淺析鍍鋅平行鋼絲拉索損傷機理

朱子昂

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400000)

淺析鍍鋅平行鋼絲拉索損傷機理

朱子昂

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400000)

斜拉橋是我國大跨徑橋梁最流行的橋型之一，斜拉橋較大的跨越能力得益于斜拉索將主梁和橋面重量以及可變荷載荷載直接傳遞到主塔上，由此受力機理可知，斜拉索是一座斜拉橋所有構件中的重中之重。索系統由于長期暴露于自然環境中，極易受到腐蝕，鑒于斜拉橋拉索腐蝕的危害性，開展斜拉橋腐蝕損傷機理的研究就很有必要。本文以細觀損傷力學為研究手段，并結合斷裂力學強度準則，論述分析了境腐蝕、應力腐蝕和疲勞腐蝕各自的損傷理論，詳細研究了疲勞腐蝕的特征、現存主要理論及其內在機理，對拉索損傷研究有重要的意義。

鍍鋅;平行鋼絲;拉索損傷機理

一、引言

斜拉橋主要由主梁、索塔、和斜拉索三大部分組成。斜拉索作為斜拉橋的主要承重結構，被人們稱作“生命索”。雖然斜拉橋的跨度在隨著科學技術的進步不停的增大，但是人們對斜拉橋拉索的腐蝕問題了解的卻遠遠不夠深入。目前，在國內外大跨徑斜拉橋中的拉索主要采用平行鍍鋅高強鋼絲拉索，即在拉索表面鍍一層不小于300g/m2的鋅，利用原電池原理延緩鋼絲內部基質的腐蝕。在斜拉索經過若干年的服役期后，由于各種原因進入拉索內部的腐蝕性介質會首先與鋅反應而逐漸消耗鍍鋅層，最終會首先在鍍鋅層薄弱區域接觸到拉索基質鐵，從而進一步腐蝕拉索，造成拉索損傷。

二、基于細觀損傷力學的有效模量分析

細觀損傷一般指孔洞、微裂紋、夾雜物、脆性相等材料內部的不均勻性。對這些影響細觀損傷的成核機制、演化規律以及它們對材料力學行為的影響是損傷力學研究的課題。細觀損傷力學是從材料的細觀結構出發，對受損的微觀機制加以區分，通過物理和機械過程微觀結構變化的研究來了解材料的破壞，并通過體積平均化的方法從細觀分析結果導出材料的宏觀力學性質。細觀損傷力學的研究尺度介于連續介質損傷力學與微觀力學之間，使用連學介質力學和材料力學的一些方法，對上述兩種尺度之間的細觀結構如微孔洞、微裂紋、晶界等進行力學描述。細觀損傷力學一方面忽略了過于復雜的微觀物理損傷，另一方面包含了不同材料的細觀損傷的損傷變量的幾何和物理特征，為損傷變量和演化方程提供了一個更清晰的物理背景的。

平行鋼絲在損傷后其內部表現為晶格間滑移錯動，導致鋼絲某些性能的不均勻性；外部損傷表現為在鋼絲表面存在較多的蝕坑，鋼絲橫截面積減少并損失部分重量。由于鋼絲腐蝕僅會發生在鋼絲表面，故內部的晶格錯動并不會受到外界腐蝕環境的影響；而局部的晶格錯動會導致鋼絲表面電化學性不均勻性，從而會加速鋼絲表面的化學腐蝕。由此可知，宏觀的腐蝕包含了疲勞致損傷，而鋼絲內部的細觀損傷卻僅僅由疲勞應力導致；而鋼絲的宏觀損傷可由一些簡單的實驗觀測手段獲得。因此，把分析鋼絲的表觀損傷作為研究其腐蝕疲勞機理的一種手段合理、可行。

三、環境腐蝕

在腐蝕性介質中，鍍鋅鋼絲的表面層將首先與腐蝕性介質發生氧化還原反應，并最終使所鍍鋅涂層和內部基質中離子的形式與其他物質結合，以產生腐蝕產物，從而改變平行鋼絲的表面形狀和機械性能。拉索的腐蝕都是由最初肉眼不可見得微小點蝕開始的。這些點蝕的形成可分為點蝕的成核和點蝕的生長兩個階段過程。蝕核能夠在光滑的金屬表面形成，更易在含夾雜物、鈍化膜破裂和物質內部晶體缺陷處形成。多數情況下，形成的蝕核長至一定的臨界尺寸(一般孔徑大于30um)時，便會出現宏可見的蝕坑。當介質中含有一定量氯離子，由于存在原電池反應，鋼絲表面鍍鋅層“變薄”點會首先形成點蝕。隨著陽極的金屬介質被不斷腐蝕，最終蝕核發展成蝕坑。鋼絲銹蝕本質上是以金屬為陽極的腐蝕原電池反應。

四、應力腐蝕

應力腐蝕是處于腐蝕環境中的材料在受到持續穩定的應力后產生滯后裂紋甚至滯后斷裂的現象。在單純應力作用下材料處于安全使用狀態，隨著時間的積累，腐蝕程度逐漸嚴重，導致材料的應力集中效應明顯，嚴重降低其安全性能和使用壽命。應力腐蝕是大氣環境中普遍存在的一種損傷失效形態，它具有以下一些特征：

①必須有足夠大的應力參與

②應力腐蝕破裂只有在特定的合金—環境中才會發生，并非任意金屬材料在任何腐蝕環境中都會產生應力腐蝕損傷[43]。

③發生應力腐蝕時，材料的裂紋擴展速度一般在10-3-10-6mm/min范圍，這一速度遠大于沒有應力時的環境腐蝕速度，又遠小于單純的力學因素引起的斷裂速度。

應力腐蝕發生的三個主要理論是：晶粒邊界的優先溶解(即陽極溶解)；晶界吸收氫原子，使晶間結合力下降導致開裂；鈍化膜破膜理論。不過對于高強度合金(如平行鋼絲)，應力腐蝕機理主要為陽極溶解型開裂己被廣泛接受。

五、腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是由交變應力(周期應力)和腐蝕環境的共同作用引起的結構件提前開裂或斷裂失效的現象。拉索的腐蝕疲勞除了具有常規疲勞的特征以外，還具有一些與環境因素相關的特殊性質。影響腐蝕疲勞的眾多因素中，包括冶金、材料、環境、應力、時間、溫度等，其中任何一個因素的變化都會對腐蝕疲勞的結果產生影響。與應力腐蝕和環境腐蝕相比，金屬的腐蝕疲勞沒有環境方面的選擇性，幾乎所有的金屬在任何腐蝕環境中都不可避免地會發生疲勞腐蝕。

腐蝕疲勞的機理根據腐蝕環境的不同可分為氣相腐蝕疲勞機理和液相腐蝕疲勞機理。氣相腐蝕疲勞又稱干腐蝕疲勞，是指在干燥的氣體介質中發生的疲勞現象。液相腐蝕疲勞又稱濕腐蝕疲勞，是指金屬在電解質溶液尤其是在含水的溶液介質中發生的疲勞現象。對腐蝕疲勞過程的認識可以從兩個方面加以理解：一是環境中的腐蝕介質如何加速了裂紋的萌生和擴展；二是循環應力又如何促進腐蝕過程的發展。相關研究也表明循環應力和腐蝕介質對拉索的損傷并不是簡單線性疊加關系，而是存在相互促進的耦合作用。腐蝕介質、交變應力對材料的交互作用在過程各個階段所起作用是不同的。目前對腐蝕疲勞的機理仍有不少爭論，比較流行的觀點是點蝕、選擇性電化學侵蝕、保護膜破裂、介質吸附和氫致開裂等。

六、結束語

斜拉索作為斜拉橋的重要構件，由于長期暴露于自然環境中，加之動態荷載效應的交替作用，必然會產生損傷。而當損傷積累到一定程度時，則會對其它相鄰構件產生影響，威脅斜拉橋結構的安全運營。為了保證斜拉橋結構運營期間的安全，因此有必要對斜拉索腐蝕疲勞損傷機理進行研究，開展腐蝕損傷拉索性能評價方法研究，對于延長拉索使用壽命、改進拉索防腐蝕設計和避免重大安全事故的發生具有重要理論意義與工程應用價值。

[1]王文濤.斜拉橋換索工程[M].人民交通出版社,2006

[2]溫文峰.纜索高強鋼絲腐蝕疲勞性能研究[D].江蘇:河海大學,2008

[3]喬利杰,王燕斌,諸武揚.應力腐蝕機理[M].科學出版社,1993

[4]蘇達根,韓大建,譚哲東等.斜拉橋拉索鋼絲腐蝕失效研究[J].華南理工大學學報:自然科學版,2008(8)

[5]繆長青,孫傳智,陳亮.大跨橋梁纜索構件環境腐蝕當量關系研究[J].水利與建筑工程學報,2010,8(006):5-7

朱子昂(1991-)，男，漢，陜西省西安市，碩士在讀，重慶交通大學土木工程學院，研究方向：橋梁工程。