腐蚀后节段式钢箱梁的热点应力研究*

郑　重，方太云，梁清宇，张　剑，殷王华

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；3.江苏省交通运输厅工程质量监督局，江苏 南京 210001；4.南京航空航天大学，江苏 南京 210016)



腐蚀后节段式钢箱梁的热点应力研究*

郑重1,2，方太云3，梁清宇1,2，张剑4，殷王华4

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；3.江苏省交通运输厅工程质量监督局，江苏 南京 210001；4.南京航空航天大学，江苏 南京 210016)

钢箱梁的腐蚀过程复杂多变，且影响钢箱梁腐蚀的因素众多，对于不同的地理环境，钢箱梁表现出的腐蚀规律有较大差别。根据钢箱梁腐蚀的幂函数模型，针对钢箱梁节段式构件，建立了节段式钢箱梁的有限元计算模型，按钢箱梁均匀腐蚀进行处理，并利用外推法等对焊接区域的热点应力进行了计算分析。结果表明，钢箱梁服役一定年限后，由于腐蚀会导致钢箱梁的热点应力超过屈服强度。研究结论可供工程设计参考。

钢箱梁；腐蚀；热点应力；有限元

ResearchoftheHotSpotStressofSteelBoxGirderReinforcedwithCarbonFiberSheet

钢箱梁的腐蚀过程复杂多变，影响钢箱梁腐蚀的因素繁多，而且在不同的地域上，钢箱梁表现出的腐蚀规律有较大差别[1-2]。到目前为止，钢材的大气腐蚀模型主要有幂函数模型、灰色预测模型、BP神经网络模型和考虑大气成分的腐蚀模型等[3]。钢箱梁腐蚀的主要形态主要有两大类：一是全面腐蚀；二是局部腐蚀。全面腐蚀即通常意义上说的均匀腐蚀，局部腐蚀可以细分为点蚀、缝隙腐蚀、磨损腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等多种腐蚀形态[4-5]。由于在室内试验中主要采用试件浸泡试验法，因此其腐蚀类型应主要为均匀腐蚀，局部表现为点蚀、应力腐蚀[6-8]。本文在含腐蚀影响的节段式钢箱梁试件分析中，按钢箱梁均匀腐蚀进行处理。

1　节段式钢箱梁试件

根据江阴大桥的节段式钢箱梁，设计出节段式钢箱梁试件的形状和尺寸(见图1)，试件为由顶板和U型纵肋焊接成的结构。试件的材料为Q345b钢，焊接材料为E50型。

试件的涂装方案为节段式钢箱梁U型肋外部喷涂硅酸锌车间底漆15μm，环氧云母氧化铁中间漆150μm，环氧面漆100μm，共3道；U型肋内部只喷涂硅酸锌车间底漆15μm，共1道；钢箱梁桥面行车道处喷涂硅酸锌车间底漆15μm，环氧富锌底漆75μm，高固体份厚浆型环氧沥青面漆250μm，共3道。

图1　节段式钢箱梁试件尺寸

2　钢箱梁计算模型和数据分析

应用ANSYS软件建立有限元模型(见图2)，钢箱梁模型采取体单元solid45模拟，模型材料选取钢材的弹性模量210GPa和泊松比0.3。江阴大桥位于近城市区域，该大桥钢箱梁的顶板的板厚损失量(双面腐蚀)见表1。

图2　钢箱梁有限元模型

经历时间/a顶板厚度/mm板厚损失量/mm50.2080.417100.3140.628200.4740.948400.7151.430600.9091.818801.0782.1561001.2312.4621201.3712.743

近年来，使用热点应力的方法对焊接结构进行疲劳设计和评定受到了广泛重视。使用热点应力评定焊接区域，主要有如下几种外推方法。

1)距离热点0.5t处粘帖应变片(或直接提取距离热点0.5t处的应力值)，以该处的应变值(或应力值)作为热点处的应变值(或应力值)。

2)各船级社推荐的两点线性外推公式，提取距离热点位置0.5t和1.5t处的应变值(或应力值)：

εs=1.5ε(0.5 t)-0.5ε(1.5 t)

(1)

σs=1.5σ(0.5 t)-0.5σ(1.5 t)

(2)

式中，εs是焊接处热点应变；σs是焊接处热点应力。

3)国际焊接学会(IIW)推荐的两点线性外推公式，提取距离热点0.4t和1.0t处的应变值(或应力值)：

εs=1.67ε(0.4 t)-0.67ε(1.0 t)

(3)

σs=1.67σ(0.4 t)-0.67σ(1.0 t)

(4)

4)计算热点应力的三点二次外推公式，提取距离热点0.4t、0.9t和1.4t处的应变值(或应力值)：

εs=2.52ε(0.4 t)-2.24ε(0.9 t)+0.72ε(1.4 t)

(5)

σs=2.52σ(0.4 t)-2.24σ(0.9 t)+0.72σ(1.4 t)

(6)

5)计算热点应力的三点二次外推公式2，提取距离热点0.5t、1.0t和2.5t处的应变值(或应力值)：

εs=1.875ε(0.5 t)-1.25ε(1.5 t)+0.375ε(2.5 t)

(7)

σs=1.875σ(0.5 t)-1.25σ(1.5 t)+0.375σ(2.5 t)

(8)

经过10a的腐蚀，热点应力原始测点应力值见表2，外推得到的热点应力值见表3。

表2　腐蚀10 a顶板和U型肋焊趾处外推点的应力值　(MPa)

注：位置以图1中侧视图的左侧为零基准，选取顶板与U型肋间焊接区域。

表3　腐蚀10 a顶板和U型肋焊趾处的热点应力值

由上述结果可知，考虑腐蚀对节段式钢箱梁试件焊缝热点应力的影响，在试验荷载等级25kN、不考虑涂装对钢材的保护作用下，经过10a腐蚀的试件就不能满足工程的承载能力要求了。

3　结语

在试验荷载水平下，经过10a的腐蚀，90mm处测点经过推算得到的热点应力值超过Q345b钢的屈服强度，此时试件已经不满足工程承载能力的要求。本文腐蚀模型没有考虑涂装对试件的保护作用。在通常情况下，只有在涂装发生破坏处的钢材才会大规模的均匀腐蚀，且在防腐涂装的保护下，其寿命远远大于10a。

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[8] 周太全. 桥梁构件局部热点应力分析及其疲劳损伤累积过程模拟[D]. 南京:东南大学, 2003.

* 浙江省水利厅科技项目(RC1445)

责任编辑郑练

ZHENGZhong1,2,FANGTaiyun3,LIANGQingyu1,2,ZHANGJian4,YINWanghua4

(1.ZhejiangInstituteofHydraulics&Estuary,Hangzhou310020,China; 2.ZhejiangGuangchuanEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Hangzhou310020,China; 3.QuanlitySupervisionBureauofTransportationDepartmentofJiangsuProvince,Nanjing210001,China; 4.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing

210016,China)

Thecorrosionofthesteelboxgirder’sprocessiscomplicatedchangeable.Thefactorsofinfluencingthecorrosionofsteelboxgirderarevarious.Indifferentareas,thereisabigdifferenceonthecorrosionbehaviorofthesteelboxgirder.Accordingtothepowerfunctionmodelofsteelboxgirdercorrosion,thefiniteelementcalculationmodelofsteelboxgirderisestablishedonaccountofthesectionaltypeofthesteelboxgirder.Then,thesteelboxgirderiscorrodeduniformly.Fromtheresults,itisfoundthatthehotspotstressoftheweldingzonehasbeenexceededtheyieldstrengthoftheweldingzoneaftersomeyearsofcorrosion.Theresearchconclusionscanbeusedforthereferenceintheengineeringdesign.

steelboxgirder,corrosion,hotspotstress,finiteelementmethod

2015-12-24

U441A

郑重(1977-)，男，高级工程师，主要从事结构工程等方面的研究。