桿存在鋼絲銹蝕0一4類(lèi)，0類(lèi)為鋼絲表面鍍鋅層清晰完好，不存在銹蝕。

從目前的1一4類(lèi)銹蝕等級(jí)的樣本鋼絲中各選取6＼～8根，進(jìn)行表面酸洗、中和，去除銹蝕物后，利用工業(yè)顯微鏡對(duì)鋼絲表面的蝕坑進(jìn)行拍照測(cè)繪（圖4），統(tǒng)計(jì)腐蝕鋼絲樣本具體典型蝕坑形狀參數(shù)見(jiàn)表1。

對(duì)銹蝕鋼絲進(jìn)行分級(jí)數(shù)量統(tǒng)計(jì)，得到 1^# 吊桿下錨頭和 2^# 吊桿下錨頭鋼護(hù)筒端部截面鋼絲銹蝕分布情況（圖5）。在密封壓環(huán)位置的裸露鋼絲銹蝕最為嚴(yán)重，銹蝕嚴(yán)重區(qū)域與吊桿連接段的防護(hù)漏洞剛好吻合。鋼絲在最外層銹蝕最嚴(yán)重，里層的鋼絲銹蝕程度相對(duì)較輕，鋼絲未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

3 損傷鋼絲試驗(yàn)研究

3.1腐蝕鋼絲軸向拉伸試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)斜拉索鋼絲銹蝕與承載能力的關(guān)系，需要對(duì)銹蝕的鋼絲進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。通過(guò)上節(jié)的銹蝕程度分級(jí)，選取相應(yīng)等級(jí)的鋼絲進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。每組試樣4根，每根長(zhǎng)度 400mm ，采用WAW-600電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。鋼絲規(guī)格： Φ7-1670 ，根據(jù)GB/T17101—2019《橋梁纜索用熱鍍鋅或鋅鋁合金鋼絲》計(jì)算的公稱(chēng)破斷力 64.295kN 。

實(shí)驗(yàn)按規(guī)范GB/T228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)，將鋼絲試件夾持于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)夾頭中，開(kāi)始緩慢加載，拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，在鋼絲達(dá)到屈服前，應(yīng)力增加速度為1kgf/mm²/s（10MPa/s） 。鋼絲屈服后，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)夾頭移動(dòng)速度不得大于每分鐘 0.5L，L 為平行段的長(zhǎng)度。對(duì)于斷后標(biāo)距的測(cè)量應(yīng)遵從如下規(guī)則，將試件拉斷后的2段在斷裂處緊密對(duì)接起來(lái)，盡量使其軸線(xiàn)位于一條直線(xiàn)上。鋼絲斷裂處，由于其他原因造成的縫隙，對(duì)接時(shí)無(wú)法閉合，則將此縫隙長(zhǎng)度一并計(jì)入試樣標(biāo)距拉斷后的總長(zhǎng)度。腐蝕鋼絲軸向拉伸斷后形貌如圖6所示。不同腐蝕等級(jí)鋼絲的拉伸破斷試驗(yàn)結(jié)果匯總至表2。

由表2不同類(lèi)銹蝕等級(jí)鋼絲拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到如下結(jié)論。

1）鋼絲的銹蝕等級(jí)達(dá)到4類(lèi)后，銹蝕鋼絲的靜力破斷力與規(guī)范要求值相比明顯下降，試驗(yàn)樣本破斷力平均值降低率為 6.5% ，個(gè)別樣本鋼絲延伸率小于理論要求值，說(shuō)明鋼絲的腐蝕等級(jí)達(dá)到4類(lèi)后，對(duì)鋼絲的靜力學(xué)性能明顯影響。

2）鋼絲的銹蝕等級(jí)達(dá)到3類(lèi)時(shí)，銹蝕鋼絲的靜力破斷力均值小于規(guī)范要求值，但破斷力平均降低率為0.9% ，說(shuō)明對(duì)鋼絲的靜力學(xué)性能影響不明顯。

3）1類(lèi)和2類(lèi)鋼絲的破斷力及抗拉強(qiáng)度以及延伸率均高于理論值，滿(mǎn)足鋼絲的性能要求，說(shuō)明1、2類(lèi)鋼絲的銹蝕只發(fā)生在鋼絲的表面，未對(duì)鋼絲的靜力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

3.2 腐蝕鋼絲疲勞試驗(yàn)

基于現(xiàn)有研究結(jié)果，當(dāng)腐蝕等級(jí)低于2類(lèi)的情況下，疲勞壽命損失不明顯。因此，從舊吊桿腐蝕鋼絲中2-3類(lèi)銹蝕等級(jí)鋼絲中各選取6根樣本鋼絲，4類(lèi)銹蝕等級(jí)鋼絲選取5根鋼絲樣本，利用PMW800-2000電液式脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行銹蝕鋼絲的疲勞試驗(yàn)研究。按照設(shè)計(jì)文件，疲勞試驗(yàn)加裝的應(yīng)力幅值 200MPa （0.12σ） ，應(yīng)力峰值 660MPa（0.40σ） ，對(duì)試驗(yàn)樣本鋼絲進(jìn)行了200萬(wàn)次疲勞加載試驗(yàn)。通過(guò)疲勞試驗(yàn)，共計(jì)9根鋼絲在加載到200萬(wàn)次循環(huán)荷載前發(fā)生了斷裂，其中4類(lèi)銹蝕程度的鋼絲均發(fā)生斷裂（圖6）。

由表3各銹蝕等級(jí)鋼絲疲勞實(shí)驗(yàn)斷裂鋼絲的分析結(jié)果可以得到如下結(jié)論。

1）2類(lèi)銹蝕等級(jí)鋼絲在疲勞試驗(yàn)中未出現(xiàn)斷裂，說(shuō)明1、2類(lèi)銹蝕等級(jí)鋼絲的剩余疲勞壽命能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2）3類(lèi)銹蝕等級(jí)鋼絲在疲勞試驗(yàn)中出現(xiàn)4根樣本鋼絲斷裂，斷裂樣本鋼絲疲勞壽命平均值降低率為8.6% ，說(shuō)明3類(lèi)銹蝕等級(jí)鋼絲剩余疲勞壽命降低相對(duì)較少。

3）4類(lèi)銹蝕等級(jí)鋼絲在疲勞試驗(yàn)中全部樣本鋼絲斷裂，樣本鋼絲疲勞壽命平均值降低率為 26.1% ，說(shuō)明鋼絲的腐蝕等級(jí)達(dá)到4類(lèi)后，鋼絲剩余疲勞壽命會(huì)出現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)

3.3腐蝕鋼絲疲勞壽命的計(jì)算與分析

橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，吊桿鋼絲會(huì)受到外界腐蝕介質(zhì)的侵蝕，隨著服役時(shí)間的推移，鋼絲的腐蝕發(fā)展會(huì)導(dǎo)致鋼絲表面產(chǎn)生不同程度的蝕坑缺陷。由于這種蝕坑缺陷的存在，鋼絲受到的局部應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)就越高，裂紋往往會(huì)在缺陷處萌生。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，國(guó)內(nèi)主要通過(guò)疲勞斷口定量分析方法，采用Paris公式反推疲勞壽命值。Paris公式如下

對(duì)公式進(jìn)行積分可得

式中： N 是剩余疲勞循環(huán)次數(shù)； a₀ 是蝕坑初始深度； a_c 是鋼絲斷裂后蝕坑擴(kuò)展深度； ΔK 是恒應(yīng)力幅作用下應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍， 是材料常數(shù)，參照文獻(xiàn)[8]中的數(shù)據(jù) C=9.263×10^-11 m=1.993 。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，在假定最大應(yīng)力為 660MPa （0.4σ） ，應(yīng)力幅值 200MPa（0.12σ） 情況下，鋼絲疲勞壽命應(yīng)大于 2×10⁶ 次。按照以上的等幅應(yīng)力循環(huán)條件，通過(guò)理論計(jì)算得出試驗(yàn)中吊桿鋼絲的疲勞壽命理論值，并將理論值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4數(shù)據(jù)可知，在3類(lèi)銹蝕等級(jí)理論疲勞壽命與試驗(yàn)疲勞壽命比值在0.94＼～1.02，說(shuō)明理論計(jì)算值偏大且保守，在4類(lèi)銹蝕等級(jí)理論疲勞壽命與試驗(yàn)疲勞壽命比值在1.02＼～1.15，鑒于利用低倍電子顯微鏡測(cè)量這些疲勞斷口處疲勞源尺寸參數(shù)時(shí)，產(chǎn)生相對(duì)較大得誤差，使得計(jì)算精度下降，但是理論值偏離的幅度不大，理論值與試驗(yàn)值吻合較好。所以，在實(shí)際檢測(cè)項(xiàng)目中，采用Paris公式定量反推出斷裂鋼絲的理論剩余疲勞壽命，可以通過(guò)測(cè)量蝕坑參數(shù)來(lái)進(jìn)行腐蝕鋼絲剩余疲勞壽命的評(píng)估。對(duì)本項(xiàng)目而言，目前的鋼絲腐蝕程度不發(fā)展的情況下，吊桿鋼絲仍具有一定的安全使用壽命，所以在全橋吊桿更換前，加強(qiáng)對(duì)吊桿的監(jiān)測(cè)和維護(hù)工作。

4結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)黑石鋪湘江特大橋更換舊吊桿進(jìn)行鋼絲拉伸試驗(yàn)和鋼絲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)分析了不同腐蝕程度等級(jí)鋼絲的承載力變化趨勢(shì)及對(duì)鋼絲剩余疲勞壽命的影響，不僅對(duì)保障自前主橋吊桿的運(yùn)營(yíng)安全和加強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)管理具有重要意義，而且可以為同類(lèi)型橋梁吊桿的運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供理論支持。

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