橋梁吊索疲勞性能及壽命評估方法研究

李海東

（甘肅公航旅通定高速公路管理有限公司，甘肅 定西 743000）

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀及研究水平

鋼絲作為鋼材的一種加工產(chǎn)品，將若干根鋼絲組成的吊索，可以連接索承式吊橋的橋道系和上部主體構(gòu)件，所以作為關(guān)鍵構(gòu)件的吊索對于橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性能起到重要作用，并且與鋼絲受力是否安全有很直接的影響[1-2]。許多施工經(jīng)驗和建成的橋梁表明，在環(huán)境因素、車輛荷載、受力復(fù)雜等耦合作用下，鋼絲會逐漸磨損，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性會有不同程度的下降或者使用壽命縮短[3]。

鋼絲的工程實用性雖強，但自鋼絲運用到橋梁工程開始至現(xiàn)階段，已發(fā)生過多起因鋼絲銹蝕引起的吊索破斷的事故、造成了較嚴重的經(jīng)濟損失[4-5]，如1960年建成的委內(nèi)瑞拉Maracibo 橋的斜拉索在服役16 年后就因鋼絲銹蝕發(fā)生斷索，檢修時發(fā)現(xiàn)有25 根吊索被嚴重腐蝕，為了更換全部拉索保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全就耗資5 000 萬美元[6]；建于1974 年德國漢堡的Kohlbrand橋通車僅2 年就在吊索例行檢查中發(fā)現(xiàn)了銹蝕斷絲現(xiàn)象，同樣是由于拉索腐燭嚴重，為了防止安全事故的發(fā)生，耗資6 000 萬美元更換了全部拉索[7]。國內(nèi)在1990年左右大規(guī)模修建的中下承式柔性吊桿拱橋由于設(shè)計之初未充分考慮鋼絲耐久性問題，造成較多的橋梁坍塌事故，如宜賓南門大橋。由于吊桿鋼絞線應(yīng)力腐蝕嚴重使得吊桿局部斷裂，17 對吊桿中北岸1 對、南岸3對共4 對8 根吊桿突然間斷裂，吊桿連接對應(yīng)的北岸1 根，南岸3 根橫梁也同時掉入金沙江中，導(dǎo)致北岸兩孔（20 m）、南岸4 對吊桿因錨固端銹蝕而斷裂以致于橋面大面積坍塌，導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失[8]；1988 年建成的廣州海印大橋建成后也發(fā)生了吊索不同程度的損傷，先是9 號索斷裂的事故，再往后15 號索也出現(xiàn)松斷，嚴重影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，為了防止吊索斷裂進一步影響全橋結(jié)構(gòu)，不得不耗費半年時間、并且投入2 000 萬元進行全橋換索工程[9]。針對這些因吊索銹蝕影響正常服役的橋梁進行換索，不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，還對正常的交通帶來嚴重的影響，并造成嚴重的信任危機。此外，吊索銹蝕嚴重而來不及進行換索時，還會造成嚴重的安全事故，威脅人們的生命安全。2007年江蘇常州運河大橋發(fā)生的橋梁垮塌事故就是由于吊索遭到銹蝕，橋梁西半幅整體結(jié)構(gòu)破壞，盡管事故原因是與超載有關(guān)，但主要還是因為吊索斷裂才導(dǎo)致的事故；2010 年南平市玉屏山大橋的橋面塌陷，也是由于吊桿松動失效所引起的事故；2012 年攀枝花金沙江大橋突然出現(xiàn)橋面“V”字形塌陷，原因是一根吊桿突然脫落讓橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性能出現(xiàn)漏洞[10]。

從大量橋梁吊索病害調(diào)查分析來看，服役銹蝕鋼絲的斷裂普遍在遠小于屈服強度的條件下發(fā)生，鋼絲斷口表現(xiàn)為疲勞失效特征[11-12]。吊索主要是由鋼絲組成，其疲勞失效形式與其他橋梁鋼構(gòu)件的疲勞失效是相同的。相對于其他形式的材料失效，疲勞破壞具有長期性、隱蔽性、預(yù)測困難等特點，使其比一般延性斷裂行為更為危險。然而，現(xiàn)有的橋梁養(yǎng)護規(guī)范尚未建立較為完善的吊索疲勞耐久壽命評定方法，吊索的維護策略目前尚在初步探索階段。為了降低橋梁吊索斷裂安全事故的發(fā)生頻率，降低對行車安全的威脅性，提高橋梁工程經(jīng)濟性，國內(nèi)外對于已達到一定使用年限的橋梁吊索越來越多地采用定期檢查及更換的方法[13]。表1給出近年來國內(nèi)部分中下承式拱橋吊桿更換時間為絕大部分在15 年以內(nèi)，遠低于設(shè)計要求的30 年的使用壽命。

表1 國內(nèi)部分中下承式拱橋吊桿更換工程[9]

多年來的吊桿斷裂事故表明，橋梁吊桿構(gòu)件疲勞失效不僅會對交通安全造成威脅，而且一旦發(fā)生事故勢必產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失，還會對社會造成極其惡劣的影響。結(jié)合已知橋梁坍塌事故進行原因分析，導(dǎo)致這些事故發(fā)生的主要原因是脫錨讓拱橋坍塌，腐蝕、疲勞或錨頭喪失錨固能力都可以導(dǎo)致脫錨[14]。據(jù)大量橋梁吊索更換工程統(tǒng)計，一次纜索更換的費用約為成橋裝索費用的6～10 倍，有些費用甚至超過了整個橋梁的造價，大約有1～1.5 倍的橋梁造價[15]。另外，換索期間道路的長期封閉也會給人們的生產(chǎn)生活帶來嚴重影響，造成的潛在經(jīng)濟損失更是難以估量，如海印橋花費半年的時間來把全橋吊索都進行了替換[16]；廣西三岸邕江特大橋為了把全橋吊桿替換而進行封閉施工，這就使周圍的繞城高速公路段在施工期間實行交通管制，加重了這一片區(qū)域的交通負擔(dān)[10]。按照定期更換策略，許多橋梁在整個生命周期可能要經(jīng)歷進行3～4 次換索，維護成本遠超初始造橋費用。而隨著吊索防腐技術(shù)的提升，吊索出銹時間隨之推移。建立在先前經(jīng)驗規(guī)律上的定期更換決策必然導(dǎo)致更多的資源浪費。

吊索在中下承拱橋、懸索橋及斜拉橋的整體結(jié)構(gòu)中作為重要的傳力構(gòu)件，能否將受力傳至其他構(gòu)件對橋梁的整體結(jié)構(gòu)安全性能有重要影響，為了保證吊索性能良好需要在橋梁使用期間定期更換，對于一般的橋梁來說都要耗費巨大的經(jīng)濟投入[17]。并且，當(dāng)前狀況下無法給出一個評價吊索工作性能的合理方案，所以對吊索的維護也只能是定期更換，這同樣造成了大量財產(chǎn)損失和資源浪費。近年來橋梁吊索服役時間超過10 年的數(shù)量逐漸增加，我國需要更換吊索所消耗的資金也逐漸上升。通過研究吊索斷絲損傷特性以及殘余承載能力評價方法，可以在保證吊索繼續(xù)使用的情況下無需更換，降低橋梁維護成本同時確保橋梁結(jié)構(gòu)安全。本論文基于以上背景，開展橋梁吊索疲勞性能以及吊索的疲勞可靠度定量分析方法研究，為全壽命周期內(nèi)的纜索經(jīng)濟維護提供依據(jù)。

2 技術(shù)研究方案

2.1 吊索鋼絲疲勞過程

吊索是由鋼絲組成，故吊索疲勞損傷演化過程主要有5 個階段：護套老化開裂→鋼絲鍍鋅層的腐蝕失效→鋼絲均勻腐蝕及坑蝕→鋼絲的腐蝕疲勞→鋼絲斷裂失效[18]。運用這個演化過程來評價吊索鋼絲疲勞損失程度時，沒有考慮到最初蝕坑的萌生、產(chǎn)生短裂紋之后如何擴展以及短裂紋向長裂紋的轉(zhuǎn)化等過程，短裂紋和長裂紋的擴展速率并不相同而在這個過程中沒有作出區(qū)分，短裂紋的擴展速率遠遠小于長裂紋的擴展速率[19-20]。吊索鋼絲腐蝕疲勞壽命過程參考圖1。

圖1 吊索鋼絲腐蝕疲勞壽命過程[6]

吊索鋼絲腐蝕疲勞壽命過程如圖1 所示部分組成，吊索鋼絲腐蝕疲勞演化時間公式如式（1）所示[3]，

式中：Tf為吊索鋼絲腐蝕疲勞總壽命（不包括護套失效時間）；Txc為鍍鋅層腐蝕時間；Tkm為蝕坑萌生時間；Tkf為基體腐蝕坑形成及由此形成短裂紋所需時間；Tscf為基體短裂紋擴展向長裂紋轉(zhuǎn)變所需時間；Tlcf為長裂紋擴展到斷裂失效所需時間。

2.2 技術(shù)方案分析

（1）研究吊索鋼絲斷裂過程中它的力學(xué)性能的特點?？梢韵仍O(shè)計摩擦力試驗來了解鋼絲之間摩擦力的特性，由此建立一種充分考慮受到摩擦力影響的鋼絲串并聯(lián)模型，再通過設(shè)計編制一個有限元程序來整理吊索鋼絲強度的非線性關(guān)系，分析吊桿吊索在鋼絲斷裂之后內(nèi)力的重新分布，還有吊索在鋼絲斷裂后的剩余承載能力等力學(xué)特點；通過試驗得到的鋼絲層間相對位移指標(biāo)可以幫助分析吊索鋼絲斷裂的機理，并對不同疲勞程度吊索的斷絲承載力進行探討。

摩擦試驗是借助微電子萬能試驗機（WDW-I00E）進行頂壓，并且只頂壓出吊桿截面上的單根鋼絲從而得到所需試驗數(shù)據(jù)，即通過每根鋼絲頂出過程中微電子萬能試驗機所記錄的荷載位移曲線分析得出各層鋼絲間摩擦力以及摩擦剛度大小。

從試驗中找到鋼絲與鋼索之間力學(xué)關(guān)系可以采用纖維束強度理論，它是建立力學(xué)關(guān)系的慣用算法，也是從鋼絲工作時的性能指標(biāo)來評價鋼索承載能力的主要途徑。值得我們留意的是，傳統(tǒng)的纖維束理論的依據(jù)是最弱聯(lián)假定，這種假定簡化模型，把各層鋼絲間摩擦力忽略，所以無法精確模擬呈現(xiàn)鋼絲斷裂之后的鋼索內(nèi)力分布情況，從而降低了計算得出的鋼索承載能力結(jié)果的精度。為了更準(zhǔn)確評價估計吊索的承載能力，本論文通過對傳統(tǒng)纖維束強度理論進行改進，增加了對鋼絲之間摩擦作用的考慮來對吊索承載力進行計算。

（2）研究組成吊索的高強光圓鋼絲拉伸力學(xué)性能。首先對不同疲勞損傷程度、應(yīng)力歷史狀況的鋼絲進行拉伸破壞，這可以通過持力試驗等方法實現(xiàn)，在試驗結(jié)果中對比不同組別下鋼絲的各種力學(xué)性能指標(biāo)，包括屈服強度、極限強度、極限應(yīng)變、斷后伸長率等；并且可以通過場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡及能譜儀掃描試驗中鋼絲拉伸斷口的微觀形貌，觀察應(yīng)力歷史狀況給鋼絲延性帶來的改變。

在這種纖維束強度理論下搭建的串并聯(lián)模型，通過把相互之間平行的鋼絲看成一種串并聯(lián)體系來簡化問題，所以普遍應(yīng)用于計算吊索承載能力和評估鋼索疲勞壽命。串并聯(lián)體系可以理解為整體承擔(dān)荷載的是由不同鋼絲所組成的并聯(lián)體系，每根鋼絲分擔(dān)相同的荷載，而這單根鋼絲可以看成由眾多等長的鋼絲單元串聯(lián)起來。但是這種傳統(tǒng)纖維束強度理論卻沒有考慮并聯(lián)體系中鋼絲之間緊密接觸存在的摩擦力，使得判斷鋼絲斷裂后的內(nèi)力分布不夠精確。本論文采用的串并聯(lián)模型是在考慮了摩擦力影響的前提下，引入鋼絲間摩擦單元，可以更加合理地評價和估計鋼絲拉伸的力學(xué)特性。

在評價高強度鋼絲的殘余承載能力時，一般采用加速腐蝕后鋼絲質(zhì)量損失率、斷后延伸率以及極限承載力等來作為鋼絲的銹蝕疲勞程度及力學(xué)特性的評價指標(biāo)；通過持續(xù)荷載狀態(tài)下的鋼絲加速銹蝕試驗，分析應(yīng)力腐蝕的影響，并且可以借助SEM 電子顯微鏡掃描鋼絲斷口微觀形貌以分析鋼絲斷裂機理。

（3）對比測試了正常吊索鋼絲以及人工加速腐蝕鋼絲的疲勞性能。通過對斷口進行電鏡掃描，分析鋼絲斷口及邊緣處疲勞裂紋，研究了吊索鋼絲疲勞損傷時裂紋產(chǎn)生的機理和演化規(guī)律以及鋼絲臨界斷裂強度等問題。針對吊索鋼絲的疲勞裂紋萌生機理，采用腐蝕修正等效初始裂紋方法對鋼絲裂紋源蝕坑形貌進行簡化；針對吊索鋼絲的臨界斷裂強度，基于斷裂力學(xué)理論中的脆性斷裂模型對鋼絲斷裂韌性計算。

在測試中評估攜帶缺陷損傷構(gòu)件的疲勞性能一般可以采用兩種方法。第一種是經(jīng)驗系數(shù)法。在進行了大量疲勞試驗之后通過試驗數(shù)據(jù)得到含缺陷構(gòu)件疲勞性能的退化系數(shù)，接著再結(jié)合實際損傷情況來評估，這種方法多依靠試驗結(jié)果情況。第二種是機理分析法。在斷裂力學(xué)理論的幫助下，通過測量構(gòu)件的初始缺陷、對材料常數(shù)進行標(biāo)定等步驟進行腐蝕鋼筋疲勞性能的預(yù)測評估。顯而易見的是后一種方法不需要多次進行疲勞試驗，并且也更方便得到評估結(jié)果。但是經(jīng)驗系數(shù)法也確實是目前對銹蝕鋼絲的疲勞性能評估的主要方法，因為還沒有建立起一個可以憑借機理分析就能得到有效結(jié)論的評估方法。

對吊索鋼絲疲勞失效進行機理分析，它可以分為裂紋萌生、裂紋擴展和瞬時斷裂三個階段。每個階段的轉(zhuǎn)變都有對應(yīng)的臨界條件，當(dāng)應(yīng)力幅達到缺陷疲勞極限時裂紋開始萌生，裂紋擴展的前提是應(yīng)力強度因子達到裂紋擴展門檻值，以及失穩(wěn)斷裂需要應(yīng)力強度因子達到斷裂韌性的臨界值，這三個階段的臨界條件體現(xiàn)了吊索鋼絲抗疲勞性能的指標(biāo)。對于吊索鋼絲來說，這些材料臨界參數(shù)值難以通過直接觀測得到數(shù)據(jù)，因為很難確定鋼絲在銹蝕狀態(tài)下萌生的裂紋會在構(gòu)件何處位置出現(xiàn)。作為替代的是通過試驗結(jié)束之后觀測的斷口進行分析，來間接得到材料的疲勞性能參數(shù)。

3 結(jié)論與建議

隨著我國橋梁建成數(shù)量不斷增加，已經(jīng)建成的橋梁服役時間的逐漸增長，在時間的影響下服役橋梁的吊索疲勞性能逐漸下降，安全隱患也在增加。與此同時，隨著鐵路運輸追求加快行車速度和增大列車載重，導(dǎo)致更容易引起橋梁動力效應(yīng)及疲勞荷載效應(yīng)。針對吊索鋼絲疲勞性能的研究中，鋼絲腐蝕疲勞損傷過程包括表面鍍鋅層被率先腐蝕、蝕坑逐漸發(fā)展和短裂紋擴展成長裂紋等階段，尤其是短裂紋擴展需要相當(dāng)長的一段時間。而周圍環(huán)境因素例如溫度同樣會影響蝕坑擴展的臨界尺寸大小，長裂紋形成時間同時也受應(yīng)力幅值的影響，腐蝕環(huán)境參數(shù)決定鍍鋅層的腐蝕時間，裂紋的產(chǎn)生和進一步發(fā)展影響鋼絲的服役壽命，當(dāng)?shù)跛鞯钠趬勖陆祰乐貢r會造成橋梁坍塌事故，帶來嚴重的經(jīng)濟損失，危害人民生命和行車安全。因而定期對中下承拱橋、懸索橋及斜拉橋的吊索進行檢測和更換，研究吊索的疲勞性能，對吊索的正常服役壽命進行評估，是保證橋梁正常使用、減少橋梁坍塌事故的必不可少的一項工作。