桥梁缆索腐蚀镀锌钢丝的疲劳强度试验研究.pdf

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界桥粲2013,41(4)
桥梁缆索腐蚀镀锌钢丝的疲劳强度试验硏究
编译叶华文,王义强,孙鹏
(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)
摘要:为研究桥梁缆索镀锌钢丝的腐蚀程度、缺口形状对钢丝疲劳性能的影响规律,对3种腐蚀程度的镀锌
钢丝进行疲劳试验,并根据腐蚀试件设计人造圆形、三角形和含切口的三角形缺口试件,采用试验和有限元法研究
缺口试件的疲劳强度。结果表明:钢丝腐蚀越严重,腐蚀坑区域越集中,腐蚀坑越深,且疲劳强度随腐蚀程度加深
而降低;在400MPa应力幅的循环作用下,圆形缺口试件到100万次仍没破坏;三角形缺口试件的疲劳强度低于圆
形的,寿命很短;带切口的三角形缺口试件寿命更短,且与切口长度无关;三角形缺口试件的S~N曲线与实际腐
蚀钢丝的S~N曲线有相似的趋势;缺口应力集中系数实测和有限元计算值表明缺口形状是疲劳强度降低的主要
因素。
关键词:桥梁缆索;镀锌钢丝;疲劳强度;腐蚀程度;缺口形状;应力集中;疲劳试验
中图分类号:U443.38;U446.1文献标志码:A
文章编号:1671-7767(2013)04-0044-06
引言
不是氢致脆断( Nakamura_2004,2009)。因此认为
目前世界上许多老旧悬索桥主缆性能都出现了断裂是腐蚀、循环应力和氢脆组合作用引起的,且承
退化,主缆钢丝出现严重腐蚀和断裂,在布鲁克林大受高应力幅作用(如吊杆)会增加因腐蚀疲劳引起的
桥、威廉斯堡大桥和其它桥上曾进行过大量的腐蚀钢丝断裂的风险。
钢丝维修工作( Betti和 Yancy1999, May baur
为研究桥梁缆索镀锌钢丝的腐蚀程度、缺口形
2000, Stahl等1996)。许多悬索桥的吊杆及斜拉桥状对钢丝疲劳性能的影响,首先设计不同腐蚀程度
的斜拉索也出现严重腐蚀现象( Stahl等1996)。日的钢丝试件,并对这些试件和未腐蚀钢丝试件进行
本大跨度悬索桥建造时同不长,然而通过现场调査疲劳试验。然后对腐蚀镀锌钢丝的表面粗糙度或腐
发现几座悬索桥在运营10年后部分镀锌钢丝已经蚀坑进行测量,以确定腐蚀程度和腐蚀坑尺寸之间
腐蚀( Furuya等2000)。对这些桥梁检测发现缆索的关系。其次根据腐蚀坑实测结果设计带有人造缺
里面有水,钢丝出现腐蚀,但没发现断裂。2004年口的试件进行疲劳试验,通过人造缺口钢丝与实际
Nakamura进行了腐蚀镀锌钢丝的抗拉试验,发现锈蚀钢丝的疲劳强度对比,研究腐蚀坑形状和尺寸
钢丝实际的抗拉强度(断裂荷载/剩余横截面面积)对疲劳强度的影响。
并不因腐蚀而降低。另一方面,当镀锌层发生腐蚀
时钢丝伸长率不变,然而一旦钢丝开始腐蚀,其伸长
模拟腐蚀试件的疲劳试验
率会下降。
2.1不同腐蚀程度试件的疲劳强度
目前关于钢丝腐蚀断裂机理的一些研究发现钢
设计不同腐蚀程度的试件进行疲劳试验,标准
丝承受高拉应力、弯曲应力和残余应力,在腐蚀环境钢丝试件(未腐蚀)采用直径5mm镀锌钢丝(为珠
中会发生应力腐蚀开裂或氢致脆断现象( Mayrbaurl光体冷拔钢丝),抗拉强度为1570MPa。镀锌质量
和Camo2001)。但有些研究认为氢含量不影响钢为350g/m2,厚度为50xm。用湿纱布包裹镀锌钢
丝延性,钢吸收的氢不是脆断控制因素。还有部分丝,包好后存放在一个封闭盒子里,盒子处于一个温
研究发现钢吸收氢的量还达不到氢致脆断的水平,度(40℃)和相对湿度恒定的室内,以使纱布保持湿
而腐蚀疲劳更容易导致钢丝破坏( Nakamura_2009,润并加速腐蚀。已有研究表明,这种加速模拟的腐
Tarui2001)。 Nakamura在对一座老悬索桥的主缆蚀与实际钢丝产生的腐蚀是相同的( Furuya2000,
钢丝断裂研究中发现,断裂面与疲劳断裂面相似,但 Nakamura_2004, Suzumura2004)。钢丝被存放3、8
收稿日期:2013-01-17
基金项目:国家高技术研究发展专项863计划资助项目(2008AA112101);国家自然科学基金项目(51208430)
编译者简介:叶华文(1982一),男,教授,2004年毕业于西南交通大学土木工程专业,工学学士,2009年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工
程专业,工学博士(E-mail:hbha2000163.com)。
桥粱缆索腐蚀镀锌钢丝的疲劳强度试验硏究叶华文,王义强,孙鹏鹏
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和12个月,分别获得低度、中度和高度3种不同腐
试件
蚀程度,如表1所示。低度腐蚀为试件经过3个月一乙烯胶带
腐蚀,表面覆盖白色锌腐蚀物质;中度腐蚀为试件经
湿纱布
过8个月腐蚀,局部出现铁锈;高度腐蚀为试件经过
12个月腐蚀,产生很多铁锈。用含浓度10%硫酸的
硅胶套管
布清洗腐蚀试件表面,清理后的试件也列在表1中。
表1不同腐蚀程度的试件外观
外观
腐蚀程度
(a)试件
(b)疲劳试验
清理前
清理后
图1潮湿环境中的疲劳试验
图2(a)是中度腐蚀试件在干、湿环境中的S
未腐蚀
N点及未腐蚀钢丝的S~N点( Nakamura2009)。
由图2可知,未腐蚀钢丝疲劳强度高于干燥环境中
的中度腐蚀试件的疲劳强度,而在潮湿环境下的中
低度
度腐蚀试件疲劳强度更低。另一个结果表明,未腐
蚀钢丝的疲劳强度和低度腐蚀试件的差别不大。因
此,只有镀锌层腐蚀的试件疲劳强度变化不大,但当
镀锌层下的钢丝开始腐蚀后,疲劳强度会显著降低。
中度
图2(b)为未腐蚀钢丝和高度腐蚀试件在干、湿环境
中的S~N数据,这种趋势更明显
中度,干燥
高度
500
中度,潮湿
△未腐蚀
腐蚀镀锌钢丝的疲劳强度可能随腐蚀程度的加
剧而降低,因此对未腐蚀钢丝和低度、中度、高度3
300
种腐蚀程度的试件进行疲劳试验。试件固定于相距
200
100mm的夹具之间,并用频率为64Hz循环荷载
10
循环次数N/次
加载,最小应力为500MPa,应力幅为200~600
(a)中度腐蚀试件
MPa,相对湿度低于50%
桥梁缆索经常暴露在潮湿环境中,还承受由温
高度,干燥
度变化和活载产生的循环应力作用,因此进行潮湿
高度,潮湿
△未腐蚀
环境下的疲劳试验以研究腐蚀镀锌钢丝疲劳强度。400
试验方法为:用湿纱布包裹腐蚀钢丝,将其插入1个30
硅胶管,用乙烯基胶带密封硅胶管上面和底部,然后
将试件固定于相距100mm的夹具之间,并用频率
为64Hz的循环荷载进行疲劳加载,如图1所示,这
100
与干燥条件下的疲劳试验一样。用低频进行疲劳试
循环次数N/次
验来模拟腐蚀疲劳的效果会更好,但实际上高频试
(b)高度腐蚀试件
验更方便。 Nakamura曾分别用10Hz和62Hz进
图2试件的S~N点
行了钢丝疲劳试验,效果相同。其它研究者用24
从图2可看出,未腐蚀钢丝的疲劳强度最高,腐
Hz和30H2在不同环境条件下对钢板进行了疲劳蚀程度增加会降低疲劳强度。试件在潮湿环境中的
试验,并观察到其腐蚀疲劳现象的出现(Uhig等疲劳强度低于干燥环境中。很明显,虽然用较高频
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