朱國超， 鄧年春，2， 徐 杰， 謝清清

(1.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西防災減災與工程安全重點實驗，廣西 南寧 530004)

在現代拱橋結構中，腐蝕是造成危害拱橋吊索安全的影響因素之一，腐蝕鋼絞線表面狀態(tài)往往隨著腐蝕程度的增加而變得更加復雜。國內外不少學者已開展了腐蝕預應力鋼絞線的軸向靜力拉伸試驗，研究了腐蝕鋼絞線的極限強度、極限應變等力學性能的影響規(guī)律。曾嚴紅等[1]先對鋼絞線進行電化學加速腐蝕，對預腐蝕鋼絞線試件進行靜力拉伸，研究得到隨著銹蝕程度的增大，鋼絞線極限強度迅速減小。余芳等[2]對通電加速腐蝕獲得的27根預應力鋼絞線試件進行了軸向拉伸疲勞試驗，研究了腐蝕后預應力鋼絞線的疲勞性能，建立了腐蝕后鋼絞線疲勞壽命與腐蝕率之間的關系，同時根據試驗結果建立了腐蝕后鋼絞線的疲勞壽命方程。通過拱橋吊索斷裂事故調查發(fā)現[3-4]，大多數破斷的短吊索都存在一定的偏轉現象。江建文等[5]通過鋼絞線偏轉角試驗研究得到偏轉角度與鋼絞線彈性模量、屈服強度、極限強度、極限延伸率呈線性下降關系。

以上學者分別對腐蝕鋼絞線單軸拉伸的力學性能和不同偏轉角下鋼絞線的力學性能進行了研究，但對于2個參數同時存在的不同偏轉角下腐蝕鋼絞線的力學性能影響還有待研究。本文采用銅鹽醋酸鹽霧試驗法得到32根腐蝕鋼絞線，通過偏轉角拉伸試驗，得到不同偏轉角對不同腐蝕程度鋼絞線力學性能的影響，并利用有限元軟件對不同偏轉角下鋼絞線蝕坑應力集中現象進行分析，為拱橋吊索設計提供有效參考。

1 腐蝕試驗

試件采用直徑為15.2 mm的1860級7絲鍍鋅高強鋼絲鋼絞線，考慮到西南部環(huán)境中有一定量的銅離子存在，腐蝕試液采用銅鹽醋酸鹽霧[6]，分為靜態(tài)腐蝕和應力腐蝕2種。靜態(tài)腐蝕是指鋼絞線在無應力狀態(tài)下進行加速腐蝕，應力腐蝕是將鋼絞線放入小型反力架，用千斤頂對鋼絞線張拉至0.45σb，編好號后與反力架一起放入鹽霧腐蝕箱，如圖1和圖2所示。

圖2 應力腐蝕

根據文獻[7]、文獻[8]可知，當鋼絞線在溫度T=40 ℃、相對濕度RH=90%的標準潮濕空氣環(huán)境下，1 h的腐蝕時間等于自然環(huán)境環(huán)境下約7.8 h的服役時間，由此可推算自然環(huán)境下服役1 a的鋼絞線吊索等同于試驗環(huán)境下的262.3 h。對靜態(tài)腐蝕分為3組試驗，腐蝕時間分別為360、720、1 080 h，約等同于自然環(huán)境下的1.4、2.8、3.2 a。應力腐蝕進行1組試驗，腐蝕時間為720 h，等同于自然環(huán)境下的2.8 a。得到腐蝕后的鋼絞線試件后對比腐蝕程度。

根據《GB/T 2423.17》國家標準關于銅鹽加速醋酸試驗的規(guī)定，調整好鹽霧腐蝕箱參數，鹽霧腐蝕室溫度控制在(40±1)℃，飽和空氣筒溫度控制在(65±1)℃，壓力設置為(1.0±0.1)kg/cm2，并且采用計時功能嚴格控制腐蝕時間。

2 腐蝕鋼絞線試驗結果分析

2.1 腐蝕形態(tài)對比分析

從圖3可以看到不同周期時間下的腐蝕鋼絞線形態(tài)差別很大。腐蝕時間為360 h時，鋼絞線表面出現一層白色的覆蓋物，這是由于鋼絞線表面的鍍鋅層與腐蝕氣體發(fā)生化學反應，生成一層致密的氧化物。同時產生的NaCl固化物黏附在上面，局部出現紅褐色腐蝕物；腐蝕時間為720 h時，普通腐蝕鋼絞線表面的白氧化物幾乎完全脫落，露出鋼絞線本體，并且在鋼絲接觸的縫隙中產生紅褐色腐蝕物；應力腐蝕鋼絞線表面存留一定量的白色氧化物，局部出現大量紅褐色腐蝕物，覆蓋鋼絞線本體；腐蝕時間為1 080 h時，鋼絞線表面出現大量的紅褐色和黑色腐蝕物，說明腐蝕程度進一步增加。

圖3 腐蝕鋼絞線試件

清洗過后的鋼絞線如圖4所示。腐蝕時間為360 h時，鋼絞線的鍍鋅保護層幾乎完全腐蝕掉了，局部出現面積較小、肉眼幾乎無法觀察的蝕坑，可以認為這個階段僅侵蝕掉鍍鋅保護層；腐蝕時間為720 h時，普通腐蝕鋼絞線出現大量深淺不一的蝕坑，并且隨機分布，應力腐蝕鋼絞線表面出現的蝕坑更為密集一些；腐蝕時間為1 080 h時，鋼絞線表面幾乎布滿深淺不一的蝕坑，許多相鄰腐蝕坑連接在一起造成質量缺失。

圖4 清洗后的鋼絞線試件

2.2 腐蝕程度對比分析

對于鋼絞線這種材料形態(tài)較為特殊，不便于直接測量或者計算其面積實際缺損，因此采用失重法[9]來衡量腐蝕速度是較為直觀的。其計算公式為

(1)

式中，m前為鋼絞線腐蝕前的質量；m后為鋼絞線腐蝕后的質量。

由于鋼絞線試件較多，對鋼絞線進行統(tǒng)計后僅取不同腐蝕時間鋼絞線對應的平均腐蝕程度，如表1所示。普通腐蝕下的鋼絞線腐蝕程度隨著時間的增加而增大，并且其腐蝕速率也隨之增大。在0～360 h期間，主要對鋼絞線鍍鋅層腐蝕破壞，減小的質量鍍鋅層占比大。在相同時間下，加載0.45σb的應力腐蝕情況下的腐蝕程度遠遠大于普通腐蝕，約為1.62倍。

表1 腐蝕程度對比

3 腐蝕鋼絞線偏轉角試驗

3.1 試驗概況

吊桿的軸偏轉角主要是通過兩端錨固區(qū)產生相對位移而引起的。這種轉角與軸向荷載形成角度差，導致鋼絞線其中一側產生應力集中現象。為了更貼合實際工況，設計能夠實現4個彎曲角度(0、10、20、30 mrad)的錨板如圖5所示，實線圓為錨板1穿孔位置，虛線圓為錨板2對應偏轉角穿孔位置。先將墊板安裝在反力架左右，將鋼絞線依次從錨孔中穿過，由此實現軸偏轉角。圖6為試驗示意圖，鋼絞線左側采用擠壓錨固，右側依次套上夾片錨具、壓力傳感器和千斤頂。

圖5 錨板示意圖(單位:mm)

圖6 試驗示意圖

拉力加載方式按照《預應力混凝土用鋼材試驗方法》(GB/T 21839—2008)的有關規(guī)范進行。本試驗先按照每級10 kN分級加載方式，當荷載達到90 kN后，按照每級5 kN分級加載，直到鋼絞線第1根鋼絲斷裂，取該值為極限破斷值。隨后繼續(xù)加力，直至鋼絞線完全斷裂。為減少試驗所造成的誤差，每級加載結束后持荷10 min，待儀表數值穩(wěn)定后，再進行數據采集。

3.2 試驗結果分析

清洗完鋼絞線后，在不同軸偏轉角度情況下(0、10、20、30 mrad)，對鋼絞線進行靜態(tài)拉伸試驗，研究不同腐蝕程度鍍鋅鋼絞線在不同軸偏轉角度情況下的力學性能。破壞形式以2張典型破壞形狀為例，如圖7所示?？梢钥吹戒摻g線斷裂位置接近錨固端，但其原實際斷裂位置就在錨固端處，這種現象是由于鋼絞線斷裂滑移引起鋼絞線回縮，拉力的突變使鋼絞線往另一端移動。鋼絞線在張拉過程中，會產生解螺旋的現象，由此當鋼絞線破斷時整體會呈現“爆炸”狀，鋼絲以中絲向四周散開，各鋼絲由于受力不均勻，斷口不整齊。

圖7 腐蝕鋼絞線破壞形態(tài)

圖8 腐蝕鋼絞線破斷力值擬合曲線圖

表2是腐蝕鋼絞線破斷力值，圖8為破斷力值的擬合曲線圖。取的是每組2根鋼絞線的平均破斷力值?？梢钥吹礁g鋼絞線極限破斷力隨著軸偏轉角增大而減小，減小幅值也增大，且腐蝕時間越大其破斷力值越?。辉谙嗤g時間內，應力腐蝕的鋼絞線力學性能小于普通腐蝕鋼絞線。隨著軸偏轉角度的增大，鋼絞線不僅承受越來越大的軸向拉應力，并且承受著逐漸增大的附加彎曲應力，引起鋼絞線錨固端應力集中，導致鋼絞線的極限強度下降；隨著腐蝕程度的增大，鋼絞線表面隨機出現蝕坑，鋼絞線某些截面面積發(fā)生突變。在兩端拉力的作用下，蝕坑會產生應力集中，并且偏轉角對不同位置的蝕坑應力具有一定的貢獻度，這也進一步降低了其力學性能。

表2 腐蝕鋼絞線破斷力值 kN

4 鋼絞線蝕坑應力分析

通過對鋼絞線腐蝕蝕坑相關文獻的研究[10-11]，蝕坑的形狀多種多樣，選取理想狀態(tài)下的半球形蝕坑建立有限元模型。隨機選取鋼絞線任意一根外絲，在遠軸側距離“加載段”1 cm、1/4索體及索體中部建立0.6 mm深度的半球狀蝕坑，對這3個位置分別以A、B、C進行編號,如圖9所示。鋼絞線模型一端固定連接，一端施加位移和拉力。施加拉力0.45σb=117 kN。設置4個不同軸偏轉角(0、10、20、30 mrad)，分析得到偏轉角對不同位置蝕坑應力的影響規(guī)律。

圖9 鋼絞線蝕坑模型

蝕坑周圍采用加密網格劃分方法[12]，見圖10，為了準確模擬蝕坑應力變化，蝕坑有限單元的邊長取值為0.01 mm，邊緣變化質量最大。蝕坑所在鋼絲其余部分采用映射網格的劃分方法，單元的最大邊長為0.5 mm。其他鋼絲采用邊緣尺寸調整為12個區(qū)域，利用掃略劃分網格，單元邊長取值1 mm，確保模擬精準度的同時節(jié)約算力。

圖10 蝕坑網格加密

以偏轉角30 mrad蝕坑A應力云圖為例。如圖11所示，蝕坑表面出現集中應力帶，呈橢圓形分布。應力值蝕坑底部沿外圍呈階梯減小，到達蝕坑橫向邊緣時應力值最小。這是由于受軸向拉力，對蝕坑底部橫截面的受力最大。

圖11 蝕坑應力云圖

圖12為鋼絞線未發(fā)生偏轉時蝕坑截面應力圖，可以看到不同位置的蝕坑應力大小基本相同，這是由于鋼絞線僅受軸向拉力，索體整體截面受力均勻，任意位置蝕坑受力也相同。蝕坑引起鋼絞線截面減小，所以蝕坑位置會產生應力集中現象，蝕坑表面應力最大，應力由外向內逐漸遞減。

圖12 0 mrad蝕坑應力云圖

圖13～圖15為不同偏轉角下蝕坑的應力云圖。索體中部蝕坑的應力基本相同，并不隨偏轉角的增大而變化。而索體1/4處和錨固端部蝕坑應力隨偏轉角增大而增大，離錨固端越近產生的集中應力越大。當偏轉角為10 mrad時，蝕坑A的應力比分別比B、C增加了36.5%、10.7%;偏轉角為20 mrad時，蝕坑A的應力比分別比蝕坑B、C增加了77.6%、20.2%;偏轉角為30 mrad時，蝕坑A的應力比分別比B、C增加了98.1%、13.5%。

圖13 10 mrad蝕坑應力云圖

圖14 20 mrad蝕坑應力云圖

圖15 30 mrad蝕坑應力云圖

在橋梁長期服役期間，錨固端屬于吊桿與拱肋和橫梁的交界處，其受力最為復雜。此外，根據大量文獻研究可知，端部的腐蝕程度較索體更為嚴重。因此對腐蝕鋼絞線吊桿而言，當吊桿發(fā)生偏轉角時，錨固端的蝕坑應力遠遠大于其他蝕坑。由此可見，腐蝕坑這一缺陷的存在使得鋼絞線出現了嚴重的應力集中現象，這必將對鋼絞線吊桿的力學性能產生巨大影響，應著重對錨固端區(qū)域進行加固處理。

5 結論

通過不同腐蝕程度鋼絞線試驗、偏轉角拉伸試驗及有限元模擬，得到以下結論：

(1)鍍鋅鋼絞線的腐蝕程度隨著腐蝕時間的延長而增大，在腐蝕周期為360 h時，鍍鋅鋼絞線破壞的主要是表面的鍍鋅保護層，內部鋼絲并未受到侵蝕。鋼絞線在受到拉應力的作用下會加快鋼絞線的腐蝕速率，導致鋼絞線表面更容易產生缺陷，在相同腐蝕周期下，持荷狀態(tài)下的鋼絞線比無應力下的鋼絞線更容易被破壞。

(2)腐蝕鋼絞線極限破斷力隨著軸偏轉角增大而減小，在相同的腐蝕率下，偏轉角引起鋼絞線錨固端位置應力集中，進而導致鋼絞線的極限強度下降。

(3)最大集中應力出現在蝕坑的中部，在蝕坑中間形成應力帶，并且從中間向兩邊分層遞減。隨偏轉角的增大，越靠近錨固端位置的蝕坑應力越大。因此，工程實際中應著重考慮偏轉角對腐蝕吊索錨固端的影響。