腐蝕吊索鋼絲力學性能退化及分布模型研究*

喬 燕 李愛群 繆長青 孫傳智

(宿遷學院建筑工程系1) 宿遷 223800) (東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室2) 南京 210096)

腐蝕吊索鋼絲力學性能退化及分布模型研究*

喬 燕1)李愛群2)繆長青2)孫傳智1)

(宿遷學院建筑工程系1)宿遷 223800) (東南大學混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室2)南京 210096)

為了進行腐蝕吊索承載力評估，需要研究腐蝕吊索鋼絲力學性能退化及性能參數分布模型.利用39根袁州大橋拆除得到的腐蝕舊鋼絲進行靜力拉伸試驗，得到鋼絲的名義彈性模型、名義極限強度、名義屈服強度和延伸率等力學性能參數，分析了力學性能參數與失重率、最大蝕坑深度之間的關系散點圖；采用數理統計軟件分析了名義彈性模型、名義極限強度、名義屈服強度和延伸率等力學性能的概率分布模型，結果表明，在0.05的顯著性水平下，腐蝕吊索鋼絲的力學性能參數不拒絕正態分布和對數正態分布.

腐蝕吊索；鋼絲；力學性能；退化；分布模型

0 引 言

在橋梁體系家族中，索承式橋梁以其征服大跨徑的能力而著稱，包括系桿拱橋、斜拉橋和懸索橋等橋型.吊索作為關鍵構件，其受力是否安全將直接影響橋梁整體結構的安全性能.近年來，世界范圍內發生了索承式橋梁吊索斷裂的事故，其中絕大多數是由于環境作用、防護不當等原因，吊索發生不同程度的腐蝕損傷[1-5].因此，掌握吊索鋼絲力學性能退化特征對于索承式橋梁承載力評估具有重要的基礎意義.

對于吊索承載力或安全性能評估，Cremona[6]避開選擇拉索強度分布模型的難題，利用鋼絲樣本試驗數據，采用蒙特卡羅數值仿真方法模擬拉索的極限強度分布，并結合車載統計數據對懸索橋主纜的剩余強度進行評估，研究了Tancarville大橋主纜安全系數.朱勁松等[7]考慮吊索丹尼爾效應，將鋼絲延脆性模型和蒙特卡羅仿真方法相結合，建立了斜拉索承載力模型，利用斷絲率隨服務期演化的線性經驗公式，分析了斜拉索在橋梁運營條件下安全系數的變異和演化特征，對招寶山大橋吊索進行了安全評估.Elachachi等[8]在鋼絲力學性能試驗的基礎上，利用蒙特卡羅方法，考慮鋼絲均勻腐蝕的影響，建立了吊索承載力和可靠性評估模型.實際工程中，在進行索承式橋梁工程的吊索安全評估時，一般是首先進行吊索開窗，如果吊索腐蝕嚴重，再通過靜動載試驗檢測吊索索力和橋面撓度，進行吊索承載力評估，決定是否進行吊索更換[9-11].而關于腐蝕吊索鋼絲力學性能退化規律研究還基本沒有.

本文首先利用袁州大橋腐蝕舊鋼絲進行靜力拉伸試驗研究，得到鋼絲力學性能退化特征，進行鋼絲斷口分析，并研究鋼絲力學性能參數分布模型.

1 試件來源

本試驗樣本來自袁州大橋更換吊桿所得的腐蝕鋼絲，總共39根，見圖1.袁州大橋位于江西省宜春市袁州區，橫跨秀江河，主橋為中承式系桿拱橋，采用平行鋼絲吊索.全長507.4 m，主橋凈寬20 m，引橋凈寬15 m.主橋跨度85 m.1997年建成通車，2011年經江西省交通科學研究院檢測，吊桿鋼絲腐蝕嚴重，已有斷絲現象，2012年3月進行吊桿更換，2012年10月1日竣工通車.

圖1 袁州大橋腐蝕鋼絲

2 腐蝕鋼絲靜力拉伸試驗

拉伸試驗在江蘇省法爾勝材料檢測公司力學試驗室進行，試驗采用SHT4106電液伺服萬能試驗機.為獲得全程拉伸曲線，全部加載過程采用應變控制方式，加載速度為0.5 mm/min.鋼絲強度采用名義屈服強度和名義極限強度.名義屈服強度為鋼絲的實際屈服荷載與鋼絲的公稱截面面積(鋼絲未腐蝕時的截面面積)之比；名義極限強度為鋼絲的實際極限荷載與鋼絲的公稱截面面積之比.圖2為本文實測獲得的2個典型腐蝕鋼絲應力-應變關系曲線，圖3為所有鋼絲的腐蝕鋼絲應力-關系曲線.

圖2 典型腐蝕鋼絲應力-應變關系曲線

圖3 腐蝕鋼絲應力-應變關系比較

由圖3可見，總體上鋼絲強度損失遠遠小于延伸率的損失.其中名義屈服強度最大值為1 587 MPa，最小值為1 479 MPa，名義極限強度最大值為1 722 MPa，最小值為1 518 MPa，而延伸率最大值為5%，最小值僅為1.6%.強度和延伸率之間沒有必然的對應關系，如25#鋼絲的名義屈服強度為1 485 MPa，而延伸率達到4.4%，43#鋼絲的名義屈服強度為1 520 MPa，而延伸率僅為1.5%.

對未受損傷且質量達標的平行鋼絲進行靜力拉伸試驗，其中典型斷口為杯錐式斷口，如表1中新鋼絲斷口(序號為1).而對于腐蝕舊鋼絲，通過觀察其斷口，可以發現腐蝕平行鋼絲斷口主要為杯錐式斷口、銑刀式斷口和劈裂-銑刀式斷口等3種斷口形式.

表1 鋼絲斷口

由表1可見，表面沒有宏觀蝕坑的鋼絲拉伸斷裂斷口為杯錐式斷口；而有些鋼絲表面即使存在宏觀蝕坑，但是蝕坑較均勻地分布在鋼絲周圈，其斷口為銑刀式斷口；另外一些鋼絲表面只在局部位置存在宏觀蝕坑，甚至只有一個宏觀蝕坑，正是蝕坑分布的不均勻造成鋼絲斷口為劈裂-銑刀式斷口.腐蝕鋼絲拉伸斷裂多數為銑刀式斷裂和劈裂-銑刀式斷口，39根試驗試件，其中20根為銑刀式斷裂，15根為劈裂-銑刀式斷裂，只有4根為杯錐式斷裂.從表中可以看出，斷口形式為杯錐式和銑刀式的鋼絲，在斷口附近明顯地出現頸縮現象，二者屬于延性斷口；而斷口為劈裂-銑刀式的鋼絲，斷口附近沒有出現明顯的頸縮現象，屬于脆性斷口.

根據鋼絲的力學性能參數與失重率之間的關系見圖4.由圖4可見，各性能參數數據離散性大，與失重率之間沒有合適的公式進行表達.名義彈性模量的趨勢線基本呈水平狀態，與失重率之間沒有明顯關系.名義屈服強度、名義極限強度和名義延伸率與失重率有一定的相關性，從趨勢線可以看出，名義屈服強度、名義極限強度和延伸率是隨著失重率的增加而降低，其中延伸率趨勢線斜率最大，名義極限強度次之，名義屈服強度較小.

圖4 腐蝕鋼絲力學性能參數與失重率關系散點圖

鋼絲的力學性能參數與蝕坑最大深度之間的關系見圖5.由圖5可見，名義彈性模量和最大蝕坑深度之間的趨勢線不再保持水平.各性能參數均是隨著蝕坑深度的增加而降低，其中延伸率趨勢線斜率最大，名義極限強度次之，名義彈性模量較小，名義屈服強度最小.

圖5 腐蝕鋼絲力學性能參數與最大蝕坑深度關系散點圖

3 腐蝕舊鋼絲力學性能參數統計

雖然名義屈服強度、名義極限強度、延伸率和名義彈性模量等參數取值隨蝕坑深度或失重率的增加而降低，但是由于樣本試件少，無法得到鋼絲主要力學性能參數與失重率或最大蝕坑深度的關系表達式.鋼絲力學性能的變異性，以及這種變異性隨著腐蝕的發展而變化，即使鋼絲的失重率或最大蝕坑深度相等，鋼絲力學性能也相差比較大.所以本文主要對樣本試件力學性能參數進行數理統計分析，為以后研究做準備.圖6、圖8、圖10和圖12為腐蝕鋼絲各性能參數分布直方圖，圖7、圖9、圖11和圖13為各性能參數對數分布直方圖.

圖6 腐蝕鋼絲名義屈服強度分布直方圖

圖7 腐蝕鋼絲名義屈服強度對數分布直方圖

腐蝕鋼絲力學性能參數統計描述見表2.

圖8 腐蝕鋼絲名義極限強度分布直方圖

圖9 腐蝕鋼絲名義極限強度對數分布直方圖

圖10 腐蝕鋼絲延伸率分布直方圖

圖11 腐蝕鋼絲延伸率對數分布直方圖

圖12 腐蝕鋼絲名義彈性模量分布直方圖

圖13 腐蝕鋼絲名義彈性模量對數分布直方圖

力學性能參數N均值標準差極小值極大值名義屈服強度/MPa391517.824.514791587名義屈服強度對數397.32490.0167.2997.3696名義極限強度/MPa39161744.415181722名義極限強度對數397.38800.02767.32517.4512延伸率/%392.87221.11811.0005.000延伸率對數390.97690.410701.6094名義彈性模量/MPa392017788320186154223006名義彈性模量對數3912.21410.040712.134312.3150

通過對試驗數據進行統計回歸得到腐蝕鋼絲名義屈服強度、名義極限強度、名義彈性模量和延伸率的正態分布概率密度函數以及對數正態分布概率密度函數，見表3.

表3 腐蝕鋼絲力學性能正態分布概率密度函數及對數正態分布概率密度函數

利用MATLAB對名義屈服強度、名義極限強度、名義延伸率和名義彈性模量的正態分布和對數正態分布進行K-S檢驗可知，其正態分布顯著性水平分別為：0.321,0.821,0.401和0.560，對數正態分布顯著性水平分別為：0.346,0.957,0.751和0.626，均大于正常可接受的顯著性水平 0.05，說明腐蝕鋼絲的力學性能參數不拒絕正態分布和對數正態分布，且對數正態分布較顯著.

4 結 論

1) 名義屈服強度、名義極限強度、延伸率和名義彈性模量等參數取值隨蝕坑深度或失重率的增加而降低，但是由于樣本試件少，無法得到鋼絲主要力學性能參數與失重率或最大蝕坑深度的關系表達式.

2) 利用袁州大橋腐蝕舊鋼絲進行靜力拉伸試驗數據建立了腐蝕鋼絲力學性能參數的概率模型，腐蝕鋼絲的力學性能參數不拒絕正態分布和對數正態分布，得到了性能參數的正態分布和對數正態分布概率密度函數.

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Study on Distribution of Mechanical Properties Degradation and Model of Corroded Cable Wires

QIAO Yan1)LI Aiqun2)MIAO Changqing2)SUN Chuanzhi1)

(DepartmentofArchitectureEngineering,SuqianCollege,Suqian223800,China)1)(KeyLaboratoryforConcreteandPrestressedConcreteStructuresofEducationMinistry,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)2)

In order to carry out capacity evaluation of corroded cable, the mechanical properties degradation of corroded wire and the distributed parameter model must to be studied. The 39 corroded steel wires of Yuanzhou bridge were used to study the nominal elastic model of corroded steel wire,and the nominal ultimate strength and nominal yield strength and elongation and other mechanical properties parameters were studied. The relationship between the maximum depth of corrosion pit mechanics performance parameters and weight loss rate were analyzed, and the probability distribution models of mechanical properties were analyzed using the mathematical statistics analysis software.The results show that, under 0.05 of the significance levels, the mechanical properties parameters of corroded wire does not reject the normal distribution and lognormal distribution.

corroded cable; wire; mechanical properties; degradation; distribution model

2015-01-12

*國家自然科學基金項目(批準號：51078080)、江蘇省高校自然科學研究項目(批準號：10KJB58005)資助

U448.22+5

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.009

喬 燕(1976- )：女，副教授，主要研究領域為工程結構與力學