鋼結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、剛度大、韌性好、施工方便以及優(yōu)良的焊接性能被廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)。腐蝕和疲勞開(kāi)裂是鋼橋最主要的兩種病害形式(圖1)。我國(guó)每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占當(dāng)年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的1%~5%,全世界每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)7 000億美元[1]。鋼材腐蝕不僅造成經(jīng)濟(jì)和資源的損失,而且還帶來(lái)很多的安全問(wèn)題。美國(guó)40%橋梁都是由鋼材建造的,惡劣的環(huán)境和不適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)導(dǎo)致許多橋梁腐蝕退化[2]。在日本早年統(tǒng)計(jì)的104座懸索橋斷橋事故中,有19例與暴露于環(huán)境中的鋼材銹蝕有關(guān)[3]。鋼橋中各類焊接結(jié)構(gòu)(尤其是正交異性鋼橋面板)的構(gòu)造形式復(fù)雜,運(yùn)營(yíng)后不久容易出現(xiàn)疲勞裂紋,最早的英國(guó)Seven橋,之后德國(guó)Sinntal和Haseltal兩座橋以及中國(guó)虎門(mén)大橋都在通車(chē)使用后不久出現(xiàn)了疲勞裂紋[4]。腐蝕疲勞比單獨(dú)的腐蝕或疲勞現(xiàn)象更為復(fù)雜和不利,會(huì)加速材料性能劣化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在金屬腐蝕疲勞損傷規(guī)律和腐蝕疲勞退化機(jī)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(huán)境、循環(huán)荷載、焊接殘余應(yīng)力等,這些都是目前鋼橋腐蝕疲勞研究的熱點(diǎn)。

圖 1鋼橋常見(jiàn)病害

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

1. 鋼橋腐蝕類型和規(guī)律

鋼橋表面涂裝劣化使鋼材裸露在大氣環(huán)境中繼而發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng),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(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和腐蝕疲勞。均勻腐蝕是指腐蝕均勻地發(fā)生在金屬表面,使得截面厚度均勻減小,鋼橋整體應(yīng)力增大。點(diǎn)蝕破壞集中在鋼橋局部位置,會(huì)引起應(yīng)力集中,加速疲勞裂紋形成。縫隙腐蝕主要是由于焊縫內(nèi)積水不易排出而導(dǎo)致的。腐蝕疲勞是指在循環(huán)荷載作用下,鋼橋在腐蝕介質(zhì)中的破壞。腐蝕疲勞往往具有更嚴(yán)重的后果,腐蝕和疲勞的聯(lián)合作用會(huì)顯著降低鋼橋的疲勞壽命。

影響鋼橋腐蝕主要因素有環(huán)境因素、材料因素和人為因素。其中環(huán)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(xué)組成及機(jī)械加工等,人為因素包括橋面系漏水、鋼箱梁通風(fēng)差、涂裝質(zhì)量問(wèn)題等[5]。鋼橋所處的環(huán)境不同,因此腐蝕情況一般也不同。對(duì)鋼材大氣暴露腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn),大氣腐蝕深度與時(shí)間存在冪指數(shù)關(guān)系[6]如式(1)所示。

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

2. 鋼橋腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

目前,鋼橋腐蝕疲勞壽命評(píng)估方法主要有兩種：基于疲勞曲線的應(yīng)力法和基于裂紋擴(kuò)展速率公式的斷裂力學(xué)法。

2.1 應(yīng)力法

ALBRECHT等[9]最早開(kāi)始對(duì)鋼橋腐蝕疲勞進(jìn)行系統(tǒng)研究,通過(guò)不同腐蝕情況下A588耐候鋼焊接接頭疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),腐蝕能夠顯著降低疲勞壽命。其原因主要有以下三點(diǎn)：厚度變薄導(dǎo)致名義應(yīng)力增大；蝕坑處應(yīng)力集中；疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大[10]。此后,他們還對(duì)A588耐候鋼焊接梁和蓋板梁的腐蝕疲勞行為進(jìn)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(duì)節(jié)段鋼箱梁疲勞性能的影響,發(fā)現(xiàn)疲勞強(qiáng)度在BS5400英國(guó)橋梁規(guī)范中D類曲線之上。DENG等[13]研究了截面均勻銹蝕和過(guò)載對(duì)鋼梁腐蝕疲勞損傷的影響。GKATZOGIANNIS等[14]對(duì)比分析了鋼構(gòu)件室內(nèi)腐蝕和實(shí)際腐蝕條件之間的相關(guān)性,并在不同腐蝕條件下對(duì)母材和焊縫進(jìn)行了軸向拉伸和彎曲疲勞試驗(yàn),給出相應(yīng)的疲勞曲線。

HAN等[15]在模擬海水中對(duì)G20Mn5QT鋼對(duì)接焊縫進(jìn)行疲勞試驗(yàn),并根據(jù)斷裂形貌分析腐蝕疲勞機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)應(yīng)力水平小于190 MPa時(shí),疲勞壽命急劇下降,當(dāng)應(yīng)力水平超過(guò)240 MPa時(shí),腐蝕疲勞強(qiáng)度與未腐蝕疲勞強(qiáng)度接近；高應(yīng)力水平下內(nèi)部缺陷形成疲勞裂紋,低應(yīng)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(xué)者對(duì)現(xiàn)有疲勞曲線進(jìn)行了修正,并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)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(yīng)力和環(huán)境腐蝕性提出了腐蝕疲勞應(yīng)變壽命模型,其表達(dá)式為

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

ADASOORIYA等[18-19]對(duì)鐵路橋梁腐蝕構(gòu)件的剩余疲勞壽命進(jìn)行了評(píng)估,考慮了材料損傷隨時(shí)間變化以及對(duì)應(yīng)力歷程的影響,得到腐蝕環(huán)境全壽命范圍疲勞曲線,并考慮了加載次序的損傷準(zhǔn)則。此外,他們還提出了未銹蝕結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的三線性疲勞曲線和銹蝕結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的雙線性疲勞曲線模型(圖4)。圖中,在恒定振幅的循環(huán)應(yīng)力加載下,對(duì)應(yīng)的疲勞極限和疲勞壽命(循環(huán)次數(shù))為ΔσD和Nf, CAFL；在波動(dòng)振幅的循環(huán)應(yīng)力加載下,對(duì)應(yīng)疲勞極限和疲勞壽命為ΔσL和Nf, VAFL；下標(biāo)cor表示銹蝕,LCF表示低周疲勞。

圖 4未銹蝕結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和銹蝕結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞曲線

Figure 4.Fatigue curves of uncorroded and corroded constructional details

對(duì)于未銹蝕結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),應(yīng)力幅和循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系如式(3)所示。

根據(jù)歐洲規(guī)范[20],當(dāng)Δσ≥ΔσD時(shí),m=3；當(dāng)ΔσD≥Δσ≥ΔσL時(shí),m=5。

對(duì)于銹蝕結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),其應(yīng)力幅和循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系如式(4)~(7)所示。

當(dāng)Δσcor≥ΔσD, cor時(shí)：

當(dāng)Δσcor≤ΔσD, cor時(shí)：

為了研究局部點(diǎn)蝕導(dǎo)致的應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響,SHARIF等[21]引入新的概念即疲勞缺口系數(shù)kf來(lái)研究結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的疲勞問(wèn)題。將疲勞缺口系數(shù)定義為結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)B的疲勞強(qiáng)度σr, B和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)X的疲勞強(qiáng)度σr,X的比值(表2)。同理,可定義腐蝕疲勞缺口系數(shù)kfc為

式中：σr,X和(σr,X)c分別為不腐蝕和腐蝕試件疲勞強(qiáng)度。腐蝕疲勞缺口系數(shù)主要與腐蝕深度、暴露時(shí)間、最大粗糙度和粗糙度標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)。腐蝕疲勞缺口系數(shù)需要針對(duì)特定結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)在某個(gè)環(huán)境中進(jìn)行疲勞試驗(yàn)得到,環(huán)境和材料發(fā)生變化,腐蝕疲勞缺口系數(shù)也將發(fā)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(tǒng)研究了不同蝕坑深度斜焊縫十字接頭的疲勞問(wèn)題,提出了腐蝕疲勞影響系數(shù)的概念,考慮蝕坑尺寸和應(yīng)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(shù)表達(dá)式。吳阿明[24]研究了蝕坑形狀、尺寸、數(shù)目和間距對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的影響,結(jié)果表明蝕坑形狀和尺寸是主要影響因素,而蝕坑數(shù)目和間距的影響較小。

2.2 斷裂力學(xué)法

王玉鵬[25]給出了海洋環(huán)境中鋼橋腐蝕模型,并采用斷裂力學(xué)法對(duì)不同腐蝕時(shí)間的正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。研究表明,均勻腐蝕對(duì)鋼橋面板的影響很小,應(yīng)考慮其他腐蝕類型的影響。因此,點(diǎn)蝕對(duì)疲勞性能的影響成為研究的重點(diǎn)方向。為了方便數(shù)值模擬分析,對(duì)蝕坑進(jìn)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(kuò)展[27]。

NOVAK[28]研究了四種類型鋼中腐蝕疲勞裂紋的形成過(guò)程,結(jié)果發(fā)現(xiàn),腐蝕疲勞裂紋形成沒(méi)有明顯的門(mén)檻值。劉海龍[4]采用斷裂力學(xué)對(duì)腐蝕鉚接鋼板橋疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估,并基于有限元方法計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子,分析了腐蝕對(duì)疲勞裂紋形成和擴(kuò)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(kuò)展公式,給出擴(kuò)展參數(shù)與蝕坑深度之間的關(guān)系,并通過(guò)疲勞試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),焊趾處為疲勞裂紋源,蝕坑的存在只改變了焊趾附近的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng),當(dāng)蝕坑深度小于1 mm時(shí),可以不考慮蝕坑的影響。ZHANG等[30]對(duì)免涂裝橋梁耐候鋼的腐蝕疲勞進(jìn)行評(píng)估,將腐蝕疲勞分成兩個(gè)階段：蝕坑形成過(guò)程和疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程,并比較了HPS70W和14MnNbq鋼腐蝕疲勞的差異性,同時(shí)對(duì)應(yīng)力幅、應(yīng)力比、腐蝕環(huán)境和日平均交通量等敏感性參數(shù)進(jìn)行了研究。XU等[31]建立了焊接接頭腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率的預(yù)測(cè)公式,對(duì)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了分析,并考慮了加載頻率、焊接殘余應(yīng)力和有效應(yīng)力比對(duì)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),裂紋擴(kuò)展初期腐蝕起主要作用,隨著裂紋不斷擴(kuò)展,循環(huán)荷載逐漸成為裂紋擴(kuò)展的主要影響因素。由于腐蝕的產(chǎn)生具有不確定性,而斷裂力學(xué)需要定量分析裂紋尺寸的發(fā)展過(guò)程,蝕坑形狀、尺寸、位置均會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生重要的影響,因此還需要在這方面進(jìn)行深入探討。

綜上,在鋼橋腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)過(guò)程中,應(yīng)從以下三個(gè)方面考慮腐蝕損傷對(duì)鋼橋疲勞性能的影響：截面削弱導(dǎo)致名義應(yīng)力增大；蝕坑處應(yīng)力集中；疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大。均勻腐蝕對(duì)鋼橋疲勞性能的影響較小,應(yīng)著重考慮點(diǎn)蝕對(duì)疲勞性能的影響。

疲勞曲線應(yīng)根據(jù)具體的腐蝕狀況進(jìn)行修正。蝕坑形狀和尺寸都對(duì)疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響,而蝕坑數(shù)量和間距的影響相對(duì)較小。

分別采用疲勞缺口系數(shù)和腐蝕疲勞缺口系數(shù)表征焊接和腐蝕對(duì)應(yīng)力集中的影響,通過(guò)比較它們之間的大小來(lái)判斷疲勞裂紋形成位置。當(dāng)疲勞缺口系數(shù)大于腐蝕疲勞缺口系數(shù)時(shí),疲勞裂紋可能在焊趾或者焊根處形成；當(dāng)腐蝕疲勞缺口系數(shù)大于疲勞缺口系數(shù)時(shí),疲勞裂紋則在蝕坑處形成。

為了方便計(jì)算,蝕坑一般等效為形狀規(guī)則的裂紋或缺口。

3. 鋼橋腐蝕疲勞可靠度

一些學(xué)者基于可靠度理論對(duì)腐蝕疲勞問(wèn)題進(jìn)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(jié)構(gòu)的性能變化。葉肖偉等[33]提出了橋梁結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞可靠度評(píng)估模型,并基于健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)概率疲勞壽命進(jìn)行了分析,建立截面尺寸退化函數(shù),表達(dá)式為

式中：η(t)為面積損失率；B為結(jié)構(gòu)厚度；ε和為分別名義應(yīng)變和有效應(yīng)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(yīng)力幅S可表示為

疲勞曲線退化公式為

式中：Sn為名義應(yīng)力幅；C(t)和C0分別為腐蝕時(shí)間t和腐蝕前材料參數(shù)；φ(t)為環(huán)境退化函數(shù)。研究結(jié)果表明,不能忽視鋼材銹蝕對(duì)焊接節(jié)點(diǎn)疲勞可靠度的影響。

ZHANG等[34]基于可靠度方法對(duì)退化橋梁腐蝕疲勞壽命進(jìn)行了評(píng)估,并考慮了腐蝕速率、車(chē)輛類型、車(chē)速和道路表面狀況的影響。結(jié)果表明,疲勞壽命降低超過(guò)60%,道路表面狀況的影響大于腐蝕。張振浩等[35]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)斜拉橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)腐蝕疲勞可靠度進(jìn)行研究,建立疲勞抗力時(shí)變模型和顯式功能函數(shù),得到疲勞可靠度指標(biāo)隨時(shí)間變化規(guī)律。

以上研究中只考慮了平均蝕坑深度對(duì)截面厚度的影響,未考慮蝕坑應(yīng)力集中的影響。HOSSEINI等[36]基于可靠度研究了腐蝕對(duì)鋼橋疲勞性能退化的影響,考慮了腐蝕對(duì)疲勞影響的兩個(gè)主要方面：應(yīng)力集中系數(shù)(蝕坑)和應(yīng)力增大系數(shù)(均勻銹蝕)。LI等[37]建立高強(qiáng)鋼絲退化時(shí)變概率模型,考慮了環(huán)境腐蝕和循環(huán)荷載組合作用,基于鋼絲腐蝕加速試驗(yàn)建立了蝕坑深度時(shí)變概率模型,通過(guò)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)估了斜拉索循環(huán)應(yīng)力,采用蒙特卡羅法模擬高強(qiáng)鋼絲腐蝕疲勞過(guò)程。基于可靠度理論分析腐蝕環(huán)境中鋼橋疲勞可靠度需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確定各個(gè)參數(shù)的概率分布模型,根據(jù)可靠度時(shí)變規(guī)律,給出合適的檢測(cè)和維修加固時(shí)間。基于可靠度理論的腐蝕疲勞壽命評(píng)估方法考慮了幾何形狀、材料特性、環(huán)境因素、計(jì)算模式和荷載類型的不確定性,與實(shí)際情況符合較好。圖5為分別基于應(yīng)力法和斷裂力學(xué)法并考慮了均勻腐蝕和點(diǎn)蝕共同影響的鋼橋腐蝕疲勞可靠度評(píng)估流程。

圖 5考慮環(huán)境腐蝕的鋼橋疲勞可靠度評(píng)估流程

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

4. 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鋼橋腐蝕和疲勞問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究,并初步建立了考慮腐蝕損傷的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法和可靠度分析理論,得到以下結(jié)論。

（1）腐蝕深度與時(shí)間存在冪指數(shù)關(guān)系,鋼橋所處的環(huán)境不同,腐蝕情況一般也不同；點(diǎn)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(dǎo)致的應(yīng)力集中可以分別通過(guò)疲勞缺口系數(shù)和腐蝕疲勞缺口系數(shù)來(lái)表征。

（3）為了方便計(jì)算,基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法通常將蝕坑等效為形狀規(guī)則的裂紋或者缺口。

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果,將來(lái)研究的重點(diǎn)主要包括以下兩個(gè)方面：從多尺度角度(宏觀和微觀)研究腐蝕疲勞損傷機(jī)理全過(guò)程,系統(tǒng)分析環(huán)境因素、材料因素和力學(xué)因素對(duì)鋼橋腐蝕疲勞的影響,重點(diǎn)關(guān)注高性能耐候鋼橋的腐蝕疲勞退化機(jī)理；建立鋼橋腐蝕疲勞損傷演化模型,提出考慮焊接殘余應(yīng)力、環(huán)境腐蝕等多因素影響的鋼橋疲勞可靠度分析方法。

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