基于試驗(yàn)的銹蝕橋梁鋼構(gòu)件疲勞評(píng)估方法

林照遠(yuǎn)

(1.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系,上海 200092; 2.上海船舶工藝研究所,上海 200032)

0 引 言

自19世紀(jì)初,歐洲建成鏈桿懸索橋以來(lái),由于冶煉技術(shù)的發(fā)展及交通需求的增加,鋼結(jié)構(gòu)橋梁獲得了極大發(fā)展,許多大都市內(nèi)至今保有著早期鋼橋。

然而,由于管理者們對(duì)鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的危害性重視不足且橋梁防蝕技術(shù)手段落后,這些城市發(fā)展變遷的見(jiàn)證物均出現(xiàn)了不同程度的銹蝕問(wèn)題。2007年美國(guó)明尼蘇達(dá)州I-35w橋倒塌導(dǎo)致了13人死亡,40余輛車墜落密西西比河的慘劇,事后人們才發(fā)現(xiàn)該橋上積累的鳥(niǎo)糞加速了鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕,是該災(zāi)難的幫兇。

對(duì)那些長(zhǎng)期甚至是超期服役的鋼橋來(lái)說(shuō),疲勞和銹蝕是其結(jié)構(gòu)安全的主要影響因素。疲勞病害的最初研究是由德國(guó)工程師W.A.J.Albert于1829年前后完成的,隨著研究的深入,人們逐步認(rèn)識(shí)到了疲勞破壞的規(guī)律。Wohler.A提出了利用S-N曲線描述疲勞行為的方法[1];Miner.M.A提出了著名的疲勞線性累積損傷理論[2],Fisher.J.W則發(fā)展了疲勞細(xì)節(jié)分級(jí)方法[3]。這些研究已被應(yīng)用于老鋼橋的疲勞評(píng)定中[4-5]。然而,在世界范圍內(nèi)涉及鋼橋銹蝕病害的研究都很少,已有研究通常忽略銹蝕對(duì)鋼構(gòu)件應(yīng)力集中的影響[6～8],且這些研究關(guān)注的重點(diǎn)是鋼構(gòu)件的剩余強(qiáng)度[9]或是銹蝕分布形態(tài)[10],可資借鑒的文獻(xiàn)[11]尚無(wú)法滿足銹蝕鋼橋疲勞評(píng)估的要求。

1 依托工程背景

上海市浙江路橋座落于蘇州河上,迄今已有過(guò)百年的歷史。它是世界上僅存的幾座簡(jiǎn)支魚(yú)腹式鉚接鋼桁梁橋之一,由于外形獨(dú)特,年代久遠(yuǎn),被列為文物保護(hù)對(duì)象。在環(huán)境、荷載等對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期侵蝕與作用下,加之結(jié)構(gòu)的自然退化,該橋鋼構(gòu)件出現(xiàn)了不同程度的銹蝕,特別是其下弦構(gòu)件銹蝕程度較高。為此管理部門(mén)及時(shí)啟動(dòng)了橋梁大修工程,為了盡可能的維持結(jié)構(gòu)原有風(fēng)貌,并降低工程造價(jià),在大修前對(duì)結(jié)構(gòu)上的銹蝕構(gòu)件進(jìn)行疲勞評(píng)估,在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,盡可能地保留橋梁原始構(gòu)件。圖1示意了浙江路橋的結(jié)構(gòu)形狀,以及在之前評(píng)估中判定需要更換的構(gòu)件和本次疲勞評(píng)估中需要考慮銹蝕影響的構(gòu)件。

由圖1可知,在本次浙江路橋評(píng)估開(kāi)始前,已有許多構(gòu)件在之前的評(píng)估中明確需要拆除,因此考慮對(duì)已拆除構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的方式推測(cè)待評(píng)估構(gòu)件的疲勞抗力。具體步驟如下:

(1) 選取銹蝕構(gòu)件并加工成試驗(yàn)樣件。

(2) 確定疲勞荷載,記錄試件疲勞壽命。

(3) 研究銹蝕構(gòu)件的疲勞壽命隨銹蝕程度變化的規(guī)律,確定銹蝕構(gòu)件的疲勞壽命評(píng)估方法。

(4) 實(shí)施疲勞壽命評(píng)估。

圖1 浙江路橋及節(jié)點(diǎn)編號(hào) Fig.1 Zhejiang Rd.Bridge and its node number

2 試驗(yàn)研究

2.1 試件選取

浙江路橋已使用超過(guò)百年,待評(píng)估構(gòu)件已累積一定程度的疲勞損傷,選取試件時(shí)必須考慮這一影響因素。通過(guò)對(duì)之前的評(píng)估報(bào)告分析,浙江路橋的吊桿疲勞壽命最短,縱梁與橫梁的疲勞壽命次之,而主桁弦桿及腹桿的疲勞壽命最高,因此在試驗(yàn)中選擇疲勞損傷略大于帶評(píng)定構(gòu)件的縱梁腹板制作試件,如圖2所示。加工試件時(shí),應(yīng)使銹蝕最嚴(yán)重截面落于試驗(yàn)中段,且使試件受力方向平行軋制方向。

2.2 疲勞試驗(yàn)

采用Zwick5100疲勞機(jī)按正弦曲線進(jìn)行疲勞加載,試驗(yàn)應(yīng)力比設(shè)為R=0.1,疲勞荷載峰值和谷值經(jīng)過(guò)多次預(yù)試驗(yàn),最終確定為14 kN和1.4 kN。

試驗(yàn)前利用測(cè)深規(guī)測(cè)量試件的最大蝕坑深度,與試件的設(shè)計(jì)板厚之比,記為失厚率ρt。試驗(yàn)后記錄試件的疲勞壽命,試驗(yàn)結(jié)果列于表1中,由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn),在同等加載條件下,試件的疲勞壽命隨著銹蝕程度增加而降低。

2.3 疲勞評(píng)估模型

本次疲勞試驗(yàn)所用試件對(duì)應(yīng)于歐洲規(guī)范Eurocode( prEn1993-1-9:2003)中的疲勞細(xì)節(jié)140,而試驗(yàn)中加載時(shí)疲勞應(yīng)力幅為105 MPa,為便于分析,采用等疲勞損傷的原則將表1中的疲勞壽命按應(yīng)力幅140 MPa進(jìn)行折算,并將最終結(jié)果繪于圖3中。由圖可見(jiàn),浙江路橋鋼材的疲勞強(qiáng)度較高,在已累積百余年疲勞損傷且存在銹蝕的前提下,構(gòu)件的平均疲勞強(qiáng)度仍較高,其對(duì)應(yīng)于30%失厚率構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度達(dá)到2×106次。

圖2 浙江路橋銹蝕鋼縱梁及取樣位置示意Fig.2 Corroded steel girder of Zhejiang Rd.Bridge and sampling position

表1 銹蝕試件的失厚率Table 1 Thickness loss rate of corroded specimen

圖3 銹蝕試件的疲勞壽命及其擬合曲線Fig.3 Load cycles-ρt plots and fitting curve

為描述疲勞抗力隨銹蝕程度變化的規(guī)律,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果偏保守地人為規(guī)定一條曲線(圖3中粗實(shí)線所示),曲線下端對(duì)應(yīng)于構(gòu)件無(wú)銹蝕的情況,與歐洲規(guī)范相對(duì)應(yīng),按照疲勞細(xì)節(jié)的定義,選擇所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)2×106次,曲線上端對(duì)應(yīng)于失厚率達(dá)65%的情況。此時(shí),對(duì)應(yīng)于140 MPa的疲勞壽命為104次。失厚率更高的情況在工程上已失去意義,為此不予考慮。

由以上分析,可得到構(gòu)件在140 MPa應(yīng)力幅作用下的疲勞壽命公式:

ρt=-28.248 lgN+177.993

(1)

根據(jù)式(1),構(gòu)件銹蝕后在其對(duì)應(yīng)于歐洲規(guī)范疲勞細(xì)節(jié)下的壽命為:

(2)

如果假設(shè)對(duì)所有疲勞細(xì)節(jié),式(2)均成立,則結(jié)合式(2)和歐洲規(guī)范的疲勞曲線公式,可算得等效疲勞細(xì)節(jié):

(3)

3 疲勞壽命評(píng)估

3.1 交通荷載模擬

為評(píng)估浙江路橋的壽命,應(yīng)首先進(jìn)行交通調(diào)查并對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行參數(shù)評(píng)估,確定車重、軸距、車頭間距等關(guān)鍵車輛參數(shù)的概率分布,在此基礎(chǔ)上應(yīng)用Monte-Carlo方法產(chǎn)生虛擬車流,并通過(guò)影響線加載得到待評(píng)估桿件的應(yīng)力歷程,進(jìn)而應(yīng)用雨流法計(jì)數(shù)得到應(yīng)力譜,該方法并非本文研究的重點(diǎn),可參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)的介紹[12]。

3.2 病害檢測(cè)

利用浙江路橋大修機(jī)會(huì)對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行細(xì)致的病害檢測(cè),并對(duì)發(fā)現(xiàn)銹蝕的構(gòu)件進(jìn)一步利用測(cè)深規(guī)及游標(biāo)卡尺測(cè)量構(gòu)件的失厚率,實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)浙江路橋下弦桿銹蝕主要發(fā)生在綴條與桿件翼緣角鋼接觸面上,在這些部位存在大面積蝕坑,最大銹蝕深度大約可達(dá)2 mm,偏保守地都取2 mm,如圖4所示。由此可算得U6L6、 U0M1、 U5L6構(gòu)件失厚率分別為14.0%、12.6%、15.7%,而弦桿鉚釘結(jié)構(gòu)在未銹蝕時(shí)的疲勞細(xì)節(jié)為71 MPa,因此,考慮銹蝕的條件下的等效疲勞細(xì)節(jié)分別為39.7 MPa、42.1 MPa、37.0 MPa 。

圖4 桿件蝕坑照片F(xiàn)ig.4 Photo of steel member corrosion pit

3.3 評(píng)估分析

本次浙江路橋大修工程的設(shè)計(jì)目標(biāo)是繼續(xù)按現(xiàn)有交通狀況正常運(yùn)營(yíng)50年,因此模擬50年交通荷載作用下構(gòu)件的應(yīng)力譜,將主要待評(píng)估桿件的應(yīng)力譜與其疲勞曲線繪于圖5中,可見(jiàn)現(xiàn)有評(píng)估桿件均可滿足使用要求。

4 結(jié) 論

本文以浙江路橋?yàn)槔?通過(guò)對(duì)銹蝕鋼構(gòu)件失厚率和疲勞壽命研究,可得出如下結(jié)論:

(1) 銹蝕失厚率ρt越大,則疲勞壽命N越低,且前者與后者的對(duì)數(shù)成負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

圖5 吊桿應(yīng)力譜及疲勞評(píng)估Fig.5 Stress spectrum and fatigue evaluation of hanger

(2) 在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出了偏保守的疲勞壽命折減計(jì)算規(guī)則以及計(jì)算銹蝕構(gòu)件等效疲勞細(xì)節(jié)的方法。

(3) 由等效疲勞細(xì)節(jié)及疲勞強(qiáng)度曲線,根據(jù)Miner準(zhǔn)則可以偏保守地預(yù)測(cè)銹蝕鋼構(gòu)件的疲勞壽命。

受依托工程工期、試件來(lái)源以及研究資金的限制,本項(xiàng)研究未能比較板厚、材質(zhì)、疲勞細(xì)節(jié)、腐蝕環(huán)境對(duì)銹蝕構(gòu)件疲勞壽命的影響,因此研究結(jié)果僅應(yīng)用于浙江路橋大修工程。為進(jìn)一步驗(yàn)證本疲勞評(píng)估方法的可行性,有必要再后續(xù)研究工作中進(jìn)一步擴(kuò)大試驗(yàn)范圍,提高本方法的適用范圍。

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