吊桿鋼絲損傷檢測及剩余疲勞壽命試驗研究

中圖分類號：U443 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）20-0089-05

Abstract：Thispapertakestheold boomunderthereplacementof Heishipu XiangjiangBridgeastheresearchobject，and analyzestheremainingfatiguelifeoftheboombyonthesteewiredamageinspection，statictensiletestandfatiguetestresults. Theresultsshowthattheresiduallifeofgrade3andgrade4corrodedsteelwireisreduedmore，andtheresidualfatiguelife of steel wire with rust grade 4 has been reduced by 20% .Parisformula is used to quantitatively introduce the theoretical residualfatiguelifeoffracturesteelwire.Thetheoreticalfatiguelifevalueagreeswellwiththetestfatiguelifevalue.Inthe actual testitems，theresidual fatigue lifeofcorosionstelwirecanbeevaluatedbymeasuringthecorosionpitparameters.

Keywords：bridge engineering；suspender; corrosion clasification； fatigue life；remaining life

吊桿作為拱橋連接拱肋與橋面系的主要受理構件，吊桿的使用狀態直接影響到橋梁的運行安全和使用壽命。拱橋吊桿的設計年限為30年，但是因吊桿材料耐久性不佳或橋梁運營、養護缺乏科學的管理，隨著服役時間的增加，吊桿損傷將會不斷積累，病害程度持續惡化，導致承載能力下降、性能劣化，部分拱橋吊桿未達到設計使用年限就因銹蝕而失效，嚴重的甚至會引起橋梁垮塌，吊桿的使用年限遠低于其使用壽命。現有研究表明，吊桿內部鋼絲的力學性能在腐蝕疲勞耦合作用下急劇退化，嚴重威脅拱橋安全[。對吊桿進行銹蝕損傷檢測，科學分析疲勞損傷壽命是有重要意義的。

鋼絲的腐蝕類型可以分成局部腐蝕和均勻腐蝕2種，而局部腐蝕中的點蝕蝕坑對鋼絲的使用壽命影響最為嚴重。為研究銹蝕對高強鋼絲力學性能及疲勞損傷壽命的影響，一般借助室內加速腐蝕試驗、靜力拉伸試驗等試驗手段實現，

蘭成明等對服役18年的腐蝕斜拉索鋼絲進行腐蝕疲勞性能試驗，得出結論鋼絲受腐蝕會嚴重縮減斜拉索的疲勞壽命。Zheng等以某拱橋上服役13年的吊桿中的腐蝕高強鋼絲為研究對象，通過疲勞試驗得到了腐蝕鋼絲的力學特性和斷裂特征，結果表明腐蝕鋼絲的延性隨腐蝕程度的增加而急劇下降，點蝕尺寸與疲勞壽命之間的負相關性會隨著應力范圍的增大而減弱。王瑞雪通過研究吊索鋼絲腐蝕情況及腐蝕速率，提出鋼絲腐蝕疲勞壽命的計算公式。

本文以2004年建成通車的黑石鋪湘江特大橋更換下的2根舊吊桿鋼絲為研究對象，通過檢測鋼絲銹蝕損傷情況，結合靜力拉伸試驗及疲勞試驗，合理評估鋼絲在已經出現腐蝕情況下吊桿鋼絲剩余疲勞壽命，以便進一步確定其剩余安全使用壽命，提出具有針對性的管養措施。

1 工程背景

長沙黑石鋪湘江大橋主橋主孔為三不等跨中承式鋼管混凝土拱橋（ 144m （凈跨徑） +162m （凈跨徑） + 144m （凈跨徑）），全橋共設57對114根吊桿，順橋向標準間距 600cm ，橫橋向間距 2850cm ，采用PES7-109平行鋼絲成品拉索，外包雙層PE防腐，最外層為白色PE，鋼絲采用 Φ7 鍍鋅鋼絲，其標準強度為 1670MPa 兩端配冷鑄墩頭錨，錨具型號為PESM7-109，上端為張拉端，在拱上張拉，下端為錨固端，錨于鋼橫梁內。主孔橋型布置示意圖如圖1所示。

黑石鋪湘江大橋于1999年10月開工建設，2002年12月完成橋梁主體結構施工，2004年3月投入正式運營。針對黑石鋪湘江大橋的檢測顯示吊桿存在如下較嚴重的病害，考慮到中承式拱橋的吊桿受沖擊力較大，易疲勞損壞，其下錨頭部位工作環境復雜，易被污水、油污侵蝕發生銹蝕現象；而吊桿下錨頭區段難以進行日常檢測維護，無法判斷吊桿損傷情況，存在極大安全隱患，因此更換較為嚴重的2根吊桿，進行檢測分析。

2 鋼絲損傷檢查

2.1 鋼絲損傷情況

鋼絲銹蝕是導致吊桿鋼絲在運營中發生斷裂的重要原因之一，是吊桿承載力和使用壽命降低的直接原因，是影響吊桿運營安全的重大威脅。為了了解吊桿鋼絲在縱向各斷面的銹蝕狀況，對全橋吊桿的使用狀態進行評價，換下2根吊桿進行解剖檢查，以判斷吊桿的銹蝕現狀，決定吊桿及全橋的維修使用方案。卸下的2根吊桿鋼絲均已出現不同程度的銹蝕。舊吊桿鋼護筒與PE護套間連接段的防護缺陷導致了局部鋼絲出現了嚴重銹蝕，鋼絲在下錨頭鋼護筒端部的部位嚴重銹蝕，距鋼護筒 2.5m 范圍內上側PE護套內鋼絲銹蝕嚴重（圖2）;距鋼護筒 2.5～4.0m 范圍內PE護套內鋼絲銹蝕程度逐漸變輕；距鋼護筒超過 4.0m 的中間索段內的鋼絲完好，基本無銹蝕；而上錨頭區段內鋼絲基本未發生銹蝕。

吊桿內的鋼絲束在制作過程中存在一定的角度，并不是完全平行的，在約束位置或車輛動荷載作用下吊桿可能發生橫向微振動，導致內部鋼絲之間產生動摩擦，長期以往會對鋼絲產生明顯的摩擦損傷。 1^# 吊桿上、下錨頭段出現少量、輕微摩擦損傷，中間段因位于與拱段鋼護筒下出口擠壓處出現大量、明顯摩擦損傷。 2^# 吊桿上錨頭段、中間段未見摩擦損傷，下錨頭段出現少量、輕微損傷（圖3）。

2.2 鋼絲損傷程度

鋼絲銹蝕程度直接影響吊桿整體承載能力，對橋梁安全運營至關重要，因此分析吊桿承載能力及疲勞壽命必須對鋼絲銹蝕程度進行評定。點蝕蝕坑是影響鋼絲剩余疲勞壽命的重要參數，其數據對于進行腐蝕鋼絲剩余壽命的理論分析具有重要的作用。

選取 1^# 吊桿和 2^# 吊桿的下錨頭連接段發生嚴重銹蝕的鋼絲作為分析樣本，通過目測的方法，觀察鋼絲表面鍍鋅層清晰完好程度及表面銹斑面積，根據文獻[5]鋼絲銹蝕程度等級分類，本次更換下舊吊桿存在鋼絲銹蝕0一4類，0類為鋼絲表面鍍鋅層清晰完好，不存在銹蝕。

從目前的1一4類銹蝕等級的樣本鋼絲中各選取6＼～8根，進行表面酸洗、中和，去除銹蝕物后，利用工業顯微鏡對鋼絲表面的蝕坑進行拍照測繪（圖4），統計腐蝕鋼絲樣本具體典型蝕坑形狀參數見表1。

對銹蝕鋼絲進行分級數量統計，得到 1^# 吊桿下錨頭和 2^# 吊桿下錨頭鋼護筒端部截面鋼絲銹蝕分布情況（圖5）。在密封壓環位置的裸露鋼絲銹蝕最為嚴重，銹蝕嚴重區域與吊桿連接段的防護漏洞剛好吻合。鋼絲在最外層銹蝕最嚴重，里層的鋼絲銹蝕程度相對較輕，鋼絲未出現斷裂現象。

3 損傷鋼絲試驗研究

3.1腐蝕鋼絲軸向拉伸試驗

為了檢驗斜拉索鋼絲銹蝕與承載能力的關系，需要對銹蝕的鋼絲進行拉伸性能試驗。通過上節的銹蝕程度分級，選取相應等級的鋼絲進行拉伸試驗。每組試樣4根，每根長度 400mm ，采用WAW-600電液伺服萬能試驗機進行加載。鋼絲規格： Φ7-1670 ，根據GB/T17101—2019《橋梁纜索用熱鍍鋅或鋅鋁合金鋼絲》計算的公稱破斷力 64.295kN 。

實驗按規范GB/T228.1—2021《金屬材料拉伸試驗第1部分室溫試驗方法》進行，試驗時，將鋼絲試件夾持于萬能試驗機夾頭中，開始緩慢加載，拉伸試驗過程中，在鋼絲達到屈服前，應力增加速度為1kgf/mm²/s（10MPa/s） 。鋼絲屈服后，萬能試驗機活動夾頭移動速度不得大于每分鐘 0.5L，L 為平行段的長度。對于斷后標距的測量應遵從如下規則，將試件拉斷后的2段在斷裂處緊密對接起來，盡量使其軸線位于一條直線上。鋼絲斷裂處，由于其他原因造成的縫隙，對接時無法閉合，則將此縫隙長度一并計入試樣標距拉斷后的總長度。腐蝕鋼絲軸向拉伸斷后形貌如圖6所示。不同腐蝕等級鋼絲的拉伸破斷試驗結果匯總至表2。

由表2不同類銹蝕等級鋼絲拉伸實驗結果可以得到如下結論。

1）鋼絲的銹蝕等級達到4類后，銹蝕鋼絲的靜力破斷力與規范要求值相比明顯下降，試驗樣本破斷力平均值降低率為 6.5% ，個別樣本鋼絲延伸率小于理論要求值，說明鋼絲的腐蝕等級達到4類后，對鋼絲的靜力學性能明顯影響。

2）鋼絲的銹蝕等級達到3類時，銹蝕鋼絲的靜力破斷力均值小于規范要求值，但破斷力平均降低率為0.9% ，說明對鋼絲的靜力學性能影響不明顯。

3）1類和2類鋼絲的破斷力及抗拉強度以及延伸率均高于理論值，滿足鋼絲的性能要求，說明1、2類鋼絲的銹蝕只發生在鋼絲的表面，未對鋼絲的靜力學性能產生影響。

3.2 腐蝕鋼絲疲勞試驗

基于現有研究結果，當腐蝕等級低于2類的情況下，疲勞壽命損失不明顯。因此，從舊吊桿腐蝕鋼絲中2-3類銹蝕等級鋼絲中各選取6根樣本鋼絲，4類銹蝕等級鋼絲選取5根鋼絲樣本，利用PMW800-2000電液式脈動疲勞試驗機進行銹蝕鋼絲的疲勞試驗研究。按照設計文件，疲勞試驗加裝的應力幅值 200MPa （0.12σ） ，應力峰值 660MPa（0.40σ） ，對試驗樣本鋼絲進行了200萬次疲勞加載試驗。通過疲勞試驗，共計9根鋼絲在加載到200萬次循環荷載前發生了斷裂，其中4類銹蝕程度的鋼絲均發生斷裂（圖6）。

由表3各銹蝕等級鋼絲疲勞實驗斷裂鋼絲的分析結果可以得到如下結論。

1）2類銹蝕等級鋼絲在疲勞試驗中未出現斷裂，說明1、2類銹蝕等級鋼絲的剩余疲勞壽命能滿足設計要求。

2）3類銹蝕等級鋼絲在疲勞試驗中出現4根樣本鋼絲斷裂，斷裂樣本鋼絲疲勞壽命平均值降低率為8.6% ，說明3類銹蝕等級鋼絲剩余疲勞壽命降低相對較少。

3）4類銹蝕等級鋼絲在疲勞試驗中全部樣本鋼絲斷裂，樣本鋼絲疲勞壽命平均值降低率為 26.1% ，說明鋼絲的腐蝕等級達到4類后，鋼絲剩余疲勞壽命會出現快速下降的趨勢

3.3腐蝕鋼絲疲勞壽命的計算與分析

橋梁在運營過程中，吊桿鋼絲會受到外界腐蝕介質的侵蝕，隨著服役時間的推移，鋼絲的腐蝕發展會導致鋼絲表面產生不同程度的蝕坑缺陷。由于這種蝕坑缺陷的存在，鋼絲受到的局部應力場強就越高，裂紋往往會在缺陷處萌生。大量實驗結果表明，國內主要通過疲勞斷口定量分析方法，采用Paris公式反推疲勞壽命值。Paris公式如下

對公式進行積分可得

式中： N 是剩余疲勞循環次數； a₀ 是蝕坑初始深度； a_c 是鋼絲斷裂后蝕坑擴展深度； ΔK 是恒應力幅作用下應力強度因子范圍， 是材料常數，參照文獻[8]中的數據 C=9.263×10^-11 m=1.993 。

根據設計文件要求，在假定最大應力為 660MPa （0.4σ） ，應力幅值 200MPa（0.12σ） 情況下，鋼絲疲勞壽命應大于 2×10⁶ 次。按照以上的等幅應力循環條件，通過理論計算得出試驗中吊桿鋼絲的疲勞壽命理論值，并將理論值與試驗值進行對比，結果見表4。

從表4數據可知，在3類銹蝕等級理論疲勞壽命與試驗疲勞壽命比值在0.94＼～1.02，說明理論計算值偏大且保守，在4類銹蝕等級理論疲勞壽命與試驗疲勞壽命比值在1.02＼～1.15，鑒于利用低倍電子顯微鏡測量這些疲勞斷口處疲勞源尺寸參數時，產生相對較大得誤差，使得計算精度下降，但是理論值偏離的幅度不大，理論值與試驗值吻合較好。所以，在實際檢測項目中，采用Paris公式定量反推出斷裂鋼絲的理論剩余疲勞壽命，可以通過測量蝕坑參數來進行腐蝕鋼絲剩余疲勞壽命的評估。對本項目而言，目前的鋼絲腐蝕程度不發展的情況下，吊桿鋼絲仍具有一定的安全使用壽命，所以在全橋吊桿更換前，加強對吊桿的監測和維護工作。

4結束語

本文針對黑石鋪湘江特大橋更換舊吊桿進行鋼絲拉伸試驗和鋼絲疲勞試驗，試驗分析了不同腐蝕程度等級鋼絲的承載力變化趨勢及對鋼絲剩余疲勞壽命的影響，不僅對保障自前主橋吊桿的運營安全和加強后期養護管理具有重要意義，而且可以為同類型橋梁吊桿的運營維護提供理論支持。

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