腐蝕后節段式鋼箱梁的熱點應力研究*

鄭　重，方太云，梁清宇，張　劍，殷王華

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3.江蘇省交通運輸廳工程質量監督局，江蘇 南京 210001；4.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

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腐蝕后節段式鋼箱梁的熱點應力研究*

鄭重1,2，方太云3，梁清宇1,2，張劍4，殷王華4

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3.江蘇省交通運輸廳工程質量監督局，江蘇 南京 210001；4.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

鋼箱梁的腐蝕過程復雜多變，且影響鋼箱梁腐蝕的因素眾多，對于不同的地理環境，鋼箱梁表現出的腐蝕規律有較大差別。根據鋼箱梁腐蝕的冪函數模型，針對鋼箱梁節段式構件，建立了節段式鋼箱梁的有限元計算模型，按鋼箱梁均勻腐蝕進行處理，并利用外推法等對焊接區域的熱點應力進行了計算分析。結果表明，鋼箱梁服役一定年限后，由于腐蝕會導致鋼箱梁的熱點應力超過屈服強度。研究結論可供工程設計參考。

鋼箱梁；腐蝕；熱點應力；有限元

ResearchoftheHotSpotStressofSteelBoxGirderReinforcedwithCarbonFiberSheet

鋼箱梁的腐蝕過程復雜多變，影響鋼箱梁腐蝕的因素繁多，而且在不同的地域上，鋼箱梁表現出的腐蝕規律有較大差別[1-2]。到目前為止，鋼材的大氣腐蝕模型主要有冪函數模型、灰色預測模型、BP神經網絡模型和考慮大氣成分的腐蝕模型等[3]。鋼箱梁腐蝕的主要形態主要有兩大類：一是全面腐蝕；二是局部腐蝕。全面腐蝕即通常意義上說的均勻腐蝕，局部腐蝕可以細分為點蝕、縫隙腐蝕、磨損腐蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞等多種腐蝕形態[4-5]。由于在室內試驗中主要采用試件浸泡試驗法，因此其腐蝕類型應主要為均勻腐蝕，局部表現為點蝕、應力腐蝕[6-8]。本文在含腐蝕影響的節段式鋼箱梁試件分析中，按鋼箱梁均勻腐蝕進行處理。

1　節段式鋼箱梁試件

根據江陰大橋的節段式鋼箱梁，設計出節段式鋼箱梁試件的形狀和尺寸(見圖1)，試件為由頂板和U型縱肋焊接成的結構。試件的材料為Q345b鋼，焊接材料為E50型。

試件的涂裝方案為節段式鋼箱梁U型肋外部噴涂硅酸鋅車間底漆15μm，環氧云母氧化鐵中間漆150μm，環氧面漆100μm，共3道；U型肋內部只噴涂硅酸鋅車間底漆15μm，共1道；鋼箱梁橋面行車道處噴涂硅酸鋅車間底漆15μm，環氧富鋅底漆75μm，高固體份厚漿型環氧瀝青面漆250μm，共3道。

圖1　節段式鋼箱梁試件尺寸

2　鋼箱梁計算模型和數據分析

應用ANSYS軟件建立有限元模型(見圖2)，鋼箱梁模型采取體單元solid45模擬，模型材料選取鋼材的彈性模量210GPa和泊松比0.3。江陰大橋位于近城市區域，該大橋鋼箱梁的頂板的板厚損失量(雙面腐蝕)見表1。

圖2　鋼箱梁有限元模型

經歷時間/a頂板厚度/mm板厚損失量/mm50.2080.417100.3140.628200.4740.948400.7151.430600.9091.818801.0782.1561001.2312.4621201.3712.743

近年來，使用熱點應力的方法對焊接結構進行疲勞設計和評定受到了廣泛重視。使用熱點應力評定焊接區域，主要有如下幾種外推方法。

1)距離熱點0.5t處粘帖應變片(或直接提取距離熱點0.5t處的應力值)，以該處的應變值(或應力值)作為熱點處的應變值(或應力值)。

2)各船級社推薦的兩點線性外推公式，提取距離熱點位置0.5t和1.5t處的應變值(或應力值)：

εs=1.5ε(0.5 t)-0.5ε(1.5 t)

(1)

σs=1.5σ(0.5 t)-0.5σ(1.5 t)

(2)

式中，εs是焊接處熱點應變；σs是焊接處熱點應力。

3)國際焊接學會(IIW)推薦的兩點線性外推公式，提取距離熱點0.4t和1.0t處的應變值(或應力值)：

εs=1.67ε(0.4 t)-0.67ε(1.0 t)

(3)

σs=1.67σ(0.4 t)-0.67σ(1.0 t)

(4)

4)計算熱點應力的三點二次外推公式，提取距離熱點0.4t、0.9t和1.4t處的應變值(或應力值)：

εs=2.52ε(0.4 t)-2.24ε(0.9 t)+0.72ε(1.4 t)

(5)

σs=2.52σ(0.4 t)-2.24σ(0.9 t)+0.72σ(1.4 t)

(6)

5)計算熱點應力的三點二次外推公式2，提取距離熱點0.5t、1.0t和2.5t處的應變值(或應力值)：

εs=1.875ε(0.5 t)-1.25ε(1.5 t)+0.375ε(2.5 t)

(7)

σs=1.875σ(0.5 t)-1.25σ(1.5 t)+0.375σ(2.5 t)

(8)

經過10a的腐蝕，熱點應力原始測點應力值見表2，外推得到的熱點應力值見表3。

表2　腐蝕10 a頂板和U型肋焊趾處外推點的應力值　(MPa)

注：位置以圖1中側視圖的左側為零基準，選取頂板與U型肋間焊接區域。

表3　腐蝕10 a頂板和U型肋焊趾處的熱點應力值

由上述結果可知，考慮腐蝕對節段式鋼箱梁試件焊縫熱點應力的影響，在試驗荷載等級25kN、不考慮涂裝對鋼材的保護作用下，經過10a腐蝕的試件就不能滿足工程的承載能力要求了。

3　結語

在試驗荷載水平下，經過10a的腐蝕，90mm處測點經過推算得到的熱點應力值超過Q345b鋼的屈服強度，此時試件已經不滿足工程承載能力的要求。本文腐蝕模型沒有考慮涂裝對試件的保護作用。在通常情況下，只有在涂裝發生破壞處的鋼材才會大規模的均勻腐蝕，且在防腐涂裝的保護下，其壽命遠遠大于10a。

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* 浙江省水利廳科技項目(RC1445)

責任編輯鄭練

ZHENGZhong1,2,FANGTaiyun3,LIANGQingyu1,2,ZHANGJian4,YINWanghua4

(1.ZhejiangInstituteofHydraulics&Estuary,Hangzhou310020,China; 2.ZhejiangGuangchuanEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Hangzhou310020,China; 3.QuanlitySupervisionBureauofTransportationDepartmentofJiangsuProvince,Nanjing210001,China; 4.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing

210016,China)

Thecorrosionofthesteelboxgirder’sprocessiscomplicatedchangeable.Thefactorsofinfluencingthecorrosionofsteelboxgirderarevarious.Indifferentareas,thereisabigdifferenceonthecorrosionbehaviorofthesteelboxgirder.Accordingtothepowerfunctionmodelofsteelboxgirdercorrosion,thefiniteelementcalculationmodelofsteelboxgirderisestablishedonaccountofthesectionaltypeofthesteelboxgirder.Then,thesteelboxgirderiscorrodeduniformly.Fromtheresults,itisfoundthatthehotspotstressoftheweldingzonehasbeenexceededtheyieldstrengthoftheweldingzoneaftersomeyearsofcorrosion.Theresearchconclusionscanbeusedforthereferenceintheengineeringdesign.

steelboxgirder,corrosion,hotspotstress,finiteelementmethod

2015-12-24

U441A

鄭重(1977-)，男，高級工程師，主要從事結構工程等方面的研究。