姚國文，劉超越，吳國強

(1.重慶交通大學 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶400074；2.涪陵區(qū)城鄉(xiāng)建設委員會，重慶 涪陵 408000；3.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530000)

酸雨環(huán)境-荷載耦合作用下拉索腐蝕損傷機理研究

姚國文1，劉超越2，吳國強3

(1.重慶交通大學 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶400074；2.涪陵區(qū)城鄉(xiāng)建設委員會，重慶 涪陵 408000；3.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530000)

通過開展拉索鍍鋅鋼絞線在酸雨環(huán)境/荷載耦合作用下的人工加速腐蝕試驗，對斜拉索施加交變荷載、靜態(tài)荷載和無荷載，得出3種加載方式與腐蝕速率的關系，并論述了鋼絞線應力腐蝕疲勞損傷的特點與機理；采用ANSYS有限元軟件對不同腐蝕情況下的斜拉索進行數(shù)值模擬，分析了鋼絞線均勻腐蝕、表面蝕坑深度對鋼絲等效應力分布狀態(tài)的影響。研究表明：加速腐蝕試驗中的鋼絞線，受到復雜荷載的構件在同等腐蝕環(huán)境中的腐蝕速率更高；腐蝕試驗前期，應力腐蝕和腐蝕疲勞對抗拉強度的影響不大，3種加載方式之間的抗拉強度無明顯差異，腐蝕試驗中后期，抗拉強度開始急劇下降，交變應力加載試件出現(xiàn)抗拉強度短暫提高的現(xiàn)象；鋼絞線腐蝕越嚴重，其在役狀態(tài)時鋼絞線表面蝕坑附近的應力就越大。

橋梁工程；斜拉索；酸雨環(huán)境；交變荷載；應力腐蝕

0 引 言

目前，國內外學者針對斜拉索腐蝕問題的研究已經取得了較多進展。蘇達根等[1]分析了廣州海印大橋鋼絞線銹蝕失效機理，對比分析了不同銹蝕程度的鋼絞線在力學性能方面的差異?？婇L青等[2]根據(jù)法拉定律與腐蝕損傷相當?shù)脑瓌t，提出了大跨徑橋梁構件加速腐蝕當量環(huán)境譜的研究方法。K.SUZUMURA等[3]研究了橋梁用鍍鋅鋼絞線腐蝕行為影響的環(huán)境因素，結果表明水和溫度是造成拉索腐蝕的主要環(huán)境因素，加速腐蝕試驗證明拉索錨頭端腐蝕最為嚴重，溶液中NaCl濃度增加和溫度升高都會加速鍍鋅鋼絞線的腐蝕。I.HAMILTON等[4]將海水作為腐蝕介質，在靜態(tài)張力作用下，對帶開口的不同拉索腐蝕防護體系進行加速腐蝕試驗，對比不同防護體系下的防腐效果，研究結果表明靜態(tài)張力會加速拉索的腐蝕過程。

鑒于荷載對斜拉索腐蝕過程的影響，筆者進行拉索鋼絞線在靜態(tài)張力、交變荷載與酸雨環(huán)境耦合作用下腐蝕疲勞試驗，探討拉索腐蝕疲勞損傷機理。

1 人工加速酸雨腐蝕試驗

拉索腐蝕試驗采用重慶交通大學山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地的YC-200鹽霧試驗箱(圖1)，鹽霧沉降量250 mL/(m2·h)。加載裝置采用ZDK雙作用千斤頂，承載能力20 t。

圖1 YC-200腐蝕試驗箱Fig.1 YC-200 corrosion test chamber

1.1 試驗材料

1.1.1 鋼絞線試樣

酸雨腐蝕試驗件材料為橋梁纜索用強度級別為1 860 MPa、直徑φ15.2 mm的高強鍍鋅鋼絞線，鋼絞線尺寸及允許偏差見表1。

表1 鋼絞線尺寸及允許偏差

1.1.2 腐蝕液

表2 西南地區(qū)酸雨雨水組成

稱取誤差±0.10 g，稱取化學試劑于100 mL的量筒中，加入50 mL的水完全溶解，移取液體到4 L的容器中，加入水到4 L，用精密PH試紙測定PH值，用濃H2SO4調節(jié)pH值至2.5。本試驗溫度參考GB/T 10125—1997《人造氣氛腐蝕實驗——鹽霧實驗》將溫度定為(50±2)℃，將氣壓控制在70～170 kPa之間。噴霧量參考GB/T 10125—1997中的CASS實驗標準，取為250 mL/(m2·h)。

1.2 試驗步驟

本次試驗一批次采用6根高強度鍍鋅鋼絞線，其中兩根為交變荷載、兩根為靜態(tài)荷載和兩根為無荷載狀態(tài)，交變荷載采用ZDK液壓穿心自鎖千斤頂施加，最大峰值荷載130 kN，最小峰值荷載為65 kN，荷載幅值為65 kN。應力幅值為464 MPa，大于鍍鋅鋼絞線抗疲勞應力幅值20 MPa，交變荷載見圖2。

圖2 一日中的交變荷載Fig.2 Alternating load diagram in a day

ZDK油壓穿心千斤頂油表讀數(shù)與施加荷載值不統(tǒng)一，所以必須經過測力計標定后才能準確地換算出力與油壓的關系，千斤頂力與油壓換算關系及擬合曲線見圖3。

圖3 千斤頂力與油壓換算關系及擬合曲線Fig.3 Conversion relationship between jack force and oil pressure and its fitting curve

試驗步驟如下：

1)準備4根外包高密度聚乙烯擠塑成型外套的鋼絞線，并切成5.4 m長的試件,長度誤差在±1 mm，作為交變荷載與靜態(tài)荷載的試件，中間1 m長部分去除高密度聚乙烯外套(即穿入試驗箱的鋼絞線去除高密度聚乙烯外套)，稱取重量后穿入試驗箱，另準備2根1 m長的去除高密度聚乙烯外套后稱重作為無荷載的試件，對所有試件編號，并對所有數(shù)據(jù)做好記錄并拍照，交變荷載與靜態(tài)荷載試件穿入腐蝕試驗箱。

2)配制好pH=2.5的酸雨溶液加入腐蝕箱中的溶液儲存箱。

3)按圖2進行加載，加載誤差控制在±0.1 kN，并開啟腐蝕箱控制開關，將溫度控制在(50±1)℃，將噴霧量控制在250 mL/(m2·h)。

4)定期對腐蝕箱中的溶液箱中溶液的剩余量進行檢查，并對試件的腐蝕情況進行拍照以掌握腐蝕的進程。

5)階段試驗完成后對試件進行檢查和拍照，對腐蝕部位用鋼絲刷在0.5 mol/L稀硫酸溶液中進行清洗，并用高溫吹風筒烘干，分別稱量試件記錄失重數(shù)據(jù)。

6)取出1 cm以內的試樣，用于電子掃描顯微鏡的觀測。

7)將試件中間1 m段用切割機切斷，編號，用于試件力學強度試驗。

8)將編號的試件在萬能試驗機上進行拉伸試驗，記錄各試件的應力應變曲線，并記錄抗拉強度。

1.3 試驗數(shù)據(jù)及分析

1.3.1 腐蝕速率的分析

將不同腐蝕時間下，3種加載狀態(tài)的試件腐蝕數(shù)據(jù)繪制成散點圖(圖4)。在5 d的腐蝕階段，交變荷載、靜態(tài)荷載和無荷載3種狀態(tài)下腐蝕速率相近；在15 d時，交變荷載的腐蝕速率是無荷載的腐蝕速率的1.35倍，靜態(tài)荷載的腐蝕速率是無荷載的腐蝕速率的1.13倍；在30 d時，交變荷載的腐蝕速率是無荷載的腐蝕速率的1.36倍，而靜態(tài)荷載的腐蝕速率是無荷載的腐蝕速率的1.11倍。由腐蝕時間與腐蝕速率曲線可知,受到交變荷載的構件在同等的腐蝕環(huán)境中遭受腐蝕顯得更加容易。

圖4 3種狀態(tài)的腐蝕速率對比Fig.4 Comparison of corrosion rate of three states

1.3.2 腐蝕鋼絞線力學性能分析

將不同腐蝕速率下，3種加載狀態(tài)的試件抗拉強度數(shù)據(jù)繪制成散點圖(圖5)。腐蝕試驗前期，3種應力加載狀態(tài)之間的抗拉強度沒有出現(xiàn)明顯的下降趨勢。腐蝕試驗中后期，抗拉強度開始出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象，交變應力和靜態(tài)張力兩種加載方式下的試件均出現(xiàn)了抗拉強度短暫提高的現(xiàn)象。

圖5 3種狀態(tài)下的試件在不同齡期的抗拉強度Fig.5 Tensile strength of specimens at different ages under three states

2 腐蝕損傷機理分析

2.1 應力腐蝕特點

1)發(fā)生應力腐蝕的不一定是外加力。在材料經特定技術手段處理后在材料基質中殘留的殘余應力或熱應力可發(fā)生應力腐蝕；也有材料在腐蝕溶液中經復核溶解而在表面產生腐蝕產物，腐蝕產物的延伸會對材料表面基質作用而產生張力，從而誘發(fā)應力腐蝕。

2)應力腐蝕的滯后破斷性。對于無損傷試樣，在應力σ<σb條件下，試件就會出現(xiàn)微裂紋，而后隨著時間的推移，微裂紋會迅速的擴展延伸；裂縫強度因子K1≤K1C(破斷強度因子)，應力和應力強度因子下降，而裂紋形核與滯后破斷時間也在延長，所以應力腐蝕后的材料會滯后破斷[5]。

3)基于低應力的剛性破斷。應力腐蝕損傷的破斷應力σ低于材料的破斷應力σb，材料破斷時緊縮現(xiàn)象不明顯，材料破斷時延性小，塑性變形小，所以應力腐蝕破壞是無征兆的剛性破壞，在工程上是一種造成災難性后果的破壞。

2.2 應力腐蝕機理

當腐蝕出現(xiàn)蝕坑空洞后，孔洞里金屬表面會形成鈍化膜。鈍化膜是一層不密實的薄膜，溶液介質中的陰離子通過鈍化膜與金屬基質進行交換，金屬在交換過程中不斷地溶解，而腐蝕產物也會附著在鈍化膜表面，對材料基質表面形成附加張力。張力的作用會加速金屬原子的位錯滑移運動。位錯滑移運動使部分基質區(qū)域到達塑性變形的臨界條件時，這小塊區(qū)域就會產生很大的應力集中，剪斷了材料基質原子之間的鍵力[6-7]，微裂紋基于此形成。由于溶液介質充斥著這個裂紋，阻礙了鈍化的形成，微裂紋經過不斷的受力會向前沿發(fā)展，所以當加載的外力遠小于材料的σb也會出現(xiàn)材料的斷裂。

構件表面的腐蝕損傷處[8-9]一般是腐蝕疲勞斷裂的開端，在合金材料的腐蝕試驗中裂紋從點蝕坑過渡至形核發(fā)展的現(xiàn)象已經得到了驗證。

在交變應力的作用下帶有損傷裂紋的構件不發(fā)生疲勞擴展應力強度因子交變值，即疲勞裂紋不擴展的ΔK的臨界值符號記為ΔKth。點蝕坑形成腐蝕疲勞裂紋要滿足一定的條件[10-11]：

(1)

式中：a為等效裂紋深度；ΔK為半橢圓點蝕根部應力強度因子；ΔKth為疲勞裂紋擴展門檻；da/dt為裂紋擴展速率或點蝕深度演化速率[12]。

3 拉索腐蝕仿真分析

3.1 有限元模型

應用ANSYS軟件對在不同程度下的均勻腐蝕鋼絞線以及蝕坑深度不同、直徑相同的鋼絞線分別建立實體模型(圖6)，分析蝕坑附近等效應力分布規(guī)律。

圖6 有限元模型Fig.6 Finite element model

3.2 均勻腐蝕狀態(tài)下拉索受力分析

基于拉索受到均勻腐蝕狀態(tài)下，拉索有效截面積會減小。模型以拉索所有斷面上的有效截面積相同，分別建立直徑D為15.2，15.0，14.8，14.6，14.4 mm的鋼絞線模型，以直徑為14.8，14.6 mm為例提取應力云圖(圖7)。用半徑為0.5 mm的球體與鋼絞線相割，蝕坑深度均為1 mm，實現(xiàn)蝕坑的模擬。

圖7 均勻腐蝕時鋼絞線等效應力云圖Fig.7 Steel equivalent stress nephogram with uniform corrosion

均勻腐蝕程度不同，但蝕坑附近的等效應力分布規(guī)律大致相同，蝕坑大小相等的條件下，拉索承受荷載時在蝕坑中央?yún)^(qū)域出現(xiàn)應力集中；蝕坑大小相等，隨著腐蝕直徑的減小，應力集中區(qū)域的積也減小，而應力的最大值也變大，同一點在不同腐蝕直徑相同荷載作用下應力增加。將不同直徑的鋼絞線在蝕坑的作用下產生的最大Mises等效應力數(shù)值繪制成曲線(圖8),發(fā)現(xiàn)均勻腐蝕鋼絞線直徑與蝕坑邊緣最大等效應力大致呈線性關系。

圖8 蝕坑處最大等效應力與鋼絞線直徑關系Fig.8 Relationship between maximum equivalent stress of the corrosion pits and the diameter of strand

3.3 局部腐蝕狀態(tài)下拉索的受力分析

金屬受到腐蝕不僅有全面腐蝕，還面臨著局部腐蝕。分析中基于簡化處理，以拉索直徑不變，而蝕坑深度變化建立有限元模型。建立直徑為15.2 mm的鋼絞線模型，分別以半徑為1.0，1.2，1.4，1.6 mm的球體與鋼絞線相割，蝕坑深度為1.0，1.2，1.4，1.6 mm，以蝕坑深度為1.4，1.6 mm為例提取應力云圖(圖9)。

圖9 不同蝕坑深度時鋼絞線等效應力云圖Fig.9 Steel equivalent stress nephogram with different corrosion pit depths

在同樣直徑的鋼絞線，施加的交變荷載相同的條件下，隨著蝕坑深度的增大，應力集中區(qū)域的最大拉應力增大；在同樣直徑的鋼絞線，施加的交變荷載相同的條件下，蝕坑的中心點的應力隨著蝕坑深度的加大而加大。將不同蝕坑深度的最大等效應力計算結果繪制成曲線(圖10)。蝕坑處最大等效應力數(shù)值與蝕坑深度在一定范圍內大致呈線性關系。

圖10 蝕坑深度與最大等效應力關系Fig.10 Relationship between corrosion pit depth and maximum equivalent stress

4 結 論

1)加速腐蝕試驗中的鋼絞線，受到復雜荷載的構件在同等腐蝕環(huán)境中的腐蝕速率更高。

2)腐蝕試驗前期，應力腐蝕和腐蝕疲勞對抗拉強度的影響不大，3種加載方式之間的抗拉強度無明顯差異。腐蝕試驗中后期，抗拉強度開始急劇下降，交變應力加載試件出現(xiàn)抗拉強度短暫提高的現(xiàn)象。

3)鋼絞線腐蝕越嚴重，其在役狀態(tài)時鋼絞線表面蝕坑附近的應力就越大。由于被腐蝕鋼絞線的有效面積會減小，而且鋼絞線的局部應力在蝕坑的作用下又進一步增大，因此腐蝕對在役鋼絞線具有雙重不利的作用。

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Mechanism of Corrosion Damage of Stayed Cable under the Effect of Acid Rain and Loading Coupling

YAO Guowen1, LIU Chaoyue2, WU Guoqiang3

(1. State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge & Tunnel Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China; 2. Fuling District Urban and Rural Construction Commitee, Fuling 408000, Chongqing , P.R.China; 3. Guangxi Transportation Research Institute, Nanning 530000, Guangxi, P.R.China)

By conducting the artificially accelerated corrosion test of galvanized steel cable under the effect of acid rain / load coupling, three kinds of loading patterns were applied for the stayed cable, which included alternating load, static load and no load, and the relationship between three kinds of loading patterns and corrosion rate was obtained. The characteristics and mechanism of strand stress corrosion fatigue damage were also discussed. Numerical simulation for stayed cable in different corrosion conditions was carried out by ANSYS finite element software, and the effect of the strand uniform corrosion and surface corrosion pitting depth on the steel equivalent stress distribution state was analyzed. Studies show that: the corrosion rate of the strand in accelerated corrosion test and the components under complex loads is higher in the same corrosive environment. In the pre-period of corrosion test, stress corrosion and corrosion fatigue have little effect on tensile strength; the tensile strength has no significant difference among three loading patterns. In the middle and later periods of corrosion test, the tensile strength starts a sharp decline, and the tensile strength of alternating stress loading specimens appears the phenomenon of a short increase; the more serious corrosion the strand, the greater the steel strand stress near surface corrosion pits during its service time.

bridge engineering; stayed cable; acid rain environment; alternating loading; stress corrosion

2015-07-06；

2015-11-06

國家自然科學基金項目(51478071)；交通運輸部建設科技項目(2015318814190)；交通運輸部應用基礎研究項目(2013319814180) 第一作者：姚國文(1974—)，男，山東淮坊人，教授，博士，主要從事橋梁損傷機理與檢測加固方面的研究。E-mail：yaoguowen@sina.com。

劉超越(1990—)，男，重慶人，碩士，主要從事橋梁健康監(jiān)測與加固方面的研究。E-mail：297531382@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.02

U444

A

1674-0696(2016)06-006-05