服役橋梁鋼索損傷機(jī)理分析

楊華龍

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 四川 成都 610065)

引言

鋼索體系橋梁是現(xiàn)在大跨度橋梁建設(shè)的首選，如懸索橋、斜拉橋、中下承式拱橋，并且數(shù)量日益增多。但是，由斷索垮橋造成事故的案例時(shí)有發(fā)生，鋼索腐蝕案例和換索工程也頻繁出現(xiàn)。因此，本文通過對鋼索損傷機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對服役20年的鋼索內(nèi)鋼絲進(jìn)行了鋼絲銹蝕和力學(xué)性能的研究。

一、鋼索的損傷

鋼索防護(hù)套是成品鋼索防腐的關(guān)鍵，是防護(hù)索體內(nèi)部鋼絲的第一道防線。目前，我國鋼索防護(hù)套主要采用的是高密度聚乙烯(HPDE)熱擠護(hù)套，設(shè)計(jì)使用壽命不少于20年。鋼索護(hù)套的損傷主要受防護(hù)材料和環(huán)境的影響，在外觀上首先表現(xiàn)為PE護(hù)套開裂，其損傷的形式主要有劃痕、刮痕、龜裂、裂縫等。

鋼索內(nèi)鋼絲的銹蝕實(shí)質(zhì)是一個(gè)微電池原理的電化學(xué)腐蝕，鋼絲電化學(xué)腐蝕按其被破壞的形式可以分為：全面腐蝕和局部腐蝕。局部腐蝕是相對全面腐蝕而言的，主要發(fā)生在局部部位，雖然局部腐蝕造成的金屬損失量不大，但是嚴(yán)重的局部腐蝕會導(dǎo)致鋼索斷絲，甚至是鋼索的斷裂，這種破壞屬于脆性斷裂，很難預(yù)測。大量調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，由于在外界環(huán)境和荷載等作用下，鋼索中鋼絲的局部腐蝕主要是點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞[1]。

錨具病害主要有銹蝕、變形和開裂。錨具的變形和開裂在實(shí)橋調(diào)查中出現(xiàn)的概率非常小，最常見的病害是錨具銹蝕。雖然錨具銹蝕對鋼索承載力不起控制作用，但是錨具的嚴(yán)重銹蝕也會影響鋼索的正常使用，國內(nèi)已發(fā)生過多起因錨頭及錨頭內(nèi)裸露鋼絲銹蝕而脫錨的事故。

二、服役鋼索內(nèi)銹蝕鋼絲試驗(yàn)

(一)服役鋼絲的銹蝕

試驗(yàn)采用國內(nèi)某服役了20年的斜拉橋拆換下來的鋼索內(nèi)鋼絲為樣本，選取鋼索內(nèi)25根鋼絲并將鋼絲分層編號，見圖1。根據(jù)圖2鋼絲的表觀可以看到1-6號內(nèi)層鋼絲表面的鍍鋅層開始被破壞，出現(xiàn)了一定程度的均勻腐蝕，但鋼絲基質(zhì)沒有損傷；7-12號中間層鋼絲發(fā)生了明顯的均勻腐蝕，鋼絲基質(zhì)遭到破壞；13-25號外層鋼絲銹蝕程度加深，主要由均勻腐蝕產(chǎn)生了局部腐蝕，有蝕坑出現(xiàn)。

圖1 鋼索內(nèi)鋼絲編號 圖2 鋼索內(nèi)編號鋼絲的銹蝕情況

(a)服役后的鋼絲(25根) (b)新鋼絲(6根)

(二)服役鋼絲的拉伸試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，7mm直徑的高強(qiáng)鍍鋅鋼絲抗拉強(qiáng)度為1770MPa，屈服強(qiáng)度為1580MPa，伸長率≥4%，彈性模量為(2±0.1)105MPa[2]。分別對25根鋼索內(nèi)腐蝕鋼絲和6根新鋼絲進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，得到其應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖3。從圖中可以看出鋼絲的應(yīng)力—應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服階段，而服役后鋼絲的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與新鋼絲相比均有不同程度的下降；試驗(yàn)得到鋼絲的斷后伸長率均≥4%，彈性模量幾乎沒有變化。

三、試驗(yàn)分析

(一)鋼絲的銹蝕規(guī)律

根據(jù)文獻(xiàn)[3]對鋼絲的銹蝕進(jìn)行詳細(xì)的分級標(biāo)準(zhǔn)可得到鋼索內(nèi)鋼絲銹蝕程度，見表1。鋼索鋼絲在徑向上的銹蝕程度由內(nèi)向外逐漸增大。

表1 鋼絲銹蝕程度分級標(biāo)準(zhǔn)

(二)鋼絲的力學(xué)性能

由表2可以得到，試驗(yàn)使用的25根服役鋼絲的伸長率均大于4%，滿足規(guī)范要求；其中只有5根鋼絲的剩余強(qiáng)度值大于1770MPa，滿足規(guī)范要求。根據(jù)規(guī)范《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》要求運(yùn)營狀態(tài)下斜拉索的安全系數(shù)不小于2.5，如用此安全系數(shù)按照規(guī)范要求的鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度計(jì)算可得到鋼絲的規(guī)范要求設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度應(yīng)為708MPa，而試驗(yàn)使用的服役了20年的鋼索內(nèi)鋼絲的最小剩余抗拉強(qiáng)度為1665MPa是遠(yuǎn)大于708MPa的，因此根據(jù)以上分析可以初步判斷試驗(yàn)用的鋼絲仍然具備一定的剩余強(qiáng)度。

表3 鋼絲抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率

四、結(jié)論

鋼索的損傷機(jī)理主要?dú)w納為護(hù)套損傷開裂、鋼絲腐蝕和錨頭滲水銹蝕，鋼索護(hù)套損傷開裂后導(dǎo)致索體內(nèi)鋼絲銹蝕。在外界環(huán)境和長期荷載作用下，鋼索內(nèi)鋼絲的腐蝕主要為點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等。鋼索內(nèi)鋼絲銹蝕程度為表層鋼絲銹蝕最嚴(yán)重，越往鋼索內(nèi)部鋼絲的銹蝕程度逐漸減輕。由于鋼索設(shè)計(jì)時(shí)考慮了較大的安全系數(shù)，試驗(yàn)使用的服役橋梁鋼索仍然具備一定的承載能力。