林照遠

(1.同濟大學(xué)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(shù)的發(fā)展及交通需求的增加,鋼結(jié)構(gòu)橋梁獲得了極大發(fā)展,許多大都市內(nèi)至今保有著早期鋼橋。

然而,由于管理者們對鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的危害性重視不足且橋梁防蝕技術(shù)手段落后,這些城市發(fā)展變遷的見證物均出現(xiàn)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(dǎo)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(fā)現(xiàn)該橋上積累的鳥糞加速了鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕,是該災(zāi)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(jié)構(gòu)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(guī)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(fā)展了疲勞細節(jié)分級方法[3]。這些研究已被應(yīng)用于老鋼橋的疲勞評定中[4-5]。然而,在世界范圍內(nèi)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(gòu)件應(yīng)力集中的影響[6～8],且這些研究關(guān)注的重點是鋼構(gòu)件的剩余強度[9]或是銹蝕分布形態(tài)[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(huán)境、荷載等對結(jié)構(gòu)的長期侵蝕與作用下,加之結(jié)構(gòu)的自然退化,該橋鋼構(gòu)件出現(xiàn)了不同程度的銹蝕,特別是其下弦構(gòu)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(jié)構(gòu)原有風(fēng)貌,并降低工程造價,在大修前對結(jié)構(gòu)上的銹蝕構(gòu)件進行疲勞評估,在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,盡可能地保留橋梁原始構(gòu)件。圖1示意了浙江路橋的結(jié)構(gòu)形狀,以及在之前評估中判定需要更換的構(gòu)件和本次疲勞評估中需要考慮銹蝕影響的構(gòu)件。

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

(1) 選取銹蝕構(gòu)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(gòu)件的疲勞壽命隨銹蝕程度變化的規(guī)律,確定銹蝕構(gòu)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(jié)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(gòu)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(gòu)件的縱梁腹板制作試件,如圖2所示。加工試件時,應(yīng)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(yīng)力比設(shè)為R=0.1,疲勞荷載峰值和谷值經(jīng)過多次預(yù)試驗,最終確定為14 kN和1.4 kN。

試驗前利用測深規(guī)測量試件的最大蝕坑深度,與試件的設(shè)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(jié)果列于表1中,由表中數(shù)據(jù)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(yīng)于歐洲規(guī)范Eurocode( prEn1993-1-9:2003)中的疲勞細節(jié)140,而試驗中加載時疲勞應(yīng)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(yīng)力幅140 MPa進行折算,并將最終結(jié)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(gòu)件的平均疲勞強度仍較高,其對應(yīng)于30%失厚率構(gòu)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(guī)律,根據(jù)試驗結(jié)果偏保守地人為規(guī)定一條曲線(圖3中粗實線所示),曲線下端對應(yīng)于構(gòu)件無銹蝕的情況,與歐洲規(guī)范相對應(yīng),按照疲勞細節(jié)的定義,選擇所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)2×106次,曲線上端對應(yīng)于失厚率達65%的情況。此時,對應(yīng)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(gòu)件在140 MPa應(yīng)力幅作用下的疲勞壽命公式:

ρt=-28.248 lgN+177.993

(1)

根據(jù)式(1),構(gòu)件銹蝕后在其對應(yīng)于歐洲規(guī)范疲勞細節(jié)下的壽命為:

(2)

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

(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(yīng)首先進行交通調(diào)查并對調(diào)查結(jié)果進行參數(shù)評估,確定車重、軸距、車頭間距等關(guān)鍵車輛參數(shù)的概率分布,在此基礎(chǔ)上應(yīng)用Monte-Carlo方法產(chǎn)生虛擬車流,并通過影響線加載得到待評估桿件的應(yīng)力歷程,進而應(yīng)用雨流法計數(shù)得到應(yīng)力譜,該方法并非本文研究的重點,可參見相關(guān)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(gòu)件進行細致的病害檢測,并對發(fā)現(xiàn)銹蝕的構(gòu)件進一步利用測深規(guī)及游標卡尺測量構(gòu)件的失厚率,實測發(fā)現(xiàn)浙江路橋下弦桿銹蝕主要發(fā)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(gòu)件失厚率分別為14.0%、12.6%、15.7%,而弦桿鉚釘結(jié)構(gòu)在未銹蝕時的疲勞細節(jié)為71 MPa,因此,考慮銹蝕的條件下的等效疲勞細節(jié)分別為39.7 MPa、42.1 MPa、37.0 MPa 。

圖4 桿件蝕坑照片F(xiàn)ig.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(shè)計目標是繼續(xù)按現(xiàn)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(gòu)件的應(yīng)力譜,將主要待評估桿件的應(yīng)力譜與其疲勞曲線繪于圖5中,可見現(xiàn)有評估桿件均可滿足使用要求。

4 結(jié) 論

本文以浙江路橋為例,通過對銹蝕鋼構(gòu)件失厚率和疲勞壽命研究,可得出如下結(jié)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(shù)成負相關(guān)的關(guān)系。

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

(2) 在試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出了偏保守的疲勞壽命折減計算規(guī)則以及計算銹蝕構(gòu)件等效疲勞細節(jié)的方法。

(3) 由等效疲勞細節(jié)及疲勞強度曲線,根據(jù)Miner準則可以偏保守地預(yù)測銹蝕鋼構(gòu)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(zhì)、疲勞細節(jié)、腐蝕環(huán)境對銹蝕構(gòu)件疲勞壽命的影響,因此研究結(jié)果僅應(yīng)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(xù)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

[1] Wohler A.Ueber die festigkeits-versuche mit eisen und stahl[M].Bauwesen,1870,20:73-106.(in Germans)

[2] Miner M A.Cumulative damage in fatigue[J].Journal of Applied Mechanics,1945,12(3):159-164.

[3] Fisher J W,Yen B T,Wang D.Fatigue strength of riveted bridge members[J].Journal of Structural Engineering,1990,116(11):2986-2981.

[4] 王春生,陳惟珍,陳艾榮,等.既有鋼橋工作狀態(tài)模擬與剩余壽命評估[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,24(1):43-47.

Wang Chunsheng,Chen Weizhen,Chen Airong,et al.Working state simulation and residual life assessment of existing steel bridge[J].Journal of Chang’an University (Natural Science Edition),2004,24(1):43-47.(in Chinese)

[5] 徐俊,王志平,陳惟珍.老齡桁架橋的檢測評估方法[J].橋梁建設(shè),2010 (6):21-24.

Xu Jun,Wang zhiping,Chen Weizhen.Inspection and evaluation method for old steel truss bridges[J].Bridge Construction,2010(6):21-24.(in Chinese)

[6] Sharifi Y,Paik J K.Ultimate strength reliability analysis of corroded steel-box girder bridges[J].Thin-Walled Structures,2011,49(1):157-166.

[7] Kayser J R,Nowak A S.Capacity loss due to corrosion in steel-girder bridges[J].Journal of Structural Engineering,1989,115(6):1525-1537.

[8] Kayser J R,Nowak A S.Reliability of corroded steel girder bridges[J].Structural Safety,1989,6(1):53-63.

[9] Xu J,Chen W,Yan B.Improved quality assessment procedure for old truss bridges according to measuring data[J].Stahlbau,2014,83(12):905-912.

[10] Nguyen X T,Nogami K,Yoda T,et al.Corrosion evaluation of gusset plate connection removed from steel truss bridge[C].IABSE Symposium Report.International Association for Bridge and Structural Engineering,2015,104(20):1-8.

[11] Adasooriya N D,Siriwardane S C.Remaining fatigue life estimation of corroded bridge members[J].Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures,2014,37(6):603-622.

[12] 王春生,陳惟珍,陳艾榮.老齡鋼橋工作狀態(tài)模擬與疲勞壽命[J].橋梁建設(shè),2003(5):5-8.

Wang Chunsheng,Chen Weizhen,Chen Airong.Working condition simulation and fatigue life of aged steel bridge[J].Bridge Construction,2003(5):5-8.(in Chinese)