钢结构桥梁焊接节点腐蚀疲劳研究

2020-02-27刘红亮中国建筑第二工程局有限公司海南分公司

门窗 2020年6期

刘红亮中国建筑第二工程局有限公司海南分公司

1 前言

钢结构桥梁焊接节点是一个较为容易出现腐蚀和疲劳的部位，如果不对其进行有效的防护工作，就会降低钢结构桥梁的使用寿命，甚至会造成较为严重的安全事故。因此，对于钢结构桥梁焊接节点腐蚀的原因、特点以及主要形式都要进行深入分析，进而更好地探索出有效的防护技术，降低安全事故产生的几率。

2 钢结构桥梁焊接节点腐蚀疲惫的原因

钢结构桥梁焊接节点腐蚀，指的是钢材料与外部环境中的侵蚀因素发生化学或者是电化学的相互作用，进而导致钢材料被破坏的过程。造成钢结构桥梁焊接节点腐蚀主要原因包括大气水分腐蚀和海水腐蚀：大气水分腐蚀是指大气中水分、氧气以及其他腐蚀成分对钢结构桥梁焊接节点的破坏；海水腐蚀指的是海水中含有的氧离子、氯离子以及海洋生物对钢结构桥梁焊接节点的破坏。同时，钢结构桥梁焊接节点腐蚀程度还可以分为局部腐蚀和均匀腐蚀：局部腐蚀的破坏位置较为集中，多数为一个腐蚀程度较高的集中点，从而引起钢结构桥梁产生脆性断裂，会造成严重的突发性安全事故；而均匀腐蚀相对于局部腐蚀来说，危害程度较低，不会引起钢结构桥梁的突发性断裂，但依旧会影响钢结构桥梁的使用寿命。

钢结构桥梁焊接节点的构造较为复杂，包含各种类型的缺口、细节等组成要素，因此，这也是发生钢结构桥梁焊接节点疲劳主要位置。由于外部环境、气候条件、荷载程度以及使用时间等方面的原因，会使钢结构桥梁焊接节点不断增强疲劳状态，并且使钢材料的质量不断下降，进而造成焊接节点的损伤，并且在一定程度上降低了钢结构桥梁焊接节点的抗损伤能力和抗断能力，大大影响了钢结构桥梁的使用寿命。一方面，外部气候的不可抗因素造成钢结构桥梁焊接节点疲劳现象是无法避免，只有技术人员定期对钢结构桥梁焊接节点进行排查和维护，才能有效降低钢结构桥梁焊接节点的疲劳情况；另一方面，由于荷载情况的不确定性，导致钢结构桥梁焊接节点在进行设计和施工时，无法依据实际情况来进行合理安排，进而为后续的钢结构桥梁焊接节点造成疲惫增加更多的隐患[1]。

3 钢结构桥梁焊接节点腐蚀疲惫的特点

钢结构桥梁焊接节点受到腐蚀的部位主要集中在桁梁结构、钢箱梁以及缆索系统中，不同桥梁位置的腐蚀条件和腐蚀程度也存在着差异，导致钢结构桥梁各个焊接节点的实际腐蚀情况也不一样。对于桁梁结构部分的钢材料腐蚀，面板以上的部分主要是由于受到雨水冲刷和紫外线照射而导致的侵蚀；面板以下的部分主要是由于水蒸气蒸发、排放的污染物而造成的腐蚀。对于钢箱梁部分来说，由于该结构内部通风条件较差，很容易聚集出潮湿的水蒸气，进而造成钢箱梁的腐蚀。对于缆索系统来说，由于长期暴露在外，会受到来自雨水、空气中污染物以及紫外线照射等方面的侵蚀，因此受到破坏的程度也比较高。基于此，使钢结构桥梁焊接节点受到腐蚀的因素主要包括环境因素、材料因素以及人为因素，技术人员要根据钢结构桥梁的实际情况，来采取最为科学、合理的维护措施。

在钢结构桥梁的使用过程中，其焊接点出现疲劳的初始阶段，从外部来看并不会十分明显，只是部分零件或构件上存在细节性的变化。但若不加强对钢结构桥梁的定期排查工作，就会使钢结构桥梁焊接节点的细节处不断进行疲惫和老化，一方面加快了焊接节点受到腐蚀的速度，另一方面大大增加了发生安全事故的风险程度。随着钢结构桥梁的疲劳程度不断增加，细节处的破损也会变得越来越明显，钢结构桥梁焊接节点会开始出现裂纹、变形、加速老化等现象。此时的钢结构桥梁焊接节点应该进行及时的维修、更换等工作了，如果使钢结构桥梁焊接节点不断受到疲劳和腐蚀的破坏，不光会影响钢结构桥梁的荷载能力、使用寿命等因素，还会对过往车辆和行人造成极大的安全威胁。

此外对于钢梁的各类连接节点来说，如果在详细的运行过程中，发现某个节点失效，那么该节点就无法实现对钢梁结构的全面性固定，这也就是说，针对整个系统中的其他部位，则很可能在自然环境的进一步侵蚀之下，或者钢梁在处于承受振动的环境之下，使得其他的焊接节点需要承受更多的载荷。当此时，在其他区域的相关载荷产生之后，很可能会逐渐无法承担原有的承力性能要求，所以从其他节点的失效时间上来看，相对于设计结果的期望值，会在更短的时间内出现大范围的失效现象，甚至产生严重的后果，可以说正是由于某一个节点出现了失效问题，从而导致整个系统的运行寿命大幅度下降。

4 钢结构桥梁焊接节点腐蚀疲劳的主要形式

钢结构桥梁焊接节点腐蚀对于钢结构桥梁焊接节点疲劳的影响主要体现在，腐蚀作用会使钢结构桥梁焊接节点疲劳缺口效应不断加强，并使细节处和缺口处的裂纹扩大速度越来越快。此外，受到腐蚀的钢结构桥梁焊接节点的抗疲劳程度有未受到腐蚀的钢结构桥梁焊接节点之间存在很大的差异。钢结构桥梁焊接节点腐蚀和疲劳的主要表现结构可以分为两类：一是钢结构桥梁焊接节点在腐蚀环境下产生疲劳，也就是说钢结构桥梁焊接节点在腐蚀因素与荷载疲劳的共同作用下，而产生的损坏；二是预腐蚀疲劳，指的是钢结构桥梁焊接节点在已经被腐蚀因素腐蚀了一段时间之后，受到了荷载疲劳的作用，进而产生的损坏。基于此，可以将钢结构桥梁焊接节点腐蚀疲劳分为环境介质引起的腐蚀损伤以及循环应力引起的疲劳损伤这两种形式，这两种形式存在相互作用、相互叠加的存在状态。

一旦钢结构桥梁焊接节点产生腐蚀疲劳，最为直接的表现形式就是其裂纹萌生机理。影响钢结构桥梁焊接节点腐蚀疲劳裂纹萌生机理的主要因素包括材料、环境以及人为等方面的因素。钢结构桥梁焊接节点腐蚀疲劳裂纹萌生机理主要变化过程可以描述为：在初始阶段中，使钢结构桥梁焊接节点形成蚀坑；随着腐蚀疲劳的程度不断加深，蚀坑的面积也会不断扩大；进而使蚀坑逐渐转变为断裂纹；并且在随着断裂纹遭受腐蚀的情况后，慢慢增长为长裂纹；最终形成钢结构桥梁的断裂。此外在桥梁的日常运行中，无论是承受载荷时，还是非承受载荷时，桥梁都会处于振动状态，在一些较为特殊的情况下，桥梁上所承受的载荷以及在自然环境的作用下，会产生共振现象，此时桥梁所承受的载荷和能量得到了大幅度的提高。对于桥梁中的焊接点，相对来说相较于钢材本身来说，焊接节点的强度要低于钢材本身，此时在振动的情况下，如果是非共振情况下，则属于疲劳断裂和腐蚀断裂。但是在共振情况下，焊接节点会在极短的时间内无法承受承担的能量，此时焊接节点上往往还未能行程腐蚀坑或者腐蚀坑的深度较浅，不过焊接节点很可能直接出现贯穿性的断裂纹。

5 钢结构桥梁焊接节点腐蚀疲劳寿命评估

一方面，通过不断的研究和实验可以发现，将钢结构桥梁焊接节点腐蚀疲劳状态与钢结构桥梁焊接节点疲劳状态进行对比，发现其使用寿命的平均时间之间的差异并不是很大，因此，可以证明无论是钢结构桥梁哪种形态的损伤，都会在一定程度上影响其使用寿命。除此之外，造成钢结构桥梁焊接节点腐蚀疲劳的主要因素可以包含截面面积的损失、水分侵蚀以及锈蚀坑。基于此，可以发现影响钢结构桥梁焊接节点使用寿命的原因可以归为三类：一是截面厚度损失导致的截面模量降低，促使应力加大，从而影响钢结构桥梁焊接节点使用寿命；而是腐蚀坑周围的应力过于集中，导致钢结构桥梁焊接节点无法长期进行承受，从而形成突发性破损或断裂；三是钢结构桥梁焊接节点在处于腐蚀环境时，裂纹增长的速度会不断加快，到这钢结构桥梁焊接节点破损的面积越来越大，从而发生断裂。此外对于焊接节点的具体腐蚀性疲劳寿命研究过程中，也需要分析在某个节点失效的情况之下，且其他影响参数并为发生变化之时，整个系统当前所存在的相关参数变化特征，如果发现取得的相关参数从最终取得的结果上来看，很容易和设计期望数值之间出现较大的差别时，则需要对这类信息做出后续的修复。此外如果发现在某个节点失效后，对于其他节点造成的影响过大，那么就意味着，该焊接节点可能会对整个体系造成极其深远的影响，当此时就需要经过进一步的数学模型建设工作，以分析具体造成了影响效果。

另一方面，钢结构桥梁焊接节点腐蚀和疲劳的形成原因，在一定程度上还与钢结构桥梁性能退化有关。由于钢结构桥梁焊接节点在受到腐蚀的同时，还会受到不同程度的荷载压力，导致钢结构桥梁的使用寿命逐渐降低。这也就证明了钢结构桥梁焊接节点腐蚀疲劳不光是一种复杂的化学反应作用，更是与力学作用有很大的关联。基于此，在对钢结构桥梁焊接节点进行维修、保养工作时，不光是要考虑到钢材质受外部因素腐蚀的情况，同时也要考虑钢结构桥梁的荷载能力，进而对整个钢结构桥梁进行调整和改良，控制钢结构桥梁通行车辆的荷载数，进而在最大程度上降低钢结构桥梁的疲劳程度。

在当前的信息化技术使用中，已经开始大量使用数学模型思想，分析并研究在当前的工作制度、工作理念和系统运行中，可否根据目前的信息协调信息取得所有的信息，本文认为在今后的信息处理和分析过程中，也必须要可以全面按照当前的所有信息处理方案与各类数据的工作方案，研究在各类信息的具体处理过程中，如何实现针对所有信息的后续整理和分析方法，以研究桥梁焊接节点的寿命参数。针对所有风险的分析和研究规程中，必须要全面分析所有信息的处理方案与工作需求，其中桥梁焊接节点的寿命影响因素包括环境腐蚀、疲劳断裂、振动信息乃至于共振信息，当然并非所有的影响因素都长期存在，此时就要建立分段数据的分析模式，其中桥梁焊接节点出现了共振问题时，很可能会在极短的时间内失效，此时要在建立的模型中分析共振问题的发生概率，当然该参数极低，但是在计算中不可直接去除。对于腐蚀参数以及疲劳参数，则要根据当前的数据处理方法和信息的调整方案，并分析在这类因素的影响下桥梁焊接节点的失效速度，并且分析各类不同因素的影响和作用环境下，对于相关数据信息的后续处理方法。