在役桥梁拉吊索腐蚀-疲劳损伤与破断机理分析

拉吊索(悬索桥的吊索、斜拉桥的斜拉索以及中、下承式拱桥的吊索)是拉索桥梁的重要承重构件,其服役可靠性直接影响这些桥梁的安全性。以拉吊索病害特性为导向,通过有限元分析、索体钢丝的腐蚀-疲劳模拟试验,结合理论分析研究拉吊索的损伤与破断机理,以期为拉吊索的设计、养护以及检测提供参考。首先通过有限元分析发现若下锚固区发生0.001 13 rad的转角,该处产生的弯曲应力就有18.8 MPa,研究下锚固区索体钢丝的病害不能忽视弯曲应力的影响,弯曲应力也是造成长拉吊索发生破断病害的因素之一;接着以近5 a中国西南地区雨水中形成酸雨的离子浓度的平均值为基准值,在盐雾腐蚀箱中模拟酸雨环境,将直径7 mm抗拉强度为1 860 MPa的镀锌钢丝在盐雾腐蚀箱中模拟酸雨腐蚀环境与交变应力耦合作用下索体钢丝的腐蚀-疲劳试验,研究其腐蚀-疲劳损伤机理。研究表明:服役的桥梁拉吊索在腐蚀环境和交变应力耦合作用下发生腐蚀-疲劳损伤,腐蚀-疲劳致使构件腐蚀加剧,塑性降低,脆性增强,发生脆性破断,若在设计、检测、评估分析中对结构的腐蚀-疲劳损伤考虑不充分就会有重大安全隐患;弯曲应力也是造成长拉吊索发生破断病害的因素之一;在相同的腐蚀环境下,随着时间的增加,交变应力工况试件的腐蚀程度最大,其次是静态应力工况,无应力工况下的腐蚀程度最小;试件发生腐蚀-疲劳损伤后,其破断应力约为无腐蚀试件的60%,断后伸长率降低得更多,约为无腐蚀试件的40%,断口表现为脆断;发生腐蚀-疲劳损伤的拉吊索钢丝,若有复杂空间应力的作用,更易发生脆断。     

海洋环境下混凝土中氯离子传输规律

为了解决海洋环境下混凝土结构过早腐蚀,达不到服役寿命的问题,通过对海洋环境下不同腐蚀区域、不同暴露时间的混凝土结构进行氯离子质量分数检测,研究了海洋环境下混凝土在不同区域、不同侵蚀时间的氯离子传输规律。结果表明:海洋环境下当侵蚀时间一定时,混凝土的氯离子质量分数由高到低依次为水下区、潮汐区、大气区,但潮汐区的混凝土外观损伤比水下区严重;当腐蚀区域相同时,混凝土中的氯离子质量分数随腐蚀时间的增加而增大,并随深度的增加而减小,最后趋于稳定;在腐蚀时间和腐蚀区域都相同的条件下,混凝土的抗氯离子侵蚀能力随水灰比的增大而减小。     

腐蚀吊索钢丝力学性能退化研究

为了进行腐蚀吊索承载力评估,需要研究腐蚀吊索钢丝力学性能退化特征。利用103根袁州大桥拆除得到的腐蚀旧钢丝进行静力拉伸试验、疲劳试验和扭转试验。结果表明:在0.05的显著性水平下,腐蚀吊索钢丝的静拉力学性能参数不拒绝正态分布和对数正态分布;相比较新钢丝,即使腐蚀蚀坑尺寸很小,疲劳寿命仍然降低很多;腐蚀钢丝疲劳断口没有明显的宏观塑性变形;腐蚀钢丝的抗扭性能明显退化。     

海洋环境下混凝土桥梁结构抗氯离子侵蚀耐久寿命预测

氯离子临界浓度是研究海洋环境下混凝土结构耐久性的一个重要参数。文章通过对烟威路沿线海洋环境中桥梁氯离子浓度、混凝土保护层厚度、锈蚀电位、电阻率等与结构耐久性相关的技术指标的检测,确定了该沿线环境下钢筋混凝土桥涵在大气区、浪溅区和水位变动区混凝土中诱发钢筋腐蚀的氯离子临界浓度,在此基础上,提出了利用钢筋表面氯离子浓度检测值预测结构抗氯离子侵蚀耐久寿命方法。     

裂缝混凝土中修正的氯离子运移模型研究

通过研究裂缝混凝土中氯离子运移,建立了综合考虑扩散作用、结合作用以及电势场作用的耦合模型,预测带裂缝混凝土结构的寿命。模型从已有试验数据中得到了较好验证。基于南通盐渍土环境,运用Comsol Multiphysics软件分析了裂缝宽度和深度不同的裂缝混凝土中氯离子运移。研究表明:裂缝混凝土中氯离子浓度随侵入深度增加而降低,降低趋缓,随着时间增加而增长,增长趋缓。氯离子从混凝土裂缝运移到混凝土中时,浓度突降。随着裂缝宽度或深度的增大,氯离子含量增加,增加趋缓,宽度差别的影响减小,深度的不同对裂缝中氯离子的运移几乎没有影响,对临界氯离子浓度的侵入影响较大。为保证混凝土结构物100年使用年限,建议严格限制裂缝,保护层厚度采用55mm。     

沿海大气环境混凝土表面氯离子浓度与氯离子扩散系数相关性研究

通过混凝土表面氯离子浓度与氯离子扩散系数的试验研究,分析了不同强度的混凝土在沿海大气环境下表面氯离子浓度与氯离子扩散系数随时间变化的规律,揭示了混凝土表面氯离子浓度与氯离子扩散系数相关性规律。研究结果表明:混凝土表面氯离子浓度随腐蚀时间的增加单调递增,而混凝土氯离子扩散系数随腐蚀时间的增加单调递减,两者随时间而逆向变化,并且两者是强线性相关。并由试验数据建立沿海大气环境混凝土表面氯离子浓度时变模型,进一步根据相关性,得出基于混凝土表面氯离子浓度的氯离子扩散系数拟合时变模型。研究成果可应用于实践工程中,预先建立混凝土表面氯离子浓度与氯离子扩散系数间的相关关系曲线,通过混凝土表面氯离子浓度无损检测结果,间接得到结构混凝土的氯离子扩散系数。     

悬索桥主缆钢丝腐蚀速率计算方法

悬索桥主缆钢丝的腐蚀严重影响着主缆的安全服役,缆内钢丝的腐蚀与其所处的缆内微环境有密切的关系,为预测悬索桥主缆内各区域中钢丝的腐蚀发展和剩余承载力,需建立主缆钢丝区域化腐蚀环境与腐蚀速率之间的计算关系。采用正交试验原理将影响钢丝腐蚀的:温度、相对湿度、Na Cl浓度、p H值、钢丝拉力5个主要因素分为两组,分别采用极化电阻腐蚀传感器和电化学工作站三电极体系两种测量手段对正交工况下的钢丝腐蚀速率进行测量。试验分析数据表明:在试验因素的取值范围内相对湿度和p H值各为两组因素中的主要因素,Na Cl浓度和p H值两个因素之间存在交互效应,温度、相对湿度、钢丝拉力之间相互独立;通过最小二乘法分别拟合得到5个因素与钢丝腐蚀速率之间的拟合计算关系;将实测的主缆内各区域的腐蚀环境统计为腐蚀环境年谱,并代入腐蚀速率与环境因素的计算关系,得到主缆各区域内钢丝的腐蚀速率和直径损失,其中主缆顶部区域腐蚀速率最高为0. 010 8 mm/a,服役20年后直径损失约为0. 02 mm即镀锌层耗损完毕,与实际桥梁检测情况吻合,服役100年直径损失将达到约1. 1 mm,将不能满足主缆的设计要求。建立的腐蚀速率计算方法为计算钢丝腐蚀量提供参考。     

腐蚀桥梁缆索的氢脆和腐蚀疲劳研究

既有悬索桥和斜拉桥的缆索容易遭受腐蚀,影响桥梁安全.通过对不同腐蚀程度的桥梁缆索钢丝试验研究其力学性能和剩余强度.静力试验结果表明:实际腐蚀钢丝的抗拉强度与腐蚀程度关系不大,但当镀锌层消失钢丝开始腐蚀时,其伸长率急剧降低.由于中度腐蚀钢丝的氢累积含量在未受拉和受拉情况下都不大于0.2 ppm,所以当氢含量远小于脆断临界浓度0.7 ppm时,对钢丝张拉没有影响,表明氢脆可能不会发生.疲劳试验结果表明:当仅有镀锌层发生腐蚀时,疲劳强度变化不大;当腐蚀进入镀锌层下的钢材时,疲劳强度会显著降低;潮湿环境下钢丝的疲劳强度与干燥环境下相比会进一步降低.既有悬索桥的断裂钢丝断面分析表明:其断裂面和腐蚀疲劳断面相同,不是氢脆断裂.     

复合盐与干湿循环耦合作用下混凝土材料劣化机理试验研究

为了研究复合盐与干湿循环耦合作用下地下结构混凝土劣化规律,通过RCT氯离子含量测量与混凝土相对动弹性模量测量试验,分别测得不同工况下不同位置处氯离子含量与混凝土相对动弹性模量值,定量分析了硫酸盐浓度与干湿循环次数对混凝土结构劣化情况的影响。试验结果表明:混凝土内部氯离子含量随测试深度的增加而减少;同一深度处,氯离子含量随侵蚀环境中硫酸盐浓度的增加先增多后减少,随干湿循环次数的增加而增多。混凝土相对动弹性模量随硫酸盐浓度的增高而减小,且减小量随硫酸盐浓度的增高而降低;混凝土相对动弹性模量随干湿循环次数的增加先增大后减小。     

缆索用热铸锚锚具和灌铸

缆索广泛用于大跨度桥梁和大型建筑结构，主要有：平行钢丝预制索股和吊索用于悬索桥，斜拉索用于斜拉桥，拉索用于大型建筑结构等。缆索由索股(钢丝、钢绞线、钢丝绳)和锚具构成，合金热铸锚是主要锚固方法之一。介绍缆索用热铸锚锚具和灌铸的现状，分析工程应用中存在的问题，提出一些相关改进措施。     

基于混凝土结构耐久性的海潮影响区环境作用区划研究

通过对桥梁混凝土结构钢筋锈蚀程度分析,提出了海潮影响区的垂直区划和水平区划。以混凝土结构表面氯离子浓度和临界氯离子浓度作为海潮影响区垂直区划的主要划分指标,对不同垂直区划进行了测试和统计分析,提出其在不同垂直区划中的作用值;分析了距海岸线不同距离的海洋大气中的氯离子含量和混凝土结构物表面氯离子浓度,提出了水平区划中重度盐雾区和轻度盐雾区的划分标准。     

氯盐环境下非承载力因素对受弯构件可靠性的影响

在正常使用条件下，钢筋混凝土受弯构件抗力的衰减，主要是由于钢筋腐蚀造成的，在考虑抗力随时间变化的情况下，结构在设计基准期内的可靠性下降。在氯盐环境下导致钢筋腐蚀的主要原因是氯离子侵蚀，本文通过试验确定了水灰比与氯离子扩散系数之间的统计关系，在此基础上以浪溅区的钢筋混凝土受弯构件为例，分析了混凝土保护层厚度、水灰比、设计基准期等与耐久性有关的非承载力因素对设计基准期内结构可靠性的影响。     

基于黏弹性理论的钢筋锈蚀过程变形研究

钢筋锈蚀过程中,应变随时间变化具有黏弹性的特征。采用黏弹性理论的分析方法,推导了钢筋锈蚀过程中的本构关系,提出采用锈蚀系数表征钢筋腐蚀过程中应变的流动特征。根据结构所处环境,将钢筋锈蚀速率模型分为恒定速率、速率增大和速率减小三类模型,并推导了相应环境下钢筋的锈蚀系数计算公式。结果表明前两种模型所得的锈蚀系数随时间持续增大,具有加速蠕变的特征;而速率减小模型对应的锈蚀系数随时间减小并最终接近一常值,呈现衰减型蠕变的特征。同时,在相同锈蚀条件下,钢筋直径越小,锈蚀系数越大;在同等配筋率的条件下,采用直径越小的钢筋后期引起的蠕变也越大。     

影响混凝土表面氯离子浓度的主要因素综述

目前针对混凝土表面氯离子浓度的影响因素的研究分析表明,其主要影响因素有时间、材料及环境三个方面.暴露时间的延长,表面氯离子浓度将会增大;养护时间的延长,使得混凝土结构逐渐变密实,表面氯离子浓度随之降低.水胶比的增大,稳定后表面氯离子浓度将逐渐增大,且会更快地达到稳定状态;加入矿物掺合料之后,氯离子累计速率会明显增大,即表面氯离子浓度会更快地达到稳定状态,且稳定后的表面氯离子浓度也相应增大.暴露环境介质中的氯离子浓度越高,表面氯离子浓度也会越高;混凝土结构离海岸的距离,以及吹向混凝土结构海风的风速也会对混凝土结构表面自由氯离子浓度产生一定的影响.影响混凝土结构表面氯离子浓度的因素众多,想要确切地计算和预测出混凝土结构表面的氯离子浓度有较大的难度,目前国内外对于这方面的工作只能对其采取经验公式进行计算和预测,因此,对于氯离子浓度的计算还有待深入研究.     

悬索桥主缆钢丝腐蚀及力学性质变化分析

主缆是悬索桥的主要承重构件,钢丝的腐蚀是影响主缆耐久性的主要因素.由于主缆内存在很多缝隙,使用过程中会在缝隙内聚积水分,从而导致钢丝腐蚀.主缆内各部分钢丝的腐蚀环境并不一样,造成腐蚀状况也不同.相关模拟试验结果表明,受腐蚀钢丝的实际抗拉强度并未降低,而钢丝的延伸率、扭转强度、疲劳强度大幅度下降.测试腐蚀钢丝吸收的氢元素含量,其浓度并未达到发生氢脆破坏的浓度,因此,腐蚀钢丝表面凹凸不平是钢丝延性降低的主要原因.     

基于分形理论的损伤RC梁裂纹开展研究

锈蚀会导致既有钢筋砼(RC)结构受力性能退化,进而降低其正常使用寿命。文中通过对6片锈蚀RC梁抗弯试验结果的分析,得到了锈蚀梁抗弯性能随锈蚀率变化的规律;依据分形理论,得到了锈蚀RC梁表面开裂过程中的分形特性,探讨了裂缝分维数随腐蚀程度及荷载作用等参数的变化规律,结果表明裂缝分维数随荷载值的增大而增大,极限强度下裂缝分维数随腐蚀程度的增大而减小。     

Q235钢青岛海洋大气腐蚀的灰色模型预测研究

用灰色模型GM(1,1)对桥梁工程常用结构钢(Q235钢)在青岛海洋大气环境中的腐蚀速率建立了预测模型,并对预测模型的精度和合理性进行了检验。结果显示,模型具有较好的拟合精度,预测得到Q235钢16a的大气腐蚀速率和计算值相对误差仅为7.96%,具有较高的预测可靠性。     

腐蚀预应力混凝土梁开裂过程的分形特性

该文根据8根腐蚀PC梁的静载试验,研究了腐蚀对PC梁抗弯承载能力的影响。分析了腐蚀PC梁在各级荷载作用下裂缝的发展规律,证明了PC构件表面裂缝的分布具有分形特性。利用分形理论研究腐蚀PC梁开裂的全过程,讨论了裂缝分维数随荷载及腐蚀率的变化规律。裂缝分维数随荷载的增加而增大;极限荷载作用下的裂缝分维数随腐蚀率的增加而降低。研究表明:裂缝分维数可以作为既有PC构件腐蚀程度的度量指标,这为腐蚀PC构件的安全评估提供了一种新方法。     

基于无损腐蚀监测系统的悬索桥主缆腐蚀试验及数据分析

为了解悬索桥内部的腐蚀环境随外界环境的变化规律,以及影响其腐蚀程度和腐蚀速率的关键因素,该文进行了主缆足尺节段模型腐蚀试验。试验将1∶1的主缆节段模型安放于环境试验箱中,箱内循环模拟降雨过程、高温加热、通风干燥等环境循环过程。与此同时,在主缆模型内部埋置传感器,测量不同部位钢丝的温度、相对湿度及腐蚀速率等环境参数。分析数据得到主缆内温度、湿度的分布情况以及腐蚀与环境之间的关系,结论如下:1温度的测试值与传感器在主缆内埋入的深度有很大的关系,而相对湿度则不然,越靠近主缆的中心位置温度呈现线性增加,而相对湿度则线性减小;2腐蚀程度是由湿度来影响的,当增加湿度时,腐蚀程度会明显地增加近50%,腐蚀的速率主要受到温度循环的影响,腐蚀速度与温度高度地线性相关。     

悬索桥主缆镀锌钢丝腐蚀过程及抗力变化试验研究

为了确定悬索桥主缆镀锌钢丝的剩余抗力和腐蚀外观之间的对应关系,采用中性盐雾试验对16组(共320根)镀锌钢丝试件进行420d的加速腐蚀,观察钢丝的外观腐蚀过程,研究其腐蚀指标随腐蚀程度的变化过程,对腐蚀后的钢丝进行拉伸试验,测试其剩余抗力,并以此为依据对钢丝的腐蚀程度进行分级。结果表明:钢丝的外观腐蚀过程分为镀锌层腐蚀和基体腐蚀2个阶段;钢丝的质量、直径和破断力等指标在镀锌层腐蚀阶段降低较慢,钢丝发生延性断裂,进入基体腐蚀阶段后降低较快,钢丝发生脆性断裂;根据钢丝的腐蚀外观和腐蚀指标、抗力指标的损失,将钢丝的腐蚀分为8个等级,实桥检测时可通过腐蚀外观判断钢丝的剩余抗力。