腐蝕后節(jié)段式鋼箱梁的熱點(diǎn)應(yīng)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(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，江蘇 南京 210001；4.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

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腐蝕后節(jié)段式鋼箱梁的熱點(diǎn)應(yīng)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(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，江蘇 南京 210001；4.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

鋼箱梁的腐蝕過程復(fù)雜多變，且影響鋼箱梁腐蝕的因素眾多，對于不同的地理環(huán)境，鋼箱梁表現(xiàn)出的腐蝕規(guī)律有較大差別。根據(jù)鋼箱梁腐蝕的冪函數(shù)模型，針對鋼箱梁節(jié)段式構(gòu)件，建立了節(jié)段式鋼箱梁的有限元計(jì)算模型，按鋼箱梁均勻腐蝕進(jìn)行處理，并利用外推法等對焊接區(qū)域的熱點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，鋼箱梁服役一定年限后，由于腐蝕會導(dǎo)致鋼箱梁的熱點(diǎn)應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度。研究結(jié)論可供工程設(shè)計(jì)參考。

鋼箱梁；腐蝕；熱點(diǎn)應(yīng)力；有限元

ResearchoftheHotSpotStressofSteelBoxGirderReinforcedwithCarbonFiberSheet

鋼箱梁的腐蝕過程復(fù)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(xiàn)出的腐蝕規(guī)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(shù)模型、灰色預(yù)測模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(tài)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(xì)分為點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、磨損腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等多種腐蝕形態(tài)[4-5]。由于在室內(nèi)試驗(yàn)中主要采用試件浸泡試驗(yàn)法，因此其腐蝕類型應(yīng)主要為均勻腐蝕，局部表現(xiàn)為點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕[6-8]。本文在含腐蝕影響的節(jié)段式鋼箱梁試件分析中，按鋼箱梁均勻腐蝕進(jìn)行處理。

1　節(jié)段式鋼箱梁試件

根據(jù)江陰大橋的節(jié)段式鋼箱梁，設(shè)計(jì)出節(jié)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(jié)構(gòu)。試件的材料為Q345b鋼，焊接材料為E50型。

試件的涂裝方案為節(jié)段式鋼箱梁U型肋外部噴涂硅酸鋅車間底漆15μm，環(huán)氧云母氧化鐵中間漆150μm，環(huán)氧面漆100μm，共3道；U型肋內(nèi)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(huán)氧富鋅底漆75μm，高固體份厚漿型環(huán)氧瀝青面漆250μm，共3道。

圖1　節(jié)段式鋼箱梁試件尺寸

2　鋼箱梁計(jì)算模型和數(shù)據(jù)分析

應(yīng)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(qū)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(jīng)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(diǎn)應(yīng)力的方法對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)和評定受到了廣泛重視。使用熱點(diǎn)應(yīng)力評定焊接區(qū)域，主要有如下幾種外推方法。

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

2)各船級社推薦的兩點(diǎn)線性外推公式，提取距離熱點(diǎn)位置0.5t和1.5t處的應(yīng)變值(或應(yīng)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(diǎn)應(yīng)變；σs是焊接處熱點(diǎn)應(yīng)力。

3)國際焊接學(xué)會(IIW)推薦的兩點(diǎn)線性外推公式，提取距離熱點(diǎn)0.4t和1.0t處的應(yīng)變值(或應(yīng)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(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力的三點(diǎn)二次外推公式，提取距離熱點(diǎn)0.4t、0.9t和1.4t處的應(yīng)變值(或應(yīng)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(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力的三點(diǎn)二次外推公式2，提取距離熱點(diǎn)0.5t、1.0t和2.5t處的應(yīng)變值(或應(yīng)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(jīng)過10a的腐蝕，熱點(diǎn)應(yīng)力原始測點(diǎn)應(yīng)力值見表2，外推得到的熱點(diǎn)應(yīng)力值見表3。

表2　腐蝕10 a頂板和U型肋焊趾處外推點(diǎn)的應(yīng)力值　(MPa)

注：位置以圖1中側(cè)視圖的左側(cè)為零基準(zhǔn)，選取頂板與U型肋間焊接區(qū)域。

表3　腐蝕10 a頂板和U型肋焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力值

由上述結(jié)果可知，考慮腐蝕對節(jié)段式鋼箱梁試件焊縫熱點(diǎn)應(yīng)力的影響，在試驗(yàn)荷載等級25kN、不考慮涂裝對鋼材的保護(hù)作用下，經(jīng)過10a腐蝕的試件就不能滿足工程的承載能力要求了。

3　結(jié)語

在試驗(yàn)荷載水平下，經(jīng)過10a的腐蝕，90mm處測點(diǎn)經(jīng)過推算得到的熱點(diǎn)應(yīng)力值超過Q345b鋼的屈服強(qiáng)度，此時試件已經(jīng)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(hù)作用。在通常情況下，只有在涂裝發(fā)生破壞處的鋼材才會大規(guī)模的均勻腐蝕，且在防腐涂裝的保護(hù)下，其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10a。

[1] 張波,王曉乾,董彩常,等. 青島海洋大氣中橋梁結(jié)構(gòu)鋼的腐蝕模型對比研究[J]. 公路交通科技, 2013, 30(1):69-73.

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[3] 丁國清, 張波. 幾種典型鋼在西部大氣環(huán)境中的腐蝕行為及預(yù)測研究[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2011, 23(1):69-74.

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* 浙江省水利廳科技項(xiàng)目(RC1445)

責(zé)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(jié)構(gòu)工程等方面的研究。