考慮腐蝕作用對橋梁鋼力學性能的影響研究

摘要：為研究腐蝕作用下橋梁鋼力學性能，文章基于有限元方法，利用ABAQUS軟件建立橋梁鋼模型，通過數值模擬與室內物理試驗相結合的方式，分析腐蝕作用下橋梁鋼的質量損失率以及截面的損失率，并針對相鄰蝕坑之間的半徑、深度、角度和間距對橋梁鋼等效應力的影響進行研究，為鋼橋梁工程建設施工提供參考。

關鍵詞：腐蝕作用；橋梁鋼；有限元；物理試驗

中圖分類號：U445.7+3 A 26 094 3

0 引言

腐蝕性液體的運輸無法避開高速公路，而近些年來腐蝕性液體運輸事故頻發，對橋梁鋼受腐蝕作用下的力學性能提出挑戰［1］。橋梁鋼一旦被腐蝕至斷裂，將會對社會經濟、人民群眾生命財產安全造成巨大損失，因此研究腐蝕作用下的橋梁鋼力學性能迫在眉睫。

近年來，國內外研究學者針對腐蝕作用下普通鋼材力學性能進行大量研究。Krzysztof Woloszyka等［2］建立腐蝕鋼板退化模型，對其進行非線性有限元分析，得出鋼板力學性能下降的主要原因是由于受腐蝕后鋼板表面產生腐蝕差異。Hui Chen等［3］對高強鋼筋展開腐蝕研究，發現高強鋼筋腐蝕作用下其力學性能與應變速率相關，并提出相應折減系數與本構修正模型。而Jie Sheng等［4］對H鋼的腐蝕性能進行研究，通過建立BP神經網絡模型，預測多場耦合下H鋼梁的極限承載力。張宇等［5］對耐候鋼以及高性能鋼腐蝕后的力學性能進行研究，發現在腐蝕作用下兩種鋼材表面易形成穩定蝕坑和銹蝕層，相比而言銹蝕層具有一定強度，萌生的裂紋一般集中于蝕坑部位。在此基礎上，陳爽［6］對橋梁鋼的腐蝕性能開展進一步研究，提出基于深度神經網絡對銹蝕層進行圖像識別。徐善華等［7-9］提出帶中心裂紋銹蝕鋼板的殘余斷裂韌度退化模型，進而更準確地對鋼板退化機理與退化規律進行定性分析。潘典書［10］通過對銹蝕型鋼抗彎性能研究，得出其屈服彎矩、極限彎矩、構件慣性矩三者之間的關系。

然而上述研究主要集中于銹蝕鋼結構力學退化機制，較少涉及腐蝕作用下橋梁鋼力學性能的研究，因此本文基于前人對鋼受腐蝕作用下力學性質的變化，進一步考慮含多蝕坑橋梁鋼力學特征，提出腐蝕作用下橋梁鋼力學響應機制，結合相關物理力學試驗以及有限元分析軟件，為今后鋼橋梁工程的建設施工提供相應依據。

1 橋梁鋼強酸腐蝕試驗

1.1 試驗準備

為研究腐蝕作用下橋梁鋼的物理力學性能，采用某公司所生產的兩種類型的成品橋梁鋼（普通鋼Q345以及耐候鋼Q345）。為保證力學試驗的可靠性，兩者均在恒溫條件下進行加工。表1～2分別為普通鋼Q345以及耐候鋼Q345的化學成分，圖1為橋梁鋼的形狀示意圖。

1.2 試驗設計

將普通鋼Q345以及耐候鋼Q345分別浸泡于36%的鹽酸中，研究浸泡不同時間后橋梁鋼的質量、面積損失率。表3為浸泡時間取值。

1.3 試驗結論分析

通過對腐蝕作用前后的橋梁鋼重量、截面面積等方面進行測量，得出橋梁鋼在不同腐蝕時間下的質量損失率以及截面損失率。圖2～3為經過不同時間后橋梁鋼的質量損失率情況。

由圖2～3可知，質量損失率與腐蝕時間呈非線性上升的趨勢，隨著腐蝕時間的增加，普通橋梁鋼與耐候鋼的質量損失率也不斷升高。可以明顯地發現，在30 h之前，腐蝕率的變化更為明顯，而40 h后質量損失率隨腐蝕時間的變化較為平穩。根據擬合曲線可知，兩種鋼材的腐蝕時間與腐蝕率之間的非線性擬合關系較好，兩者擬合參數R2均＞0.95。根據普通橋梁鋼的質量損失率與耐候鋼的質量損失率的對比可知，在同種腐蝕強度下，普通橋梁鋼的質量損失率要大于后者，導致此原因可能是由于耐候鋼化學成分中含有少量的合金元素，可以改善其耐腐蝕性能。

圖4～5為經過不同時間后橋梁鋼的腐蝕面積變化曲線。

由圖4～5可知，腐蝕面積與腐蝕時間呈非線性下降的趨勢，隨著腐蝕時間的增加，腐蝕后的面積越來越小。根據擬合曲線可知，兩種鋼材的腐蝕時間與腐蝕面積之間的非線性擬合關系較好，兩者擬合參數R2均＞0.93。根據普通橋梁鋼的腐蝕面積與耐候鋼的質量損失率的對比可知，在同種腐蝕強度下，普通橋梁鋼的腐蝕后所剩余的面積要大于后者，導致此結果的原因和上述質量損失率的原因一致。

2 多蝕坑橋梁鋼有限元模型的建立

本節主要考慮腐蝕作用對橋梁鋼力學性能影響，基于ABAQUS有限元數值模擬軟件建立相關模型。圖6～7為ABAQUS有限元軟件建模及分析流程。考慮橋梁鋼架的相互接觸的力學特征，本模型采用Johnson-Cook本構關系，通過該本構關系進行多蝕坑對鋼板延性裂紋萌生的研究，最終提出相應的規律。

ABAQUS中鋼材失效機理的具體形式為：

（1）刪除網格中失效單元。

（2）初始損傷準則。

（3）對未受損鋼材本構進行定義。

（4）損傷發展演化規律。

2.1 細觀參數標定

細觀參數的確定影響著數值模擬結果的準確性，因此如何確定數值模擬中的細觀參數極為關鍵。同時，由于ABAQUS的數值模擬軟件并未給出細觀力學參數與宏觀力學參數之間的定量關系表達式，因此本文根據前人的經驗總結，采用試錯法的方式對不同腐蝕時間下的橋梁鋼彈性模量、屈服應力、應變強化系數、硬化指數n進行參數標定，具體結果如表4～5所示。

2.2 三維模型的建立

本文研究以實際橋梁鋼為基礎，建立簡化的多蝕坑橋梁鋼模型，將CAD建模后導入ABAQUS軟件，如圖8所示。

3 含多蝕坑橋梁鋼Mises等效應力研究

由于含多蝕坑橋梁鋼力學特征相比于單蝕坑橋梁鋼更為復雜，兩個相鄰蝕坑之間會產生相互作用，因此本節探究相鄰蝕坑之間的半徑、深度、角度和間距對等效應力的影響，圖9為中心蝕坑與參考蝕坑位置關系。

3.1 Mises等效應力

將單坑模型的等效應力與雙坑坑底等效應力的比值定義為J。通過研究夾角、間距、半徑、深度改變對J值的影響，可以得出Mises等效應力的作用規律。這4個因素發生改變時J值的變化如圖10所示。

由圖10（a）可知，當其他條件不變時，蝕坑間距的增大，會導致J值的不斷降低，而隨著蝕坑角度的增大，J值也會不斷增加。

由圖10（b）可知，J值會隨著蝕坑夾角的增大而增大，但幅度相對較小，當蝕坑間距＜3 mm時，J值受夾角影響較為明顯。

由圖10（c）可知，隨著蝕坑半徑的增加，J值在不斷減小，當蝕坑半徑相同時，隨著蝕坑間距的增加，J值在不斷減小。

由圖10（d）可知，隨著蝕坑深度的增加，J值在不斷減小，當蝕坑深度相同時，隨著蝕坑半徑的增加，J值在不斷減小。

4 結語

本文通過對腐蝕作用下橋梁鋼力學性能影響進行研究，采用室內物理力學試驗以及有限元數值模擬軟件ABAQUS，分析腐蝕作用下橋梁鋼的質量損失率以及截面的損失率，并針對相鄰蝕坑之間的半徑、深度、角度和間距對等效力的影響進行研究，提出不同條件下多蝕坑橋梁鋼Mises等效應力變化特征，為今后鋼橋梁工程的建設施工提供相應依據。本文得到如下主要結論：

（1）質量損失率與腐蝕時間呈非線性上升的趨勢，隨著腐蝕時間的增加，普通橋梁鋼與耐候鋼的質量損失率也不斷升高。在同種腐蝕強度下，普通橋梁鋼的質量損失率要大于后者，導致此原因可能是由于耐候鋼化學成分中含有少量的合金元素，進而改善了其耐腐蝕性能。

（2）腐蝕面積與腐蝕時間呈非線性下降的趨勢，隨著腐蝕時間的增加，腐蝕后的面積越來越小。

（3）蝕坑間距的增大，會導致J值的不斷降低，而隨著蝕坑角度的增大，J值也會不斷增加。J值會隨著蝕坑夾角的增大而增大，但幅度相對較小，當蝕坑間距＜3 mm時，J值受夾角影響較為明顯。

（4）隨著蝕坑半徑的增加，J值在不斷減小，當蝕坑半徑相同時，隨著蝕坑間距的增加，J值在不斷減小。隨著蝕坑深度的增加，J值在不斷減小，當蝕坑深度相同時，隨著蝕坑半徑的增加，J值在不斷減小。

參考文獻

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收稿日期：2022-12-10