鋼結構由于強度高、質量輕、剛度大、韌性好、施工方便以及優良的焊接性能被廣泛應用于大跨度橋梁結構。腐蝕和疲勞開裂是鋼橋最主要的兩種病害形式(圖1)。我國每年因腐蝕造成的經濟損失約占當年國內生產總值的1%~5%,全世界每年因腐蝕造成的經濟損失高達7 000億美元[1]。鋼材腐蝕不僅造成經濟和資源的損失,而且還帶來很多的安全問題。美國40%橋梁都是由鋼材建造的,惡劣的環境和不適當的養護導致許多橋梁腐蝕退化[2]。在日本早年統計的104座懸索橋斷橋事故中,有19例與暴露于環境中的鋼材銹蝕有關[3]。鋼橋中各類焊接結構(尤其是正交異性鋼橋面板)的構造形式復雜,運營后不久容易出現疲勞裂紋,最早的英國Seven橋,之后德國Sinntal和Haseltal兩座橋以及中國虎門大橋都在通車使用后不久出現了疲勞裂紋[4]。腐蝕疲勞比單獨的腐蝕或疲勞現象更為復雜和不利,會加速材料性能劣化。國內外學者在金屬腐蝕疲勞損傷規律和腐蝕疲勞退化機理等方面做了許多研究工作。影響鋼橋腐蝕疲勞的因素眾多,比如腐蝕環境、循環荷載、焊接殘余應力等,這些都是目前鋼橋腐蝕疲勞研究的熱點。 

圖  1  鋼橋常見病害

Figure  1.  Common diseases to steel bridges: (a) corrosion; (b) fatigue cracking

1.   鋼橋腐蝕類型和規律

鋼橋表面涂裝劣化使鋼材裸露在大氣環境中繼而發生化學或電化學反應,是鋼材腐蝕的主要原因。鋼橋腐蝕類型主要分為四種：均勻腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕和腐蝕疲勞。均勻腐蝕是指腐蝕均勻地發生在金屬表面,使得截面厚度均勻減小,鋼橋整體應力增大。點蝕破壞集中在鋼橋局部位置,會引起應力集中,加速疲勞裂紋形成。縫隙腐蝕主要是由于焊縫內積水不易排出而導致的。腐蝕疲勞是指在循環荷載作用下,鋼橋在腐蝕介質中的破壞。腐蝕疲勞往往具有更嚴重的后果,腐蝕和疲勞的聯合作用會顯著降低鋼橋的疲勞壽命。 

影響鋼橋腐蝕主要因素有環境因素、材料因素和人為因素。其中環境因素包括溫度、濕度、pH、氯離子、二氧化硫等,材料因素主要是指材料的化學組成及機械加工等,人為因素包括橋面系漏水、鋼箱梁通風差、涂裝質量問題等[5]。鋼橋所處的環境不同,因此腐蝕情況一般也不同。對鋼材大氣暴露腐蝕試驗數據進行回歸分析發現,大氣腐蝕深度與時間存在冪指數關系[6]如式(1)所示。 

式中：D為腐蝕深度(mm)；t為暴露時間(a)；b和n為擬合常數。一般環境中n為0.4~0.5,濕熱海洋環境中n可高達0.7~1.5。在紹興和青島大氣環境中鋼箱梁內外側腐蝕深度擬合常數如表1所示[7-8]。 

2.   鋼橋腐蝕疲勞壽命預測方法

目前,鋼橋腐蝕疲勞壽命評估方法主要有兩種：基于疲勞曲線的應力法和基于裂紋擴展速率公式的斷裂力學法。 

2.1   應力法

ALBRECHT等[9]最早開始對鋼橋腐蝕疲勞進行系統研究,通過不同腐蝕情況下A588耐候鋼焊接接頭疲勞試驗發現,腐蝕能夠顯著降低疲勞壽命。其原因主要有以下三點：厚度變薄導致名義應力增大；蝕坑處應力集中；疲勞裂紋擴展速率增大[10]。此后,他們還對A588耐候鋼焊接梁和蓋板梁的腐蝕疲勞行為進行研究[11],得到3種不同的腐蝕疲勞失效模式：裂紋從蝕坑處形成(圖2)；裂紋從邊緣的缺陷處形成；裂紋從焊接缺陷處形成(圖3)。 

圖  2  裂紋從蝕坑處形成

Figure  2.  Crack forming from pit

圖  3  裂紋從焊接缺陷處形成

Figure  3.  Crack forming from weld defect

韓曉東[12]研究了不同NaCl含量腐蝕溶液對節段鋼箱梁疲勞性能的影響,發現疲勞強度在BS5400英國橋梁規范中D類曲線之上。DENG等[13]研究了截面均勻銹蝕和過載對鋼梁腐蝕疲勞損傷的影響。GKATZOGIANNIS等[14]對比分析了鋼構件室內腐蝕和實際腐蝕條件之間的相關性,并在不同腐蝕條件下對母材和焊縫進行了軸向拉伸和彎曲疲勞試驗,給出相應的疲勞曲線。 

HAN等[15]在模擬海水中對G20Mn5QT鋼對接焊縫進行疲勞試驗,并根據斷裂形貌分析腐蝕疲勞機理。研究發現：當應力水平小于190 MPa時,疲勞壽命急劇下降,當應力水平超過240 MPa時,腐蝕疲勞強度與未腐蝕疲勞強度接近；高應力水平下內部缺陷形成疲勞裂紋,低應力水平下則在蝕坑處形成疲勞裂紋。 

為了考慮腐蝕的影響,一些學者對現有疲勞曲線進行了修正,并通過試驗數據驗證模型的有效性。BANDARA等[16]提出了考慮腐蝕損傷影響的全壽命范圍疲勞曲線,該曲線包括高周和低周疲勞。AGHOURY等[17]基于材料特性、應力和環境腐蝕性提出了腐蝕疲勞應變壽命模型,其表達式為 

式中：b′和c′分別為腐蝕環境修正指數；Δε為應變幅；σmax為最大正應力；σ'f為疲勞強度系數；ε'f為疲勞延性系數；E為彈性模量；Nf為疲勞壽命。 

ADASOORIYA等[18-19]對鐵路橋梁腐蝕構件的剩余疲勞壽命進行了評估,考慮了材料損傷隨時間變化以及對應力歷程的影響,得到腐蝕環境全壽命范圍疲勞曲線,并考慮了加載次序的損傷準則。此外,他們還提出了未銹蝕結構細節的三線性疲勞曲線和銹蝕結構細節的雙線性疲勞曲線模型(圖4)。圖中,在恒定振幅的循環應力加載下,對應的疲勞極限和疲勞壽命(循環次數)為ΔσD和Nf, CAFL；在波動振幅的循環應力加載下,對應疲勞極限和疲勞壽命為ΔσL和Nf, VAFL；下標cor表示銹蝕,LCF表示低周疲勞。 

圖  4  未銹蝕結構細節和銹蝕結構細節疲勞曲線

Figure  4.  Fatigue curves of uncorroded and corroded constructional details

對于未銹蝕結構細節,應力幅和循環次數之間的關系如式(3)所示。 

根據歐洲規范[20],當Δσ≥ΔσD時,m=3；當ΔσD≥Δσ≥ΔσL時,m=5。 

對于銹蝕結構細節,其應力幅和循環次數之間的關系如式(4)~(7)所示。 

當Δσcor≥ΔσD, cor時： 

當Δσcor≤ΔσD, cor時： 

為了研究局部點蝕導致的應力集中對疲勞強度的影響,SHARIF等[21]引入新的概念即疲勞缺口系數kf來研究結構細節的疲勞問題。將疲勞缺口系數定義為結構細節B的疲勞強度σr, B和結構細節X的疲勞強度σr,X的比值(表2)。同理,可定義腐蝕疲勞缺口系數kfc為 

式中：σr,X和(σr,X)c分別為不腐蝕和腐蝕試件疲勞強度。腐蝕疲勞缺口系數主要與腐蝕深度、暴露時間、最大粗糙度和粗糙度標準差有關。腐蝕疲勞缺口系數需要針對特定結構細節在某個環境中進行疲勞試驗得到,環境和材料發生變化,腐蝕疲勞缺口系數也將發生變化。 

揭志羽等[22-23]將蝕坑加工為半橢球或半球體缺口,全面系統研究了不同蝕坑深度斜焊縫十字接頭的疲勞問題,提出了腐蝕疲勞影響系數的概念,考慮蝕坑尺寸和應力幅的影響,給出不同蝕坑深度的疲勞曲線以及腐蝕疲勞影響系數表達式。吳阿明[24]研究了蝕坑形狀、尺寸、數目和間距對橋梁鋼結構應力集中的影響,結果表明蝕坑形狀和尺寸是主要影響因素,而蝕坑數目和間距的影響較小。 

2.2   斷裂力學法

王玉鵬[25]給出了海洋環境中鋼橋腐蝕模型,并采用斷裂力學法對不同腐蝕時間的正交異性鋼橋面板結構細節的疲勞壽命進行了預測。研究表明,均勻腐蝕對鋼橋面板的影響很小,應考慮其他腐蝕類型的影響。因此,點蝕對疲勞性能的影響成為研究的重點方向。為了方便數值模擬分析,對蝕坑進行等效,方法有兩種：蝕坑等效為裂紋,不考慮裂紋的萌生[26]；蝕坑等效為缺口,考慮裂紋在缺口處的萌生和擴展[27]。 

NOVAK[28]研究了四種類型鋼中腐蝕疲勞裂紋的形成過程,結果發現,腐蝕疲勞裂紋形成沒有明顯的門檻值。劉海龍[4]采用斷裂力學對腐蝕鉚接鋼板橋疲勞壽命進行評估,并基于有限元方法計算應力強度因子,分析了腐蝕對疲勞裂紋形成和擴展的影響。JIE等[29]建立了含不同蝕坑類型斜焊縫十字接頭疲勞裂紋擴展公式,給出擴展參數與蝕坑深度之間的關系,并通過疲勞試驗結果驗證其準確性。結果發現,焊趾處為疲勞裂紋源,蝕坑的存在只改變了焊趾附近的應力應變場,當蝕坑深度小于1 mm時,可以不考慮蝕坑的影響。ZHANG等[30]對免涂裝橋梁耐候鋼的腐蝕疲勞進行評估,將腐蝕疲勞分成兩個階段：蝕坑形成過程和疲勞裂紋擴展過程,并比較了HPS70W和14MnNbq鋼腐蝕疲勞的差異性,同時對應力幅、應力比、腐蝕環境和日平均交通量等敏感性參數進行了研究。XU等[31]建立了焊接接頭腐蝕疲勞裂紋擴展速率的預測公式,對腐蝕疲勞裂紋擴展機理進行了分析,并考慮了加載頻率、焊接殘余應力和有效應力比對腐蝕疲勞裂紋擴展的影響。結果發現,裂紋擴展初期腐蝕起主要作用,隨著裂紋不斷擴展,循環荷載逐漸成為裂紋擴展的主要影響因素。由于腐蝕的產生具有不確定性,而斷裂力學需要定量分析裂紋尺寸的發展過程,蝕坑形狀、尺寸、位置均會對結果產生重要的影響,因此還需要在這方面進行深入探討。 

綜上,在鋼橋腐蝕疲勞壽命預測過程中,應從以下三個方面考慮腐蝕損傷對鋼橋疲勞性能的影響：截面削弱導致名義應力增大；蝕坑處應力集中；疲勞裂紋擴展速率增大。均勻腐蝕對鋼橋疲勞性能的影響較小,應著重考慮點蝕對疲勞性能的影響。 

疲勞曲線應根據具體的腐蝕狀況進行修正。蝕坑形狀和尺寸都對疲勞強度產生較大的影響,而蝕坑數量和間距的影響相對較小。 

分別采用疲勞缺口系數和腐蝕疲勞缺口系數表征焊接和腐蝕對應力集中的影響,通過比較它們之間的大小來判斷疲勞裂紋形成位置。當疲勞缺口系數大于腐蝕疲勞缺口系數時,疲勞裂紋可能在焊趾或者焊根處形成；當腐蝕疲勞缺口系數大于疲勞缺口系數時,疲勞裂紋則在蝕坑處形成。 

為了方便計算,蝕坑一般等效為形狀規則的裂紋或缺口。 

3.   鋼橋腐蝕疲勞可靠度

一些學者基于可靠度理論對腐蝕疲勞問題進行了研究。NOWAK等[32]基于可靠度理論分析了腐蝕和疲勞作用下鋼梁橋結構的性能變化。葉肖偉等[33]提出了橋梁結構腐蝕疲勞可靠度評估模型,并基于健康監測數據對概率疲勞壽命進行了分析,建立截面尺寸退化函數,表達式為 

式中：η(t)為面積損失率；B為結構厚度；ε和為分別名義應變和有效應變；A和分別為初始截面面積和剩余截面面積。考慮腐蝕影響后的有效應力幅S可表示為 

疲勞曲線退化公式為 

式中：Sn為名義應力幅；C(t)和C0分別為腐蝕時間t和腐蝕前材料參數；φ(t)為環境退化函數。研究結果表明,不能忽視鋼材銹蝕對焊接節點疲勞可靠度的影響。 

ZHANG等[34]基于可靠度方法對退化橋梁腐蝕疲勞壽命進行了評估,并考慮了腐蝕速率、車輛類型、車速和道路表面狀況的影響。結果表明,疲勞壽命降低超過60%,道路表面狀況的影響大于腐蝕。張振浩等[35]采用神經網絡對斜拉橋鋼箱梁結構細節腐蝕疲勞可靠度進行研究,建立疲勞抗力時變模型和顯式功能函數,得到疲勞可靠度指標隨時間變化規律。 

以上研究中只考慮了平均蝕坑深度對截面厚度的影響,未考慮蝕坑應力集中的影響。HOSSEINI等[36]基于可靠度研究了腐蝕對鋼橋疲勞性能退化的影響,考慮了腐蝕對疲勞影響的兩個主要方面：應力集中系數(蝕坑)和應力增大系數(均勻銹蝕)。LI等[37]建立高強鋼絲退化時變概率模型,考慮了環境腐蝕和循環荷載組合作用,基于鋼絲腐蝕加速試驗建立了蝕坑深度時變概率模型,通過健康監測系統評估了斜拉索循環應力,采用蒙特卡羅法模擬高強鋼絲腐蝕疲勞過程。基于可靠度理論分析腐蝕環境中鋼橋疲勞可靠度需要對大量數據進行統計分析,確定各個參數的概率分布模型,根據可靠度時變規律,給出合適的檢測和維修加固時間。基于可靠度理論的腐蝕疲勞壽命評估方法考慮了幾何形狀、材料特性、環境因素、計算模式和荷載類型的不確定性,與實際情況符合較好。圖5為分別基于應力法和斷裂力學法并考慮了均勻腐蝕和點蝕共同影響的鋼橋腐蝕疲勞可靠度評估流程。 

圖  5  考慮環境腐蝕的鋼橋疲勞可靠度評估流程

Figure  5.  Fatigue reliability assessment process for steel bridges considering environmental corrosion

4.   結束語

國內外學者對于鋼橋腐蝕和疲勞問題進行了系統的理論和試驗研究,并初步建立了考慮腐蝕損傷的疲勞壽命預測方法和可靠度分析理論,得到以下結論。 

（1）腐蝕深度與時間存在冪指數關系,鋼橋所處的環境不同,腐蝕情況一般也不同；點蝕坑形狀和尺寸是影響鋼橋疲勞性能的主要因素。 

（2）疲勞曲線需要考慮腐蝕損傷的修正,焊接和腐蝕導致的應力集中可以分別通過疲勞缺口系數和腐蝕疲勞缺口系數來表征。 

（3）為了方便計算,基于斷裂力學的疲勞壽命預測方法通常將蝕坑等效為形狀規則的裂紋或者缺口。 

根據現有的研究成果,將來研究的重點主要包括以下兩個方面：從多尺度角度(宏觀和微觀)研究腐蝕疲勞損傷機理全過程,系統分析環境因素、材料因素和力學因素對鋼橋腐蝕疲勞的影響,重點關注高性能耐候鋼橋的腐蝕疲勞退化機理；建立鋼橋腐蝕疲勞損傷演化模型,提出考慮焊接殘余應力、環境腐蝕等多因素影響的鋼橋疲勞可靠度分析方法。

文章來源——材料與測試網