大氣腐蝕對白洋長江大橋鋼結(jié)構(gòu)影響研究

朱文，周長泉，李聰，曾志遠，何雄君

(1.湖北省路橋集團有限公司，湖北 武漢 430056；2.湖北交投建設(shè)集團有限公司；3.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院)

在大跨鋼桁梁懸索橋的建造和設(shè)計中，腐蝕將降低鋼材的物理力學(xué)性能,進而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)承載性能與抗震性能的退化,如何評估腐蝕鋼結(jié)構(gòu)的耐久性問題已成為鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一項難題。自美國鋼桁梁懸索橋建造和控制系統(tǒng)發(fā)展100多年來，發(fā)生了多起因鋼結(jié)構(gòu)的嚴重腐蝕導(dǎo)致的穩(wěn)定系統(tǒng)失效，從而引起災(zāi)難性的橋梁事故，因此，大氣腐蝕對大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁的危害不容忽視。

近幾十年來，已有許多學(xué)者對這方面進行了研究。Larrabee-Cobum等在美國對270種鋼材進行了長達15.5年腐蝕研究，得出合金元素與大氣腐蝕因素等對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕影響的規(guī)律；Legault和Leckie等依據(jù)Larrabee等的長達15.5年270種鋼的大氣暴露數(shù)據(jù)，得到了腐蝕速率與鋼化學(xué)成分的定量關(guān)系；Kucera等在瑞典及捷克對鋼材進行了長達8年的暴露試驗；B.Chen等對一大型空間的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕情況進行了空間腐蝕承載損傷評估和可靠性監(jiān)測；王國民等探索了埋入式平行鋼絲斜拉索梁端錨固區(qū)病害特征和機理，得出梁端錨頭和鋼絲等鋼結(jié)構(gòu)在潮濕狀態(tài)比干燥狀態(tài)損傷嚴重；陳露等對于鋼結(jié)構(gòu)濱海大橋輸電塔的承載能力進行了安全可靠性研究，利用有限元統(tǒng)計理論模型進行了可靠性分析，并且初步給出了安全可靠性評定的理論和方法；徐偉華分別對冪函數(shù)統(tǒng)計模型、極值統(tǒng)計模型理論、灰色系統(tǒng)數(shù)學(xué)理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法的可靠性進行了研究與隨機分析；楊波等根據(jù)已有的相關(guān)科學(xué)技術(shù)研究成果，提出了一種抗力隨時變連續(xù)衰減的波函數(shù)。

但是，以上研究主要集中在對當(dāng)前使用狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕影響以及腐蝕規(guī)律的研究、不同大氣腐蝕試驗方法及其相關(guān)性、大氣腐蝕下鋼材和鋼構(gòu)件的力學(xué)性能等，很少涉及對未來腐蝕鋼結(jié)構(gòu)安全使用狀態(tài)的評估和安全使用預(yù)后。白洋長江大橋是一座鋼桁梁懸索橋，由于橋梁周圍化工廠擴建，環(huán)境污染嚴重，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕是較為突出的問題。因此，有必要對白洋長江大橋在運營期內(nèi)，承載力退化與大氣腐蝕之間的關(guān)系進行研究，考慮腐蝕對鋼結(jié)構(gòu)截面積的損失影響，建立相應(yīng)的有限元腐蝕模型，以便于對運營期間橋梁結(jié)構(gòu)的受力行為進行準確評估。

1 工程概況

白洋長江公路大橋作為湖北省西部骨架高速公路網(wǎng)中一條規(guī)劃縱線的過江快速通道，它的建設(shè)和實施將在湖北鄂西地區(qū)形成最后一條直接溝通長江南北岸的雙向長江快速通道。大橋為一座主跨1 000 m的雙塔單跨懸索橋，主纜邊跨分別為276、269 m。懸索橋橫向的吊索標準間距為36 m，吊索與主纜在一個豎直平面內(nèi)。主纜吊索順橋向間距15 m，主塔最近的橫向吊索距主塔交點中心線20 m，跨中最短吊索長度小于5 m。白洋長江公路大橋的橫向吊索主跨矢高與主塔的橫縱向吊索跨比，一般采用1/9.5，主纜中跨矢高為100 m，大橋立面如圖1所示。

圖1 橋梁立面圖(單位：m)

2 大氣腐蝕預(yù)測模型

鋼材的大氣腐蝕是因為鋼材長期暴露在惡劣的大氣環(huán)境中而自然發(fā)生的化學(xué)現(xiàn)象。在收集目前宜都地區(qū)的氣候特性及大橋環(huán)境后，考慮大氣腐蝕對于宜都地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)截面和力學(xué)參數(shù)影響時，采用冪函數(shù)形式的腐蝕數(shù)學(xué)模型，計算式為式(1)～(3)。另外考慮到腐蝕的隨機性，同時假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面均勻腐蝕。

D=Atn

(1)

A=A(0)+A(i)Y(i)

(2)

n=n(0)+n(i)Y(i)

(3)

式中：D為鋼材的腐蝕深度(mm)；t為鋼材在大氣中暴露時間(年)；A(0)和n(0)為常數(shù)；A(i)和n(i)為因子i的系數(shù)；Y(i)為因子i的數(shù)量。當(dāng)因子為鋼的化學(xué)成分時，Y(i)為鋼的化學(xué)成分百分比含量。當(dāng)因子為環(huán)境因素時，Y(i)為環(huán)境因子的平均值或累積量，如平均溫度。因子也可以是某個因素的乘方或某幾個因素的乘積，每個影響因素的系數(shù)值如表1所示。

經(jīng)調(diào)取宜都地區(qū)歷年氣候統(tǒng)計資料得知：年平均相對濕度為81%，平均溫度為18 ℃，年平均降雨量為1 216 mm左右，年日照時間為1 883 h，二氧化硫含量平均為0.46 mg/(100 cm2·d)，氯離子含量為0.011 mg/(100 cm2·d)。鋼材為Q345D，其化學(xué)成分含量依據(jù)標準GB/T 1591—2008取值。

考慮到Q345D鋼的一些元素含量在某一范圍，為了求得相對不利的腐蝕結(jié)果，因此，對于某些有利于鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的部分鋼材成分取限值，對于一些抑制鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的部分鋼材成分數(shù)值取平均值或者取零值。依據(jù)文獻可計算出宜都地區(qū)A為0.06，n為0.65，得到宜都地區(qū)腐蝕深度與時間的關(guān)系如式(4)所示：

D=0.06t0.65

(4)

表1 影響因素的系數(shù)值

3 腐蝕構(gòu)件的剩余截面分析

圖2為鋼桁架局部示意圖，通過分析可以得到大氣腐蝕對其構(gòu)件(腹桿和弦桿)截面損失的計算公式，如表2中式(5)、(6)所示。

考慮到大氣腐蝕對鋼結(jié)構(gòu)的時間效應(yīng)，根據(jù)式(4)～(6)可以計算鋼結(jié)構(gòu)中腹桿、弦桿截面積在100年內(nèi)的變化，計算結(jié)果如表3所示。其中，鋼桁架的上下弦桿、上下橫梁均為弦桿截面形式，豎腹桿、斜腹桿均為腹桿截面形式。數(shù)據(jù)表明：在100年時，弦桿截面腐蝕損失達到了12%，腹桿截面腐蝕損失已經(jīng)達到了15.2%。

圖2 鋼桁架截面局部示意圖

表2 大氣腐蝕對構(gòu)件截面面積的影響計算式

表3 不同年限的腐蝕后構(gòu)件截面面積

4 鋼結(jié)構(gòu)懸索橋整體結(jié)構(gòu)分析

4.1 全橋Midas/Civil模型

建立白洋長江大橋的有限元模型并進行靜力分析。Midas/Civil軟件中的懸索梁單元是使用最常用的一種模擬單元。因此，懸索橋上的鋼桁梁、橋塔以及懸索梁桁架上的橋墩使用Midas/Civil軟件中的懸索梁單元進行模擬。鋼桁架懸索橋的整個結(jié)構(gòu)采用4種材料。主纜、吊桿的材料根據(jù)實際性能進行定義，橋塔和橋墩采用C50，鋼桁梁采用Q345D，材料參數(shù)見表4。白洋長江大橋Midas/Civil有限元模型如圖3所示。全橋共包含2 594個節(jié)點，5 543個單元。橋梁模型考慮了恒載、活荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、制動力荷載以及相應(yīng)荷載組合，建立了3種荷載組合(表5)。

4.2 大氣腐蝕對全橋應(yīng)力影響分析

在Midas/Civil有限元模型中，輸入表3中每10年一個階段的腹桿和弦桿的截面積數(shù)據(jù)，其中，鋼桁架的上下弦桿、上下橫梁均為弦桿截面形式，豎腹桿、斜腹桿均為腹桿截面形式，可以得到表5中3種靜力荷載組合下，100年內(nèi)全橋整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。在荷載組合1和最不利荷載組合作用下，上弦桿、下弦桿、上橫梁、下橫梁、豎腹桿、斜腹桿在運營期間的應(yīng)力變化如圖4～9所示。

表4 材料參數(shù)

表5 3種荷載組合

圖3 白洋長江大橋全橋模型

圖4 上弦桿應(yīng)力變化圖

圖5 下弦桿應(yīng)力變化圖

圖6 上橫梁應(yīng)力變化圖

圖8 豎腹桿應(yīng)力變化圖

圖9 斜腹桿應(yīng)力變化圖

由圖4～9可知:① 上弦桿的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力曲線在組合1和最不利組合下隨年限變化不明顯，組合1中上弦桿的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在100年時分別增加了8.0%、9.0%，最不利組合中上弦桿的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在100年時分別增加了7.2%、7.1%；② 組合1中下弦桿的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在100年時分別增加了7.5%、10.4%，最不利組合中下弦桿的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在100年時分別增加了5.4%、7.4%；③ 組合1中上橫梁的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在100年時分別增加了9%、11.0%，最不利組合中上橫梁的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在100年時分別增加了11.1%、10.9%；④ 組合1中下橫梁的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在100年時分別增加了12.3%、11.1%，最不利組合中下橫梁的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在100年時分別增加了11.7%、13.2%；⑤ 組合1中豎腹桿的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在100年時分別增加了18.0%、16.5%，最不利組合中豎腹桿的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在100年時分別增加了24.1%、16.5%；⑥ 組合1中斜腹桿的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在100年時分別增加了15.2%、25.4%，最不利組合中，斜腹桿的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力在100年時分別增加了14.7%、23.0%。

通過對以上有限元模擬結(jié)果分析，可以得到：在組合1和最不利荷載組合中，下弦桿、上橫梁、下橫梁、豎腹桿、斜腹桿的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力變化曲線較上弦桿趨勢明顯，其中，豎腹桿、斜腹桿應(yīng)力曲線增加趨勢最大。整體來說，大氣腐蝕提高了全橋的應(yīng)力等級，使橋梁在服役過程中，向越來越不利于自身安全狀態(tài)的應(yīng)力方向發(fā)展。

5 結(jié)論

通過建立宜都地區(qū)大氣腐蝕預(yù)測模型，以及Midas/Civil有限元模型，研究了白洋長江大橋鋼結(jié)構(gòu)在運營100年期間受大氣腐蝕影響下，全橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)根據(jù)宜都地區(qū)的氣候和大氣狀況，得到了相應(yīng)的大氣腐蝕預(yù)測模型，根據(jù)腐蝕預(yù)測模型得到了100年白洋長江大橋鋼桁梁的弦桿和腹桿截面變化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明：在100年時，弦桿截面腐蝕程度達到了12%，腹桿截面腐蝕的程度達到了15.2%。

(2)通過分析模型計算結(jié)果得知：上弦桿的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力曲線，在組合1和最不利荷載組合下隨腐蝕年限增加的變化不明顯，雖然鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力在增加，但增加趨勢比較小，說明大氣腐蝕對上弦桿的應(yīng)力變化影響較?。回Q腹桿和斜腹桿的應(yīng)力變化受大氣腐蝕影響最大。

(3)大氣腐蝕對鋼構(gòu)件的截面積損失影響較大，從而造成運營期間結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平增加，對橋梁的安全狀態(tài)產(chǎn)生威脅，因此大氣腐蝕問題不容忽略。建議在橋梁設(shè)計及運營期間加強鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計和表面防護涂層管養(yǎng)意識，以延長橋梁的正常使用壽命。