基于試驗的銹蝕橋梁鋼構件疲勞評估方法

林照遠

(1.同濟大學橋梁工程系,上海 200092; 2.上海船舶工藝研究所,上海 200032)

0 引 言

自19世紀初,歐洲建成鏈桿懸索橋以來,由于冶煉技術的發展及交通需求的增加,鋼結構橋梁獲得了極大發展,許多大都市內至今保有著早期鋼橋。

然而,由于管理者們對鋼結構銹蝕的危害性重視不足且橋梁防蝕技術手段落后,這些城市發展變遷的見證物均出現了不同程度的銹蝕問題。2007年美國明尼蘇達州I-35w橋倒塌導致了13人死亡,40余輛車墜落密西西比河的慘劇,事后人們才發現該橋上積累的鳥糞加速了鋼結構的腐蝕,是該災難的幫兇。

對那些長期甚至是超期服役的鋼橋來說,疲勞和銹蝕是其結構安全的主要影響因素。疲勞病害的最初研究是由德國工程師W.A.J.Albert于1829年前后完成的,隨著研究的深入,人們逐步認識到了疲勞破壞的規律。Wohler.A提出了利用S-N曲線描述疲勞行為的方法[1];Miner.M.A提出了著名的疲勞線性累積損傷理論[2],Fisher.J.W則發展了疲勞細節分級方法[3]。這些研究已被應用于老鋼橋的疲勞評定中[4-5]。然而,在世界范圍內涉及鋼橋銹蝕病害的研究都很少,已有研究通常忽略銹蝕對鋼構件應力集中的影響[6～8],且這些研究關注的重點是鋼構件的剩余強度[9]或是銹蝕分布形態[10],可資借鑒的文獻[11]尚無法滿足銹蝕鋼橋疲勞評估的要求。

1 依托工程背景

上海市浙江路橋座落于蘇州河上,迄今已有過百年的歷史。它是世界上僅存的幾座簡支魚腹式鉚接鋼桁梁橋之一,由于外形獨特,年代久遠,被列為文物保護對象。在環境、荷載等對結構的長期侵蝕與作用下,加之結構的自然退化,該橋鋼構件出現了不同程度的銹蝕,特別是其下弦構件銹蝕程度較高。為此管理部門及時啟動了橋梁大修工程,為了盡可能的維持結構原有風貌,并降低工程造價,在大修前對結構上的銹蝕構件進行疲勞評估,在保證結構安全的前提下,盡可能地保留橋梁原始構件。圖1示意了浙江路橋的結構形狀,以及在之前評估中判定需要更換的構件和本次疲勞評估中需要考慮銹蝕影響的構件。

由圖1可知,在本次浙江路橋評估開始前,已有許多構件在之前的評估中明確需要拆除,因此考慮對已拆除構件進行疲勞試驗的方式推測待評估構件的疲勞抗力。具體步驟如下:

(1) 選取銹蝕構件并加工成試驗樣件。

(2) 確定疲勞荷載,記錄試件疲勞壽命。

(3) 研究銹蝕構件的疲勞壽命隨銹蝕程度變化的規律,確定銹蝕構件的疲勞壽命評估方法。

(4) 實施疲勞壽命評估。

圖1 浙江路橋及節點編號 Fig.1 Zhejiang Rd.Bridge and its node number

2 試驗研究

2.1 試件選取

浙江路橋已使用超過百年,待評估構件已累積一定程度的疲勞損傷,選取試件時必須考慮這一影響因素。通過對之前的評估報告分析,浙江路橋的吊桿疲勞壽命最短,縱梁與橫梁的疲勞壽命次之,而主桁弦桿及腹桿的疲勞壽命最高,因此在試驗中選擇疲勞損傷略大于帶評定構件的縱梁腹板制作試件,如圖2所示。加工試件時,應使銹蝕最嚴重截面落于試驗中段,且使試件受力方向平行軋制方向。

2.2 疲勞試驗

采用Zwick5100疲勞機按正弦曲線進行疲勞加載,試驗應力比設為R=0.1,疲勞荷載峰值和谷值經過多次預試驗,最終確定為14 kN和1.4 kN。

試驗前利用測深規測量試件的最大蝕坑深度,與試件的設計板厚之比,記為失厚率ρt。試驗后記錄試件的疲勞壽命,試驗結果列于表1中,由表中數據可見,在同等加載條件下,試件的疲勞壽命隨著銹蝕程度增加而降低。

2.3 疲勞評估模型

本次疲勞試驗所用試件對應于歐洲規范Eurocode( prEn1993-1-9:2003)中的疲勞細節140,而試驗中加載時疲勞應力幅為105 MPa,為便于分析,采用等疲勞損傷的原則將表1中的疲勞壽命按應力幅140 MPa進行折算,并將最終結果繪于圖3中。由圖可見,浙江路橋鋼材的疲勞強度較高,在已累積百余年疲勞損傷且存在銹蝕的前提下,構件的平均疲勞強度仍較高,其對應于30%失厚率構件的疲勞強度達到2×106次。

圖2 浙江路橋銹蝕鋼縱梁及取樣位置示意Fig.2 Corroded steel girder of Zhejiang Rd.Bridge and sampling position

表1 銹蝕試件的失厚率Table 1 Thickness loss rate of corroded specimen

圖3 銹蝕試件的疲勞壽命及其擬合曲線Fig.3 Load cycles-ρt plots and fitting curve

為描述疲勞抗力隨銹蝕程度變化的規律,根據試驗結果偏保守地人為規定一條曲線(圖3中粗實線所示),曲線下端對應于構件無銹蝕的情況,與歐洲規范相對應,按照疲勞細節的定義,選擇所對應的循環次數2×106次,曲線上端對應于失厚率達65%的情況。此時,對應于140 MPa的疲勞壽命為104次。失厚率更高的情況在工程上已失去意義,為此不予考慮。

由以上分析,可得到構件在140 MPa應力幅作用下的疲勞壽命公式:

ρt=-28.248 lgN+177.993

(1)

根據式(1),構件銹蝕后在其對應于歐洲規范疲勞細節下的壽命為:

(2)

如果假設對所有疲勞細節,式(2)均成立,則結合式(2)和歐洲規范的疲勞曲線公式,可算得等效疲勞細節:

(3)

3 疲勞壽命評估

3.1 交通荷載模擬

為評估浙江路橋的壽命,應首先進行交通調查并對調查結果進行參數評估,確定車重、軸距、車頭間距等關鍵車輛參數的概率分布,在此基礎上應用Monte-Carlo方法產生虛擬車流,并通過影響線加載得到待評估桿件的應力歷程,進而應用雨流法計數得到應力譜,該方法并非本文研究的重點,可參見相關文獻的介紹[12]。

3.2 病害檢測

利用浙江路橋大修機會對各構件進行細致的病害檢測,并對發現銹蝕的構件進一步利用測深規及游標卡尺測量構件的失厚率,實測發現浙江路橋下弦桿銹蝕主要發生在綴條與桿件翼緣角鋼接觸面上,在這些部位存在大面積蝕坑,最大銹蝕深度大約可達2 mm,偏保守地都取2 mm,如圖4所示。由此可算得U6L6、 U0M1、 U5L6構件失厚率分別為14.0%、12.6%、15.7%,而弦桿鉚釘結構在未銹蝕時的疲勞細節為71 MPa,因此,考慮銹蝕的條件下的等效疲勞細節分別為39.7 MPa、42.1 MPa、37.0 MPa 。

圖4 桿件蝕坑照片Fig.4 Photo of steel member corrosion pit

3.3 評估分析

本次浙江路橋大修工程的設計目標是繼續按現有交通狀況正常運營50年,因此模擬50年交通荷載作用下構件的應力譜,將主要待評估桿件的應力譜與其疲勞曲線繪于圖5中,可見現有評估桿件均可滿足使用要求。

4 結 論

本文以浙江路橋為例,通過對銹蝕鋼構件失厚率和疲勞壽命研究,可得出如下結論:

(1) 銹蝕失厚率ρt越大,則疲勞壽命N越低,且前者與后者的對數成負相關的關系。

圖5 吊桿應力譜及疲勞評估Fig.5 Stress spectrum and fatigue evaluation of hanger

(2) 在試驗數據基礎上提出了偏保守的疲勞壽命折減計算規則以及計算銹蝕構件等效疲勞細節的方法。

(3) 由等效疲勞細節及疲勞強度曲線,根據Miner準則可以偏保守地預測銹蝕鋼構件的疲勞壽命。

受依托工程工期、試件來源以及研究資金的限制,本項研究未能比較板厚、材質、疲勞細節、腐蝕環境對銹蝕構件疲勞壽命的影響,因此研究結果僅應用于浙江路橋大修工程。為進一步驗證本疲勞評估方法的可行性,有必要再后續研究工作中進一步擴大試驗范圍,提高本方法的適用范圍。

參考文獻

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