許紅勝，胡亞斯，顏東煌

(長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114)

中國20世紀修建的100余座斜拉橋中，由于斜拉索鋼絲銹蝕的原因，有超過20%的斜拉橋進行了斜拉索更換，耗資巨大。在基于腐蝕的設計方法(CBDA)中，對于斜拉索這種多鋼絲組成的富余結構，斜拉索失效是建立在鋼絲腐蝕失效的基礎上。而針對拉索鋼絲腐蝕損傷的試驗研究均表明，鋼絲的腐蝕程度與其強度和疲勞壽命的降低存在顯著的關聯(lián)性。研究結果表明：要對拉索的壽命進行有效預測，必須準確地掌握拉索鋼絲的腐蝕程度。最近的拉索鋼絲腐蝕研究指出，點蝕是影響拉索鋼絲力學性能的關鍵腐蝕模式，對拉索鋼絲腐蝕程度的判定需重點研究腐蝕蝕坑的形態(tài)及其參數(shù)特征。

在實際工程中對斜拉索腐蝕鋼絲的收集存在一定困難，目前針對鋼絲腐蝕的試驗研究主要采用室內(nèi)加速腐蝕試驗制備鋼絲樣本。顯然，合適的試驗方法對鋼絲腐蝕相關研究具有重要意義。該文以實際工程中更換的腐蝕斜拉索的腐蝕鋼絲作為基礎樣本，對比不同室內(nèi)加速腐蝕試驗制備腐蝕鋼絲樣本，進行腐蝕鋼絲表面蝕坑幾何形態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律研究，為腐蝕斜拉索的剩余壽命評估提供蝕坑數(shù)值化的基礎試驗數(shù)據(jù)，并對所采用的加速腐蝕試驗的合理性進行評價。

1 試驗材料與試驗設計

1.1 實橋腐蝕鋼絲

長沙某湘江大橋主橋為雙塔單索面塔梁固結預應力混凝土斜拉橋，跨徑為(105+210+105) m，斜拉索呈扇形分布，東、西塔每塔兩側(cè)各15組斜拉索。該橋1990年12月竣工投入運營，2005年進行的橋梁檢測發(fā)現(xiàn)斜拉索鋼絲出現(xiàn)較嚴重腐蝕；2010年再次檢測時，發(fā)現(xiàn)斜拉索腐蝕程度顯著發(fā)展；2012年9月完成全橋斜拉索更換施工。從更換的斜拉索中選取銹蝕嚴重的東塔東14號索、銹蝕較嚴重的東塔西下游9號索和銹蝕較輕微的東塔東7號索，切取出其中腐蝕相對嚴重的鋼絲絲段(400 mm長)作為實橋腐蝕鋼絲樣本(60個)進行分析。

1.2 腐蝕試驗設計

目前針對拉索鋼絲進行的加速腐蝕試驗常采用周浸法、鹽霧法、局部腐蝕法(鋼絲表面局部棉紗浸潤法)，該文采用周浸法和局部腐蝕法進行鋼絲加速腐蝕試驗。試驗設計情況見表1。

1.3 鋼絲腐蝕分級

為了有效評估鋼絲腐蝕的程度，需要對其腐蝕嚴重性進行評價分級。文獻[14]根據(jù)JTG/T H21-2011《公路橋梁技術狀況評定標準》規(guī)定結合試驗鋼絲表面銹蝕情況將拉索鋼絲銹蝕劃分成5個不同程度的等級，文獻[15]根據(jù)鋼絲表面銹蝕情況將腐蝕等級分為6級，文獻[16]在此基礎上增加完好和基本完好的級別，將鋼絲腐蝕情況劃分為8級，文獻[17]以文獻[15]的腐蝕分級為基礎，增加了具體的蝕坑參數(shù)作為腐蝕分級評價指標，提高了評估的操作性。該文依據(jù)文獻[17]的鋼絲腐蝕分級方法，按6個腐蝕等級進行腐蝕鋼絲樣本分類，表2為試驗樣本數(shù)量表。

表1 鋼絲加速腐蝕試驗設計情況

表2 腐蝕分級鋼絲樣本數(shù)量

注：局部腐蝕樣本為每一腐蝕級別3根張拉試樣，每試樣上4處局部腐蝕試驗段。

2 典型蝕坑形貌與分布規(guī)律

2.1 典型蝕坑形貌

從中國國內(nèi)部分實橋腐蝕拉索鋼絲的試驗檢測情況發(fā)現(xiàn)，拉索腐蝕具有明顯的局部特性，即往往出現(xiàn)局部區(qū)段腐蝕較嚴重的情況。在這些腐蝕嚴重的局部區(qū)段中，往往出現(xiàn)大量的腐蝕蝕坑，根據(jù)多蝕坑對應力集中影響性的研究成果，當兩個較深蝕坑間距離大于5倍蝕坑半徑時，蝕坑之間的相互影響可忽略不計。

蝕坑取樣中以最深蝕坑為近似中心，長度105 mm的鋼絲嚴重腐蝕區(qū)段作為蝕坑幾何形態(tài)參數(shù)統(tǒng)計的調(diào)查區(qū)域，通過對嚴重腐蝕區(qū)段進行染色，確定典型蝕坑的位置并進行標記；將鋼絲表面的染色劑洗去，利用MDA2000工業(yè)顯微鏡對鋼絲表面的蝕坑進行拍照，然后利用與顯微鏡配套的Gaosuo測量軟件對標識區(qū)的蝕坑進行測量(多次測量取平均值)，量取鋼絲表面蝕坑的長度L、寬度W；鋼絲表面典型蝕坑深度采用深度測量儀測量，從蝕坑長度和寬度方向分別對蝕坑深度進行測量3次，取平均值作為腐蝕蝕坑的深度h。

為便于現(xiàn)場檢測參考，蝕坑幾何形態(tài)宏觀上可抽象為淺球形、深橢球形、淺橢球形、長槽形4種，表3為各典型蝕坑幾何形態(tài)照片和參數(shù)特征。

表3 典型蝕坑照片和幾何形態(tài)特征

2.2 蝕坑分布密度及規(guī)律

隨著腐蝕程度的加深，蝕坑的典型形態(tài)和分布密度也會相應隨之變化，因此調(diào)查典型蝕坑的分布情況對于腐蝕程度的判斷具有良好的指示性。

進入統(tǒng)計范圍的蝕坑其深度h不小于0.03 mm，對試驗樣本的典型蝕坑各級別的分布密度進行統(tǒng)計，繪制各典型蝕坑密度隨腐蝕級別的變化情況(圖1)。從圖1可看出:3種試驗類型的鋼絲腐蝕蝕坑密度走勢大體相同，實橋腐蝕蝕坑分布密度大致處于局部腐蝕蝕坑密度和周浸法腐蝕蝕坑密度之間，局部腐蝕的各類型蝕坑的分布密度曲線更接近實橋；蝕坑形態(tài)在腐蝕初期均以淺球形為主伴有少量的深橢球形，未見有淺橢球形和長槽形蝕坑；隨著腐蝕級別的加深，淺球形蝕坑逐漸減少，在6級銹蝕時基本趨于0；深橢球蝕坑和淺橢球形蝕坑呈先增后減的趨勢，深橢球形蝕坑均在3級銹蝕時分布密度達到最大，淺橢球形蝕坑在4級銹蝕時分布密度達到最大；長槽形蝕坑從3級銹蝕開始分布密度呈逐漸增大的趨勢。

圖1 典型蝕坑分布密度變化圖

通過對各類型蝕坑在各腐蝕級別出現(xiàn)的概率進行分析，繪制各類型蝕坑在不同試驗條件下隨腐蝕級別變化的概率擬合分布曲線(圖2)。由于篇幅有限，圖2僅給出了深橢球形蝕坑在3類試驗時出現(xiàn)的概率隨腐蝕分級變化的分布圖；同類型蝕坑在不同試驗中擬合的曲線類型是完全一致的，且擬合度較高，淺球形蝕坑與腐蝕級別相關的概率分布曲線呈負指數(shù)函數(shù)；深橢球形蝕坑和淺橢球形蝕坑與腐蝕級別相關的概率分布曲線呈高斯函數(shù)；長槽形蝕坑與腐蝕級別相關的概率分布曲線呈指數(shù)函數(shù)。

圖2 3類試驗下深橢球形蝕坑出現(xiàn)的概率圖

對上述同類型蝕坑擬合的概率分布曲線在不同試驗下進行對比(圖3)，由圖3可以看出：考慮張拉應力的局部腐蝕的擬合曲線與實際工程鋼絲的腐蝕擬合曲線更接近。

3 蝕坑形態(tài)參數(shù)的分布特征

隨機選取不同類型試驗的鋼絲試樣，對鋼絲表面蝕坑的三維尺寸進行測量并統(tǒng)計。統(tǒng)計的實橋腐蝕、周浸腐蝕以及局部腐蝕試樣蝕坑分別為425、294、260個。通過分析鋼絲表面蝕坑三維尺寸的數(shù)據(jù)，作出不同試驗的蝕坑三維尺寸分布直方圖及對數(shù)正態(tài)分布曲線(表4)。從表4可得：曲線擬合效果較好，對數(shù)據(jù)進行k-s假設檢驗(表5)，表5表明：3類試驗蝕坑的參數(shù)在顯著性水平α0.05下均服從對數(shù)正態(tài)分布。

蝕坑的長度、寬度以及深寬比服從對數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：

(1)

式中：x為蝕坑變量；μ為變量的對數(shù)均值；σ為變量的對數(shù)標準差。

對不同試驗統(tǒng)計的蝕坑長度、寬度以及深寬比的概率分布函數(shù)的曲線進行對比如圖4所示，由圖4可得：考慮張拉應力的局部腐蝕加速腐蝕鋼絲試樣的形態(tài)參數(shù)的概率分布函數(shù)與實際工程腐蝕鋼絲試樣的形態(tài)參數(shù)的概率分布函數(shù)擬合度良好。

圖3 各類型蝕坑擬合曲線對比圖

表4 不同試驗典型蝕坑形態(tài)參數(shù)分布直方圖

表5 不同試驗典型蝕坑參數(shù)估計與k-s檢驗

圖4 各類型試驗下蝕坑形態(tài)參數(shù)的概率分布函數(shù)

4 結論

(1) 腐蝕鋼絲的蝕坑幾何形狀為淺球形、深橢球形、淺橢球形及長槽形，在腐蝕初期，試驗樣本蝕坑以淺球形及深橢球形為主，隨著腐蝕級別的加深，蝕坑主要以淺橢球形和長槽形蝕坑為主。淺球形蝕坑的概率分布服從負指數(shù)；深橢球形和淺橢球形蝕坑的概率分布呈高斯分布；長槽形蝕坑的概率分布呈現(xiàn)指數(shù)分布。

(2) 對3種類型試驗的形態(tài)參數(shù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)蝕坑在長度、寬度以及深寬比上服從對數(shù)正態(tài)分布，深度上不服從傳統(tǒng)的隨機分布模式。

(3) 在該文統(tǒng)計的蝕坑類型以及蝕坑形態(tài)參數(shù)的基礎上，考慮張拉應力的局部腐蝕加速腐蝕鋼絲試樣的蝕坑統(tǒng)計規(guī)律與實際工程腐蝕鋼絲試樣蝕坑統(tǒng)計規(guī)律具有良好的擬合度。