腐蚀桥梁缆索的氢脆和腐蚀疲劳研究

既有悬索桥和斜拉桥的缆索容易遭受腐蚀,影响桥梁安全.通过对不同腐蚀程度的桥梁缆索钢丝试验研究其力学性能和剩余强度.静力试验结果表明:实际腐蚀钢丝的抗拉强度与腐蚀程度关系不大,但当镀锌层消失钢丝开始腐蚀时,其伸长率急剧降低.由于中度腐蚀钢丝的氢累积含量在未受拉和受拉情况下都不大于0.2 ppm,所以当氢含量远小于脆断临界浓度0.7 ppm时,对钢丝张拉没有影响,表明氢脆可能不会发生.疲劳试验结果表明:当仅有镀锌层发生腐蚀时,疲劳强度变化不大;当腐蚀进入镀锌层下的钢材时,疲劳强度会显著降低;潮湿环境下钢丝的疲劳强度与干燥环境下相比会进一步降低.既有悬索桥的断裂钢丝断面分析表明:其断裂面和腐蚀疲劳断面相同,不是氢脆断裂.     

海洋环境下耐候钢十字非传力焊接接头腐蚀疲劳性能试验研究

腐蚀疲劳严重危害在役钢桥服役安全。为研究海洋环境下耐候钢桁梁桥焊接节点的腐蚀疲劳性能,对23个Q420qFNH耐候钢十字非传力角焊缝焊接接头进行实验室干/湿交替中性盐雾加速腐蚀及腐蚀后疲劳试验,采用失重法得到试件的失重率和腐蚀速率,对接头腐蚀形貌及疲劳断裂失效的宏观断口形态进行分析,拟合得到经历不同腐蚀时长后试件的名义应力和热点应力S～N曲线。结果表明：耐候钢十字非传力角焊缝焊接接头疲劳裂纹均萌生于焊趾处并沿板厚扩展失效,疲劳寿命由焊缝控制,接头焊趾附近腐蚀坑的形成与生长加剧了焊接接头的疲劳裂纹萌生;焊接接头的疲劳性能劣化程度随腐蚀损伤效应的增加而增加,但疲劳强度折减量与腐蚀时间并未呈线性关系,锈层逐渐具有保护性;未腐蚀前名义应力和热点应力疲劳强度等级分别建议采用《公路钢结构桥梁设计规范》中的FAT80和Eurocode 3规范的FAT110进行评估,腐蚀后的疲劳强度折减量建议参照美国耐候钢桥指南规定C类细节选取。     

锈蚀钢丝疲劳断口分析与寿命预测

为了研究桥梁锈蚀高强度钢丝的疲劳性能以及疲劳断裂机理,并为基于断裂力学理论的锈蚀高强度钢丝疲劳寿命评价提供试验依据,以服役10余年的漂浮结构体系的拱桥吊杆退役钢丝及人工加速腐蚀钢丝为试验样本,对这2类钢丝进行了不同应力幅下的疲劳试验;利用扫描电镜分析了锈蚀钢丝的疲劳断口形貌特征以及疲劳断裂失效过程,对比分析了2类锈蚀钢丝疲劳源的蚀坑尺寸;考察了2类锈蚀钢丝初始裂纹应力强度因子及剩余断裂韧性,并与既有的钢丝疲劳阈值和断裂韧性指标进行了比较;采用三参数公式对锈蚀钢丝应力-寿命(S-N)曲线进行了拟合,对比了不同锈蚀程度钢丝S-N曲线的差异;针对锈蚀钢丝高应力幅的疲劳寿命特征,运用线弹性断裂力学方法对其进行了分析。结果表明:随着腐蚀程度的增加,钢丝的疲劳性能下降;表面蚀坑分布较密时,容易诱发多源裂纹并表现出不规则的裂纹扩展规律;萌生主裂纹的蚀坑阈值条件主要由疲劳裂纹扩展阈值ΔK_(th)控制;锈蚀钢丝S-N曲线在低应力范围下出现拐点,符合三参数公式的拟合规律;锈蚀钢丝的裂纹扩展寿命所占比例较大,基于一定初始裂纹尺寸假设得到的疲劳裂纹扩展寿命SN曲线能较好地反映锈蚀钢丝中等寿命区的平均疲劳行为。     

斜拉桥大直径斜拉索的疲劳强度

对斜拉桥平行钢丝大直径斜拉索体系进行了疲劳试验，并对试验结果作了详细评述。结果清楚表明：随着拉索直径的增大，拉索的疲劳强度将会降低；在拉索疲劳设计工作应力幅以内，拉索锚固部分的应力集中是影响大直径拉索疲劳强度的主要因素。当为了防止腐蚀而用水泥对拉索灌浆时，未镀锌钢丝由于化学反应后剩余的水引起的腐蚀疲劳可能使其寿命大大缩短，这与灌浆材料的质量和灌浆方式有关。此外，还建议采用基于５％钢丝断裂寿命的Ｓ－     

耐候钢桥耐腐蚀性能与腐蚀疲劳性能研究进展

针对耐候钢桥所面临的腐蚀损伤及腐蚀疲劳性能耦合劣化问题,介绍了耐候钢桥基于理论模型与试验研究的耐腐蚀性能评价方法;总结了腐蚀疲劳耦合劣化机理、疲劳试验研究及其成果;研究了各国规范中适用于腐蚀环境的S～N曲线;分析了耐候钢的腐蚀疲劳寿命评价模型。结果表明：耐候钢耐腐蚀性能评价采用单一评价指标很难全面地表征腐蚀程度,应采用多指标联合评价,合理的焊材与母材匹配是提高耐候钢焊接结构耐腐蚀性能的关键;耐候钢腐蚀疲劳性能可通过风化后腐蚀疲劳试验进行测试,耐候钢焊接结构的腐蚀疲劳性能劣化较母材更加严重,是工程应用中关注的重点;现行规范对钢结构腐蚀疲劳性能的劣化效应多采用降低结构细节等级的方式,建议根据腐蚀环境、结构类别、试验方法等分门别类地制定腐蚀疲劳S～N曲线;免涂装耐候钢焊接节点的腐蚀疲劳寿命预测有待开发理论模型支撑。     

腐蚀吊索钢丝力学性能退化研究

为了进行腐蚀吊索承载力评估,需要研究腐蚀吊索钢丝力学性能退化特征。利用103根袁州大桥拆除得到的腐蚀旧钢丝进行静力拉伸试验、疲劳试验和扭转试验。结果表明:在0.05的显著性水平下,腐蚀吊索钢丝的静拉力学性能参数不拒绝正态分布和对数正态分布;相比较新钢丝,即使腐蚀蚀坑尺寸很小,疲劳寿命仍然降低很多;腐蚀钢丝疲劳断口没有明显的宏观塑性变形;腐蚀钢丝的抗扭性能明显退化。     

交变应力与环境耦合作用下拉索腐蚀疲劳损伤机理研究

通过开展室内盐雾加速腐蚀试验,研究分析了各种应力状态下腐蚀钢丝的腐蚀失重量及弹性模量、抗拉强度等力学性能的变化,得出腐蚀钢丝各种力学性能中断后伸长率对疲劳腐蚀最为敏感的结论。在试验开展的基础上,以细观损伤力学为研究手段,并结合断裂力学强度准则,分析了环境腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀各自的特征、机理。腐蚀斜拉索的腐蚀疲劳损伤主要是由于腐蚀造成的钢丝表面的蚀坑,进而导致应力集中现象,加之氢致开裂,导致裂纹不断萌生、发展,研究分析了应用腐蚀疲劳裂纹扩展门槛值作为点蚀坑向腐蚀疲劳裂纹转化的判据的方法,并通过数值手段,分析了钢丝全面腐蚀、表面蚀坑深度、蚀坑形状和蚀坑纵向净间距对钢丝应力分布状态和疲劳寿命的影响。     

悬索桥主缆镀锌钢丝腐蚀过程及抗力变化试验研究

为了确定悬索桥主缆镀锌钢丝的剩余抗力和腐蚀外观之间的对应关系,采用中性盐雾试验对16组(共320根)镀锌钢丝试件进行420d的加速腐蚀,观察钢丝的外观腐蚀过程,研究其腐蚀指标随腐蚀程度的变化过程,对腐蚀后的钢丝进行拉伸试验,测试其剩余抗力,并以此为依据对钢丝的腐蚀程度进行分级。结果表明:钢丝的外观腐蚀过程分为镀锌层腐蚀和基体腐蚀2个阶段;钢丝的质量、直径和破断力等指标在镀锌层腐蚀阶段降低较慢,钢丝发生延性断裂,进入基体腐蚀阶段后降低较快,钢丝发生脆性断裂;根据钢丝的腐蚀外观和腐蚀指标、抗力指标的损失,将钢丝的腐蚀分为8个等级,实桥检测时可通过腐蚀外观判断钢丝的剩余抗力。     

受腐蚀桥梁钢丝的力学性能和剩余强度

制备不同腐蚀程度的镀锌钢丝,研究它们的力学性能和剩余强度,发现受腐蚀钢丝的实际抗拉强度并未降低。然而,钢丝的延伸率、扭转强度、疲劳强度大幅度下降;经测量腐蚀钢丝吸收的氢元素含量,表明并未达到发生氢脆的浓度。受腐蚀钢丝表面凹凸不平造成了钢丝延性的降低。从旧悬索桥主缆截取主缆钢丝进行研究,断裂面形态表明断裂源自腐蚀引起的疲劳而非氢脆。可以认为该钢丝开裂由腐蚀、循环应力、残余应力、氢和磨损等因素综合造成。     

复杂环境下对接焊缝疲劳性能数值分析

为了研究钢桥在复杂环境中焊接接头的疲劳性能,通过建立Q420qD钢板对接焊缝有限元模型,针对焊缝区域存在腐蚀、火灾的工况作用下,基于S～N曲线方法,对对接焊缝的疲劳寿命进行估算。结果表明:对接钢板焊接完成后在焊趾产生较大残余应力,焊缝经过热处理后焊趾残余应力降低61.8%;存在腐蚀坑的焊缝边缘产生较大应力集中现象;未处理过的对接焊缝疲劳性能明显高于规范公式计算值,而存在腐蚀坑损伤的对接焊缝疲劳性能大幅降低,焊缝经过热处理后其疲劳性能得到了改善。     

钢筋混凝土结构腐蚀疲劳劣化过程的动态寿命评估

为评估腐蚀条件下钢筋混凝土结构的疲劳寿命,采用预腐蚀的方法分级建立不同腐蚀率下钢筋混凝土结构的S～N曲线方程,然后在S～N曲线方程中再次考虑腐蚀率和应力水平的影响,建立lgN～lgS的一般线性关系,同时根据腐蚀率随时间的变化规律,按年限逐步计算结构在腐蚀及循环荷载作用下的时变疲劳累积损伤,最终根据Miner线性累积损伤理论动态预测结构的疲劳寿命。以某简支T梁为例进行腐蚀疲劳寿命评估,评估结果表明,钢筋混凝土结构在荷载及腐蚀环境共同作用下的性能和疲劳寿命会大大降低。     

在役桥梁拉吊索腐蚀-疲劳损伤与破断机理分析

拉吊索(悬索桥的吊索、斜拉桥的斜拉索以及中、下承式拱桥的吊索)是拉索桥梁的重要承重构件,其服役可靠性直接影响这些桥梁的安全性。以拉吊索病害特性为导向,通过有限元分析、索体钢丝的腐蚀-疲劳模拟试验,结合理论分析研究拉吊索的损伤与破断机理,以期为拉吊索的设计、养护以及检测提供参考。首先通过有限元分析发现若下锚固区发生0.001 13 rad的转角,该处产生的弯曲应力就有18.8 MPa,研究下锚固区索体钢丝的病害不能忽视弯曲应力的影响,弯曲应力也是造成长拉吊索发生破断病害的因素之一;接着以近5 a中国西南地区雨水中形成酸雨的离子浓度的平均值为基准值,在盐雾腐蚀箱中模拟酸雨环境,将直径7 mm抗拉强度为1 860 MPa的镀锌钢丝在盐雾腐蚀箱中模拟酸雨腐蚀环境与交变应力耦合作用下索体钢丝的腐蚀-疲劳试验,研究其腐蚀-疲劳损伤机理。研究表明:服役的桥梁拉吊索在腐蚀环境和交变应力耦合作用下发生腐蚀-疲劳损伤,腐蚀-疲劳致使构件腐蚀加剧,塑性降低,脆性增强,发生脆性破断,若在设计、检测、评估分析中对结构的腐蚀-疲劳损伤考虑不充分就会有重大安全隐患;弯曲应力也是造成长拉吊索发生破断病害的因素之一;在相同的腐蚀环境下,随着时间的增加,交变应力工况试件的腐蚀程度最大,其次是静态应力工况,无应力工况下的腐蚀程度最小;试件发生腐蚀-疲劳损伤后,其破断应力约为无腐蚀试件的60%,断后伸长率降低得更多,约为无腐蚀试件的40%,断口表现为脆断;发生腐蚀-疲劳损伤的拉吊索钢丝,若有复杂空间应力的作用,更易发生脆断。     

既有腐蚀拉索钢丝蚀坑形态参数的分布特征

从实际工程更换的腐蚀斜拉索中获取腐蚀钢丝试样,并利用室内加速腐蚀试验制备了腐蚀钢丝对比试样,针对各腐蚀分级的钢丝试样观测并记录了钢丝表面蚀坑的几何形态、数量和分布情况;利用统计分析研究了实际工程和腐蚀试验制备的钢丝试样的蚀坑形态参数的概率分布模型。结果表明:腐蚀钢丝的蚀坑几何形状可抽象为浅球形、深椭球形、浅椭球形、长槽形4种,不同腐蚀等级钢丝中4种蚀坑形状的出现数量有较大差异;蚀坑长度、宽度以及深宽比符合对数正态分布;考虑张拉应力的局部加速腐蚀钢丝试样的统计规律与实际工程腐蚀钢丝试样的统计规律具有良好的拟合度。     

基于蚀坑参数的既有斜拉索钢丝腐蚀程度分级评价研究

钢丝腐蚀是导致斜拉索运营能力下降的主要因素,为了有效评估既有斜拉索的运营安全性,对其钢丝腐蚀程度进行准确的分级评价是基础性的工作。由于钢丝表面的蚀坑是导致钢丝力学性能退化的主要原因,采用实际工程更换下来的斜拉索中腐蚀钢丝为样本,以蚀坑几何尺寸为主要评价参数,进行了钢丝腐蚀分级下蚀坑参数测量试验研究。试验数据表明:钢丝腐蚀程度等级越高,蚀坑发育越明显,分布由稀疏变化为紧密相连,典型蚀坑深度逐渐增大,钢丝截面损伤率迅速扩大。基于试验统计数据,提出了包含蚀坑参数指标的斜拉索钢丝腐蚀分级的新评价标准,可有效提高斜拉索腐蚀开窗检测的实践操作性。     

EQ140型汽车半轴套管失效分析

对EQ140型汽车半轴套管的失效分析结果表明,套管的失效是交变弯曲应力与接触应力叠加作用下的微动疲劳断裂,微动疲劳是其基本失效形式。造成套管疲劳强度下降的主要因素,是微动表面摩擦应力、微动剥落坑和试样几何形状三者引起的应力集中。提高套管材料抗粘着磨损的能力和缺口状态下的表面疲劳强度,可提高套管的微动疲劳寿命。     

悬索桥主缆中高强钢丝的腐蚀与脆化

该文通过加速循环腐蚀试验对比分析了腐蚀对镀锌和未镀锌钢丝的影响。试件在承受各种持续荷载的同时,高温下通过循环盐雾箱,分别在干燥及100%的相对湿度条件下进行了腐蚀试验。测得了试件的重量损失、氢浓度、极限荷载以及破坏时的延伸率。延伸率的测量结果表明:钢丝的严重脆化不是单纯由吸氢引起的(氢脆),由腐蚀引起的钢丝表面的不均匀性才是导致其延伸率降低的主因。通过对建立腐蚀钢丝有限元模型所做的数值分析,以及在扫描电子显微镜下对断裂面的分析,对试验结果进行了验证。     

伶仃洋大桥锌-铝-稀土合金镀层钢丝腐蚀-疲劳耦合试验研究

深中通道伶仃洋大桥主缆采用?6 mm 2 060 MPa锌-10%铝-稀土合金镀层钢丝,为了解腐蚀-疲劳耦合作用对该类型钢丝疲劳寿命的影响,对其进行试验研究。在钢丝试样常规疲劳试验的基础上,结合伶仃洋大桥主缆的承载特征和海洋环境下的服役特点,对腐蚀疲劳试验的方法进行比选,最终采用了干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验的新方法,研究不同应力变幅下主缆钢丝的腐蚀疲劳寿命、腐蚀状态及断口形态。结果表明：由于腐蚀和疲劳循环耦合作用,?6 mm 2 060 MPa锌-10%铝-稀土合金镀层钢丝抗疲劳性能有所降低,其疲劳应力变幅越大,疲劳循环次数降低幅度越大。当应力变幅为360 MPa时,在相当于4倍以上常规热镀锌钢丝盐雾腐蚀试验时间的腐蚀下,钢丝表面锈蚀超过30%,其应力循环次数为197万次,接近200万次。     

不同钢纤维掺入率的混凝土疲劳试验研究

利用电液伺服材料试验机,进行钢纤维混凝土的疲劳试验研究,得到不同钢纤维掺入率的混凝土试件在疲劳荷载作用下的疲劳寿命以及应力、应变变化规律。根据试验数据,作出钢纤维混凝土的疲劳寿命曲线,并得到不同钢纤维掺入率的混凝土试件的疲劳应变与寿命的关系对比曲线。结果表明:钢纤维混凝土的疲劳性能明显高于普通混凝土,其疲劳强度较普通混凝土提高20%左右。     

热再生沥青混合料疲劳特性试验研究

为研究热再生沥青混合料的疲劳特性,基于四点弯曲试验分析了旧沥青混合料(RAP)掺量、应变水平、加载频率等因素对热再生沥青混合料疲劳寿命的影响规律,并与APA疲劳试验结果进行了比较验证。结果表明:四点弯曲试验与APA试验结果具有一致性,随着RAP掺量增加,混合料疲劳寿命不断降低,当RAP掺量大于30%时,降低幅度尤为明显;热再生沥青混合料疲劳寿命与施加应变值满足幂函数疲劳方程,RAP掺量越高试件疲劳寿命对荷载水平变化越敏感;试验中提高加载频率,试件的疲劳寿命随之增加,且在低应变水平下,加载频率变化引起试件的疲劳寿命差异更大。     

国际现行钢结构公、铁路桥梁疲劳设计规范综述

桥梁达到设计寿命的关键之一是有足够的疲劳强度.对比美国、英国、欧盟和日本规范中钢结构桥梁疲劳设计核心得出:疲劳安全判定准则相同;基本分析计算的标准疲劳动载车型数量上有不同,但无实质区别;均采用米诺累积损伤准则进行多峰值载荷循环条件下的疲劳设计;均进行疲劳强度等级划分,并给出相对应的S～N曲线修正;载荷阻力因子设计通过采用精细的安全系数使疲劳破坏概率在可接受的范围.对疲劳设计准则:英国对公路桥采用三级循序渐进、疲劳应力和使用年限控制相结合法;美国采用分别对应常规、极限工况强度的准则Ⅰ、Ⅱ;欧盟采用绝对安全设计和损伤容限设计法;与美欧不同之处是日本采用带有2个疲劳稳定极限的S～N曲线.提出需对拉伸平均应力效应、疲劳稳定极限、定量的低周疲劳计算等方面进一步研究.