基于MIDAS的大跨度拱橋吊索節點力學性能試驗研究

郭棉明,景 慧,路衛兵

（中國長江三峽集團有限公司,湖北 宜昌 443133）

0 引言

隨著橋梁服役時間的增長，吊索病害問題愈發突出，其腐蝕、磨損及疲勞問題關系著橋梁的安全。中下承式拱橋的吊索處在主梁、立柱與拱肋交接處的特殊位置，節點域在荷載作用下受力、分析較為復雜，目前常采用試驗分析和有限元法相結合的方法評定吊索節點工作性能。有限元數值分析方法常常作為試驗的有力補充，將相關計算構件作為一個整體模擬，能夠在結構的安全、穩定性等方面起到重要的數據支撐作用，在很多大型工程中得到成功的應用[1]。

1 工程概況

該研究依托一座全長341.87 m、主橋為（48.3+121+48.3）m三跨懸臂鋼管混凝土拱橋開展吊索損傷退化以及橋梁安全性能研究。該橋梁目前運營已超20年，距長江約150 m，河床寬約200 m。橋梁布置圖見圖1。該橋共有72對吊索，結構上在預應力橫梁梁端各設置兩根吊索，吊索上端穿過拱肋預埋鋼管，在拱肋頂部用84φ5DM型錨具錨固，下端穿過預應力橫梁兩端預留孔后，采用DM錨具錨固于梁端底面。吊索外露部分采用玻璃絲布包裹瀝青、外設鋼絲網水泥，鐵皮防護罩的防護措施，吊索穿過拱肋及橫梁部分采用壓注水泥漿方式封固。吊索采用85φ5高強鋼絲束，吊索抗拉強度標準值為1 570 MPa，公稱破斷索力2 620 kN，外徑68 mm，截面面積1 668 mm2。鋼絲公稱直徑為5 mm，公稱截面積19.6 mm2。以該拱橋更換下來的吊索鋼絲作為樣本試樣，通過靜力拉伸試驗和疲勞試驗等研究了其殘余力學性能、疲勞壽命及影響因素，并建立大橋有限元模型，進行了吊索腐蝕-磨損耦合疲勞機理及壽命評估方法研究。

圖1 橋梁總體布置圖

2 試樣選擇與試驗方法

為便于歸納吊索病害特點，將吊索劃分為三個區段：上錨固區、索體和下錨固區，并對這三個區段進行抽樣檢測。對吊索及鋼絲進行編號，編號從YC方向往SP方向編號，例如：3A，即為大橋從YC往SP方向第3個吊點第1根吊索。錨頭編號在吊桿編號基礎上標注“上”（上錨固區）“下”（下錨固區）。鋼絲編號，以從上到下，從左向右的原則進行編號。例如3A-10，即3A編號吊桿，從上面第一層開始數，然后按照從左向右進行編號的第10根鋼絲。

選取大橋通行車輛荷載較大、吊索受力最不利的工況下的舊吊索樣本3A、5A、11B中間段進行破斷力及伸長率測試，試驗采用LEM-5000型500t靜載錨固試驗機進行。按照《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件》規范要求，對1A、3A、5A近錨段進行鋼絲的截面銹蝕率測量、力學及疲勞性能試驗，試驗采用UTM5105型10t微機伺服控制萬能試驗機和YYU-25/250型電子引伸計進行。試驗內容包括鋼絲抗拉強度、彈性模量及斷后伸長率。從每根已完成外觀檢查及銹蝕率測量的吊桿試樣中挑選3根銹蝕較嚴重的鋼絲制作成鋼絲力學性能試樣，參照《金屬材料拉伸試驗第1部分室溫試驗方法》進行拉伸破壞試驗；鋼絲的拉伸試驗按GB/T 228.1—2010的規定進行，根據《金屬材料彈性模量和泊松比試驗方法》（GB/T 22315—2008）規范計算彈性模量；鋼絲斷后伸長率A根據《金屬材料拉伸試驗第1部分室溫試驗方法》（GB/T228.1—2010）；試驗采用JAW-500K/4型微機控制電液伺服雙通道加載結構試驗系統專用軟件全程自動控制，從樣品鋼絲截取長度為50 mm的鋼絲，參照《預應力混凝土用鋼絲》（GB/T 5223—2014）內疲勞試驗設置試驗；對4A、5A、9A、11B上、下共計8個錨頭解剖檢查錨頭銹蝕情況。

3 結果與分析

3.1 鋼絲銹蝕

通過對吊索銹蝕檢測結果研究后發現，吊索防護套纖維增強聚酯帶老化嚴重，每根吊索銹蝕嚴重處出現在纖維增強帶與鋼絲接觸處。吊索下部的鋼絲束表面均有不同程度的白銹和紅繡，表明鋼絲表面局部鍍鋅層發生了氧化還原反應，鍍鋅層耗盡后，露出的鋼絲與腐蝕介質接觸發生銹蝕，表面形成氧化物或者氫氧化物薄膜，最終轉化成鐵氧化物的紅棕色易碎層。使用砂紙打磨掉后，觀察到所有樣本外層鋼絲存在點蝕、銹坑現象，蝕坑鋼絲占總樣本的5.5%。表明樣本鋼絲被腐蝕過程中，鍍鋅鈍化膜覆蓋的鋼絲表面有活化陰離子在缺陷處局部富集，促使了陽極反應，而氧化劑的存在又促進陰極反應，由此產生點蝕。點蝕可導致應力腐蝕裂紋[2-3]，且應力腐蝕裂紋源于點蝕坑底應力集中處，是影響鋼絲疲勞性能甚至斷裂的重要因素。外層和中層鋼絲束的鋼絲間存在相互磨損，部分表面磨痕顯著，甚至出現了中層鋼絲斷裂現象。綜合該橋吊索受力和運動情況可知，吊索的此類病害是銹蝕-磨損耦合疲勞作用導致的。

3.2 鋼絲力學性能

抽樣6根吊索510根鋼絲截面未削弱處直徑介于4.95～5.06 mm，滿足《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件》（GB/T 18365—2001）4.5.1.6中表1中5 mm鋼絲直徑允許偏差±0.06 mm的規定。截面損失率介于2%～13%，有蝕坑的鋼絲截面最大減少到87%。

鋼絲力學性能數據結果如表1所示，鋼絲應力應變曲線顯示鋼絲存在明顯的上、下屈服現象。在屈服平臺上，所有樣本鋼絲之間拉伸強度相比變化不大，但是彈性模量區間出現顯著下降，但仍滿足《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索》（GB/T18365—2018）中第5.2.1.3節“鋼絲彈性模量應符合（2.0±0.1）×105MPa”規范要求。斷面伸長率有影響但不明顯，斷面伸長率反映的是鋼絲在斷裂時發生的塑性變形能力。表明銹蝕導致的鋼絲截面積缺損未改變鋼絲未銹蝕部分的材質，鋼絲銹蝕損傷已經從完好-鍍鋅層銹蝕-均勻腐蝕階段過渡到蝕坑損傷-腐蝕疲勞損傷-應力腐蝕損傷階段[4]。鋼絲表面的蝕坑不僅改變了鋼絲的幾何形狀及表面粗糙度凹凸不平，還導致局部應力集中，使得塑性發展不均勻，導致鋼絲延展性下降、力學性能降低。

表 1 吊索鋼絲力學性能試驗結果

3.3 鋼絲疲勞性能

疲勞壽命試驗結果如表1所示，3個樣本鋼絲疲勞斷裂時循環次數為96.7萬次、80.4萬次、68.6萬次，均小于200萬次，不滿足《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索》（GB/T18365—2018）中第5.2.1.2節規范中疲勞性能的要求。鋼絲在疲勞試驗過程中，均為突然地脆斷，且時間和位置具有隨機性。細觀疲勞試樣鋼絲斷裂部位，斷面無明顯的塑性變形，斷口平直，呈現有光澤的晶粒狀。這可能是點蝕導致裂紋形成的。疲勞損傷時，循環應力引起的微區金屬反復滑移以及腐蝕介質與金屬通過電化學反應引起的腐蝕損傷，二者之間相互作用，相互促進。銹蝕鋼絲在交變荷載合作用下塑性降低，脆性增強。發生腐蝕-疲勞的鋼絲在點蝕發展成裂紋后產生韌-脆轉化，符合Griffith 破斷強度理論[5]。

3.4 錨頭檢測

選取4A-上錨頭、4A-下錨頭、5A-上錨頭、5A-下錨頭、9A-上錨頭、9A-下錨頭、11B-上錨頭、11B-下錨頭共計8個錨頭，解剖后進行外觀檢查，檢測結果發現，錨頭整體及鋼絲鐓頭均存在輕微銹蝕現象，這可能是吊索結構原因導致了錨固區積水形成了濕氣誘發鋼絲腐蝕造成。DM錨頭解剖后有5～49根鋼絲脫落，31～79根鋼絲松動滑移，8個錨頭整體及鋼絲鐓頭均存在輕微銹蝕現象，DM錨具解剖后，鋼絲可以從錨具里脫落及松動滑移屬正?，F象。

3.5 吊索破斷力

對3A、5A、11B共3根吊索進行破斷力及伸長率測試。測試結果如表2所示，3根吊索破斷力介于2 829.5～2 848.7 kN，均滿足《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件》（GB/T18365—2001）中85φ5的高強鋼絲束公稱破斷索力2 620 kN的技術要求。實測安全系數介于2.70～2.72，均大于《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件》（GB/T18365—2001）中設計索力安全系數2.5。3根吊索的伸長率介于2.6%～4.2%，均滿足《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索》（GB/T18365—2018）第5.3.2節大于等于2%的技術要求。吊索斷面損失率介于0.2%～2.4%。假定橋梁吊索力等于吊索所有的鋼絲力之和，試驗數據表明吊索破斷力與85根鋼絲的強度檢測結果相吻合。鑒于每根鋼絲的極限應變不同，抗拉強度也不同，鋼絲強度由最弱截面控制。當鋼絲的應變達到極限應變后便突然斷裂，然后其力按斷絲前比例或均勻分擔給剩余鋼絲，直至下一根鋼絲斷裂。如此往復，直到索力達到極限值。

表2 吊索破斷力試驗結果

4 計算模型與荷載組合

采用MIDAS CIVIL軟件建立了全橋模型，采用板單元模擬橋面系，桁架單元模擬吊桿，梁單元模擬主桁架結構、橋面橫梁及橫向聯結系。整體結構共計1 907個節點，2 104個單元。模型如圖2所示。

圖2 全橋整體模型

考慮恒荷載、汽車荷載、（1.2恒+1.4汽）三種荷載工況下，對吊索索力進行分析，并計算索力的安全系數，如表3。

表3 吊索承載能力檢算結果

由表3吊索承載能力結果可知，吊索索力在最不利荷載（1.2橫+1.4汽）工況下，吊桿的索力最大值為770.6 kN，安全系數為3.4。結合吊索破斷力試驗、歷年橋梁養護動載運行數據，以及模擬計算結果綜合分析，得出吊索在最不利荷載工況下，橋梁結構仍然在設計規范安全值之內。

5 結論

通過實橋試驗方法得到了大橋服役20年吊索的力學性能和疲勞壽命，探討了吊索損傷退化的可能原因。通過吊索破斷力試驗和有限元分析，探討了吊索在各種工況下橋梁的安全可靠性。該橋吊索鋼絲當前已處于蝕坑損傷-腐蝕疲勞階段，但吊索在最不利工況（1.2恒+1.4汽）下，由于橋梁運行維護正常，雖然投入運行已超過二十年，但橋梁結構計算及測試結果仍然在設計規范范圍，仍然具有一定的安全可靠性?？紤]將吊索系統索體和下錨固區各作為一個退化組件建立可靠性串聯模型，進行多狀態服役可靠性和安全風險動態評估是可行的。