鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕疲勞研究

劉紅亮 中國建筑第二工程局有限公司海南分公司

1 前言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點是一個較為容易出現(xiàn)腐蝕和疲勞的部位，如果不對其進行有效的防護工作，就會降低鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用壽命，甚至會造成較為嚴重的安全事故。因此，對于鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕的原因、特點以及主要形式都要進行深入分析，進而更好地探索出有效的防護技術(shù)，降低安全事故產(chǎn)生的幾率。

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕疲憊的原因

鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕，指的是鋼材料與外部環(huán)境中的侵蝕因素發(fā)生化學或者是電化學的相互作用，進而導致鋼材料被破壞的過程。造成鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕主要原因包括大氣水分腐蝕和海水腐蝕：大氣水分腐蝕是指大氣中水分、氧氣以及其他腐蝕成分對鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點的破壞；海水腐蝕指的是海水中含有的氧離子、氯離子以及海洋生物對鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點的破壞。同時，鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕程度還可以分為局部腐蝕和均勻腐蝕：局部腐蝕的破壞位置較為集中，多數(shù)為一個腐蝕程度較高的集中點，從而引起鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)生脆性斷裂，會造成嚴重的突發(fā)性安全事故；而均勻腐蝕相對于局部腐蝕來說，危害程度較低，不會引起鋼結(jié)構(gòu)橋梁的突發(fā)性斷裂，但依舊會影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用壽命。

鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點的構(gòu)造較為復雜，包含各種類型的缺口、細節(jié)等組成要素，因此，這也是發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點疲勞主要位置。由于外部環(huán)境、氣候條件、荷載程度以及使用時間等方面的原因，會使鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點不斷增強疲勞狀態(tài)，并且使鋼材料的質(zhì)量不斷下降，進而造成焊接節(jié)點的損傷，并且在一定程度上降低了鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點的抗損傷能力和抗斷能力，大大影響了鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用壽命。一方面，外部氣候的不可抗因素造成鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點疲勞現(xiàn)象是無法避免，只有技術(shù)人員定期對鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點進行排查和維護，才能有效降低鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點的疲勞情況；另一方面，由于荷載情況的不確定性，導致鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點在進行設(shè)計和施工時，無法依據(jù)實際情況來進行合理安排，進而為后續(xù)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點造成疲憊增加更多的隱患[1]。

3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕疲憊的特點

鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點受到腐蝕的部位主要集中在桁梁結(jié)構(gòu)、鋼箱梁以及纜索系統(tǒng)中，不同橋梁位置的腐蝕條件和腐蝕程度也存在著差異，導致鋼結(jié)構(gòu)橋梁各個焊接節(jié)點的實際腐蝕情況也不一樣。對于桁梁結(jié)構(gòu)部分的鋼材料腐蝕，面板以上的部分主要是由于受到雨水沖刷和紫外線照射而導致的侵蝕；面板以下的部分主要是由于水蒸氣蒸發(fā)、排放的污染物而造成的腐蝕。對于鋼箱梁部分來說，由于該結(jié)構(gòu)內(nèi)部通風條件較差，很容易聚集出潮濕的水蒸氣，進而造成鋼箱梁的腐蝕。對于纜索系統(tǒng)來說，由于長期暴露在外，會受到來自雨水、空氣中污染物以及紫外線照射等方面的侵蝕，因此受到破壞的程度也比較高?；诖耍逛摻Y(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點受到腐蝕的因素主要包括環(huán)境因素、材料因素以及人為因素，技術(shù)人員要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的實際情況，來采取最為科學、合理的維護措施。

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用過程中，其焊接點出現(xiàn)疲勞的初始階段，從外部來看并不會十分明顯，只是部分零件或構(gòu)件上存在細節(jié)性的變化。但若不加強對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的定期排查工作，就會使鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點的細節(jié)處不斷進行疲憊和老化，一方面加快了焊接節(jié)點受到腐蝕的速度，另一方面大大增加了發(fā)生安全事故的風險程度。隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞程度不斷增加，細節(jié)處的破損也會變得越來越明顯，鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點會開始出現(xiàn)裂紋、變形、加速老化等現(xiàn)象。此時的鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點應該進行及時的維修、更換等工作了，如果使鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點不斷受到疲勞和腐蝕的破壞，不光會影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁的荷載能力、使用壽命等因素，還會對過往車輛和行人造成極大的安全威脅。

此外對于鋼梁的各類連接節(jié)點來說，如果在詳細的運行過程中，發(fā)現(xiàn)某個節(jié)點失效，那么該節(jié)點就無法實現(xiàn)對鋼梁結(jié)構(gòu)的全面性固定，這也就是說，針對整個系統(tǒng)中的其他部位，則很可能在自然環(huán)境的進一步侵蝕之下，或者鋼梁在處于承受振動的環(huán)境之下，使得其他的焊接節(jié)點需要承受更多的載荷。當此時，在其他區(qū)域的相關(guān)載荷產(chǎn)生之后，很可能會逐漸無法承擔原有的承力性能要求，所以從其他節(jié)點的失效時間上來看，相對于設(shè)計結(jié)果的期望值，會在更短的時間內(nèi)出現(xiàn)大范圍的失效現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生嚴重的后果，可以說正是由于某一個節(jié)點出現(xiàn)了失效問題，從而導致整個系統(tǒng)的運行壽命大幅度下降。

4 鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕疲勞的主要形式

鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕對于鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點疲勞的影響主要體現(xiàn)在，腐蝕作用會使鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點疲勞缺口效應不斷加強，并使細節(jié)處和缺口處的裂紋擴大速度越來越快。此外，受到腐蝕的鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點的抗疲勞程度有未受到腐蝕的鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點之間存在很大的差異。鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕和疲勞的主要表現(xiàn)結(jié)構(gòu)可以分為兩類：一是鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點在腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生疲勞，也就是說鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點在腐蝕因素與荷載疲勞的共同作用下，而產(chǎn)生的損壞；二是預腐蝕疲勞，指的是鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點在已經(jīng)被腐蝕因素腐蝕了一段時間之后，受到了荷載疲勞的作用，進而產(chǎn)生的損壞?；诖?，可以將鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕疲勞分為環(huán)境介質(zhì)引起的腐蝕損傷以及循環(huán)應力引起的疲勞損傷這兩種形式，這兩種形式存在相互作用、相互疊加的存在狀態(tài)。

一旦鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點產(chǎn)生腐蝕疲勞，最為直接的表現(xiàn)形式就是其裂紋萌生機理。影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕疲勞裂紋萌生機理的主要因素包括材料、環(huán)境以及人為等方面的因素。鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕疲勞裂紋萌生機理主要變化過程可以描述為：在初始階段中，使鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點形成蝕坑；隨著腐蝕疲勞的程度不斷加深，蝕坑的面積也會不斷擴大；進而使蝕坑逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗔鸭y；并且在隨著斷裂紋遭受腐蝕的情況后，慢慢增長為長裂紋；最終形成鋼結(jié)構(gòu)橋梁的斷裂。此外在橋梁的日常運行中，無論是承受載荷時，還是非承受載荷時，橋梁都會處于振動狀態(tài)，在一些較為特殊的情況下，橋梁上所承受的載荷以及在自然環(huán)境的作用下，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時橋梁所承受的載荷和能量得到了大幅度的提高。對于橋梁中的焊接點，相對來說相較于鋼材本身來說，焊接節(jié)點的強度要低于鋼材本身，此時在振動的情況下，如果是非共振情況下，則屬于疲勞斷裂和腐蝕斷裂。但是在共振情況下，焊接節(jié)點會在極短的時間內(nèi)無法承受承擔的能量，此時焊接節(jié)點上往往還未能行程腐蝕坑或者腐蝕坑的深度較淺，不過焊接節(jié)點很可能直接出現(xiàn)貫穿性的斷裂紋。

5 鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕疲勞壽命評估

一方面，通過不斷的研究和實驗可以發(fā)現(xiàn)，將鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕疲勞狀態(tài)與鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點疲勞狀態(tài)進行對比，發(fā)現(xiàn)其使用壽命的平均時間之間的差異并不是很大，因此，可以證明無論是鋼結(jié)構(gòu)橋梁哪種形態(tài)的損傷，都會在一定程度上影響其使用壽命。除此之外，造成鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕疲勞的主要因素可以包含截面面積的損失、水分侵蝕以及銹蝕坑?；诖?，可以發(fā)現(xiàn)影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點使用壽命的原因可以歸為三類：一是截面厚度損失導致的截面模量降低，促使應力加大，從而影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點使用壽命；而是腐蝕坑周圍的應力過于集中，導致鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點無法長期進行承受，從而形成突發(fā)性破損或斷裂；三是鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點在處于腐蝕環(huán)境時，裂紋增長的速度會不斷加快，到這鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點破損的面積越來越大，從而發(fā)生斷裂。此外對于焊接節(jié)點的具體腐蝕性疲勞壽命研究過程中，也需要分析在某個節(jié)點失效的情況之下，且其他影響參數(shù)并為發(fā)生變化之時，整個系統(tǒng)當前所存在的相關(guān)參數(shù)變化特征，如果發(fā)現(xiàn)取得的相關(guān)參數(shù)從最終取得的結(jié)果上來看，很容易和設(shè)計期望數(shù)值之間出現(xiàn)較大的差別時，則需要對這類信息做出后續(xù)的修復。此外如果發(fā)現(xiàn)在某個節(jié)點失效后，對于其他節(jié)點造成的影響過大，那么就意味著，該焊接節(jié)點可能會對整個體系造成極其深遠的影響，當此時就需要經(jīng)過進一步的數(shù)學模型建設(shè)工作，以分析具體造成了影響效果。

另一方面，鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕和疲勞的形成原因，在一定程度上還與鋼結(jié)構(gòu)橋梁性能退化有關(guān)。由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點在受到腐蝕的同時，還會受到不同程度的荷載壓力，導致鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用壽命逐漸降低。這也就證明了鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕疲勞不光是一種復雜的化學反應作用，更是與力學作用有很大的關(guān)聯(lián)?；诖耍趯︿摻Y(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點進行維修、保養(yǎng)工作時，不光是要考慮到鋼材質(zhì)受外部因素腐蝕的情況，同時也要考慮鋼結(jié)構(gòu)橋梁的荷載能力，進而對整個鋼結(jié)構(gòu)橋梁進行調(diào)整和改良，控制鋼結(jié)構(gòu)橋梁通行車輛的荷載數(shù)，進而在最大程度上降低鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞程度。

在當前的信息化技術(shù)使用中，已經(jīng)開始大量使用數(shù)學模型思想，分析并研究在當前的工作制度、工作理念和系統(tǒng)運行中，可否根據(jù)目前的信息協(xié)調(diào)信息取得所有的信息，本文認為在今后的信息處理和分析過程中，也必須要可以全面按照當前的所有信息處理方案與各類數(shù)據(jù)的工作方案，研究在各類信息的具體處理過程中，如何實現(xiàn)針對所有信息的后續(xù)整理和分析方法，以研究橋梁焊接節(jié)點的壽命參數(shù)。針對所有風險的分析和研究規(guī)程中，必須要全面分析所有信息的處理方案與工作需求，其中橋梁焊接節(jié)點的壽命影響因素包括環(huán)境腐蝕、疲勞斷裂、振動信息乃至于共振信息，當然并非所有的影響因素都長期存在，此時就要建立分段數(shù)據(jù)的分析模式，其中橋梁焊接節(jié)點出現(xiàn)了共振問題時，很可能會在極短的時間內(nèi)失效，此時要在建立的模型中分析共振問題的發(fā)生概率，當然該參數(shù)極低，但是在計算中不可直接去除。對于腐蝕參數(shù)以及疲勞參數(shù)，則要根據(jù)當前的數(shù)據(jù)處理方法和信息的調(diào)整方案，并分析在這類因素的影響下橋梁焊接節(jié)點的失效速度，并且分析各類不同因素的影響和作用環(huán)境下，對于相關(guān)數(shù)據(jù)信息的后續(xù)處理方法。

6 結(jié)束語

綜上所述，通過對鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕的原因和特點進行分析，可以知道鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕是一個較為復雜的過程，導致鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊接節(jié)點腐蝕主要是水分的侵蝕，如果不對其采取有效的防護措施，就會大大縮短鋼結(jié)構(gòu)橋梁使用壽命。基于此，相關(guān)工作人員應該加強對鋼結(jié)構(gòu)橋梁防護工作的重視。