摘要：為研究腐蝕作用下橋梁鋼力學(xué)性能，文章基于有限元方法，利用ABAQUS軟件建立橋梁鋼模型，通過(guò)數(shù)值模擬與室內(nèi)物理試驗(yàn)相結(jié)合的方式，分析腐蝕作用下橋梁鋼的質(zhì)量損失率以及截面的損失率，并針對(duì)相鄰蝕坑之間的半徑、深度、角度和間距對(duì)橋梁鋼等效應(yīng)力的影響進(jìn)行研究，為鋼橋梁工程建設(shè)施工提供參考。

關(guān)鍵詞：腐蝕作用；橋梁鋼；有限元；物理試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U445.7+3 A 26 094 3

0 引言

腐蝕性液體的運(yùn)輸無(wú)法避開(kāi)高速公路，而近些年來(lái)腐蝕性液體運(yùn)輸事故頻發(fā)，對(duì)橋梁鋼受腐蝕作用下的力學(xué)性能提出挑戰(zhàn)［1］。橋梁鋼一旦被腐蝕至斷裂，將會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大損失，因此研究腐蝕作用下的橋梁鋼力學(xué)性能迫在眉睫。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)腐蝕作用下普通鋼材力學(xué)性能進(jìn)行大量研究。Krzysztof Woloszyka等［2］建立腐蝕鋼板退化模型，對(duì)其進(jìn)行非線性有限元分析，得出鋼板力學(xué)性能下降的主要原因是由于受腐蝕后鋼板表面產(chǎn)生腐蝕差異。Hui Chen等［3］對(duì)高強(qiáng)鋼筋展開(kāi)腐蝕研究，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)鋼筋腐蝕作用下其力學(xué)性能與應(yīng)變速率相關(guān)，并提出相應(yīng)折減系數(shù)與本構(gòu)修正模型。而Jie Sheng等［4］對(duì)H鋼的腐蝕性能進(jìn)行研究，通過(guò)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)多場(chǎng)耦合下H鋼梁的極限承載力。張宇等［5］對(duì)耐候鋼以及高性能鋼腐蝕后的力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在腐蝕作用下兩種鋼材表面易形成穩(wěn)定蝕坑和銹蝕層，相比而言銹蝕層具有一定強(qiáng)度，萌生的裂紋一般集中于蝕坑部位。在此基礎(chǔ)上，陳爽［6］對(duì)橋梁鋼的腐蝕性能開(kāi)展進(jìn)一步研究，提出基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)銹蝕層進(jìn)行圖像識(shí)別。徐善華等［7-9］提出帶中心裂紋銹蝕鋼板的殘余斷裂韌度退化模型，進(jìn)而更準(zhǔn)確地對(duì)鋼板退化機(jī)理與退化規(guī)律進(jìn)行定性分析。潘典書(shū)［10］通過(guò)對(duì)銹蝕型鋼抗彎性能研究，得出其屈服彎矩、極限彎矩、構(gòu)件慣性矩三者之間的關(guān)系。

然而上述研究主要集中于銹蝕鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)退化機(jī)制，較少涉及腐蝕作用下橋梁鋼力學(xué)性能的研究，因此本文基于前人對(duì)鋼受腐蝕作用下力學(xué)性質(zhì)的變化，進(jìn)一步考慮含多蝕坑橋梁鋼力學(xué)特征，提出腐蝕作用下橋梁鋼力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，結(jié)合相關(guān)物理力學(xué)試驗(yàn)以及有限元分析軟件，為今后鋼橋梁工程的建設(shè)施工提供相應(yīng)依據(jù)。

1 橋梁鋼強(qiáng)酸腐蝕試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為研究腐蝕作用下橋梁鋼的物理力學(xué)性能，采用某公司所生產(chǎn)的兩種類型的成品橋梁鋼（普通鋼Q345以及耐候鋼Q345）。為保證力學(xué)試驗(yàn)的可靠性，兩者均在恒溫條件下進(jìn)行加工。表1～2分別為普通鋼Q345以及耐候鋼Q345的化學(xué)成分，圖1為橋梁鋼的形狀示意圖。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將普通鋼Q345以及耐候鋼Q345分別浸泡于36%的鹽酸中，研究浸泡不同時(shí)間后橋梁鋼的質(zhì)量、面積損失率。表3為浸泡時(shí)間取值。

1.3 試驗(yàn)結(jié)論分析

通過(guò)對(duì)腐蝕作用前后的橋梁鋼重量、截面面積等方面進(jìn)行測(cè)量，得出橋梁鋼在不同腐蝕時(shí)間下的質(zhì)量損失率以及截面損失率。圖2～3為經(jīng)過(guò)不同時(shí)間后橋梁鋼的質(zhì)量損失率情況。

由圖2～3可知，質(zhì)量損失率與腐蝕時(shí)間呈非線性上升的趨勢(shì)，隨著腐蝕時(shí)間的增加，普通橋梁鋼與耐候鋼的質(zhì)量損失率也不斷升高?？梢悦黠@地發(fā)現(xiàn)，在30 h之前，腐蝕率的變化更為明顯，而40 h后質(zhì)量損失率隨腐蝕時(shí)間的變化較為平穩(wěn)。根據(jù)擬合曲線可知，兩種鋼材的腐蝕時(shí)間與腐蝕率之間的非線性擬合關(guān)系較好，兩者擬合參數(shù)R2均＞0.95。根據(jù)普通橋梁鋼的質(zhì)量損失率與耐候鋼的質(zhì)量損失率的對(duì)比可知，在同種腐蝕強(qiáng)度下，普通橋梁鋼的質(zhì)量損失率要大于后者，導(dǎo)致此原因可能是由于耐候鋼化學(xué)成分中含有少量的合金元素，可以改善其耐腐蝕性能。

圖4～5為經(jīng)過(guò)不同時(shí)間后橋梁鋼的腐蝕面積變化曲線。

由圖4～5可知，腐蝕面積與腐蝕時(shí)間呈非線性下降的趨勢(shì)，隨著腐蝕時(shí)間的增加，腐蝕后的面積越來(lái)越小。根據(jù)擬合曲線可知，兩種鋼材的腐蝕時(shí)間與腐蝕面積之間的非線性擬合關(guān)系較好，兩者擬合參數(shù)R2均＞0.93。根據(jù)普通橋梁鋼的腐蝕面積與耐候鋼的質(zhì)量損失率的對(duì)比可知，在同種腐蝕強(qiáng)度下，普通橋梁鋼的腐蝕后所剩余的面積要大于后者，導(dǎo)致此結(jié)果的原因和上述質(zhì)量損失率的原因一致。

2 多蝕坑橋梁鋼有限元模型的建立

本節(jié)主要考慮腐蝕作用對(duì)橋梁鋼力學(xué)性能影響，基于ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件建立相關(guān)模型。圖6～7為ABAQUS有限元軟件建模及分析流程?？紤]橋梁鋼架的相互接觸的力學(xué)特征，本模型采用Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)該本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行多蝕坑對(duì)鋼板延性裂紋萌生的研究，最終提出相應(yīng)的規(guī)律。

ABAQUS中鋼材失效機(jī)理的具體形式為：

（1）刪除網(wǎng)格中失效單元。

（2）初始損傷準(zhǔn)則。

（3）對(duì)未受損鋼材本構(gòu)進(jìn)行定義。

（4）損傷發(fā)展演化規(guī)律。

2.1 細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

細(xì)觀參數(shù)的確定影響著數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此如何確定數(shù)值模擬中的細(xì)觀參數(shù)極為關(guān)鍵。同時(shí)，由于ABAQUS的數(shù)值模擬軟件并未給出細(xì)觀力學(xué)參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)系表達(dá)式，因此本文根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，采用試錯(cuò)法的方式對(duì)不同腐蝕時(shí)間下的橋梁鋼彈性模量、屈服應(yīng)力、應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)、硬化指數(shù)n進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，具體結(jié)果如表4～5所示。

2.2 三維模型的建立

本文研究以實(shí)際橋梁鋼為基礎(chǔ)，建立簡(jiǎn)化的多蝕坑橋梁鋼模型，將CAD建模后導(dǎo)入ABAQUS軟件，如圖8所示。

3 含多蝕坑橋梁鋼Mises等效應(yīng)力研究

由于含多蝕坑橋梁鋼力學(xué)特征相比于單蝕坑橋梁鋼更為復(fù)雜，兩個(gè)相鄰蝕坑之間會(huì)產(chǎn)生相互作用，因此本節(jié)探究相鄰蝕坑之間的半徑、深度、角度和間距對(duì)等效應(yīng)力的影響，圖9為中心蝕坑與參考蝕坑位置關(guān)系。

3.1 Mises等效應(yīng)力

將單坑模型的等效應(yīng)力與雙坑坑底等效應(yīng)力的比值定義為J。通過(guò)研究夾角、間距、半徑、深度改變對(duì)J值的影響，可以得出Mises等效應(yīng)力的作用規(guī)律。這4個(gè)因素發(fā)生改變時(shí)J值的變化如圖10所示。

由圖10（a）可知，當(dāng)其他條件不變時(shí)，蝕坑間距的增大，會(huì)導(dǎo)致J值的不斷降低，而隨著蝕坑角度的增大，J值也會(huì)不斷增加。

由圖10（b）可知，J值會(huì)隨著蝕坑夾角的增大而增大，但幅度相對(duì)較小，當(dāng)蝕坑間距＜3 mm時(shí)，J值受夾角影響較為明顯。

由圖10（c）可知，隨著蝕坑半徑的增加，J值在不斷減小，當(dāng)蝕坑半徑相同時(shí)，隨著蝕坑間距的增加，J值在不斷減小。

由圖10（d）可知，隨著蝕坑深度的增加，J值在不斷減小，當(dāng)蝕坑深度相同時(shí)，隨著蝕坑半徑的增加，J值在不斷減小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)腐蝕作用下橋梁鋼力學(xué)性能影響進(jìn)行研究，采用室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)以及有限元數(shù)值模擬軟件ABAQUS，分析腐蝕作用下橋梁鋼的質(zhì)量損失率以及截面的損失率，并針對(duì)相鄰蝕坑之間的半徑、深度、角度和間距對(duì)等效力的影響進(jìn)行研究，提出不同條件下多蝕坑橋梁鋼Mises等效應(yīng)力變化特征，為今后鋼橋梁工程的建設(shè)施工提供相應(yīng)依據(jù)。本文得到如下主要結(jié)論：

（1）質(zhì)量損失率與腐蝕時(shí)間呈非線性上升的趨勢(shì)，隨著腐蝕時(shí)間的增加，普通橋梁鋼與耐候鋼的質(zhì)量損失率也不斷升高。在同種腐蝕強(qiáng)度下，普通橋梁鋼的質(zhì)量損失率要大于后者，導(dǎo)致此原因可能是由于耐候鋼化學(xué)成分中含有少量的合金元素，進(jìn)而改善了其耐腐蝕性能。

（2）腐蝕面積與腐蝕時(shí)間呈非線性下降的趨勢(shì)，隨著腐蝕時(shí)間的增加，腐蝕后的面積越來(lái)越小。

（3）蝕坑間距的增大，會(huì)導(dǎo)致J值的不斷降低，而隨著蝕坑角度的增大，J值也會(huì)不斷增加。J值會(huì)隨著蝕坑夾角的增大而增大，但幅度相對(duì)較小，當(dāng)蝕坑間距＜3 mm時(shí)，J值受夾角影響較為明顯。

（4）隨著蝕坑半徑的增加，J值在不斷減小，當(dāng)蝕坑半徑相同時(shí)，隨著蝕坑間距的增加，J值在不斷減小。隨著蝕坑深度的增加，J值在不斷減小，當(dāng)蝕坑深度相同時(shí)，隨著蝕坑半徑的增加，J值在不斷減小。

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收稿日期：2022-12-10