偏转角对不同腐蚀程度钢绞线力学性能及蚀坑应力影响研究

朱国超， 邓年春，2， 徐 杰， 谢清清

(1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2.广西防灾减灾与工程安全重点实验，广西 南宁 530004)

在现代拱桥结构中，腐蚀是造成危害拱桥吊索安全的影响因素之一，腐蚀钢绞线表面状态往往随着腐蚀程度的增加而变得更加复杂。国内外不少学者已开展了腐蚀预应力钢绞线的轴向静力拉伸试验，研究了腐蚀钢绞线的极限强度、极限应变等力学性能的影响规律。曾严红等[1]先对钢绞线进行电化学加速腐蚀，对预腐蚀钢绞线试件进行静力拉伸，研究得到随着锈蚀程度的增大，钢绞线极限强度迅速减小。余芳等[2]对通电加速腐蚀获得的27根预应力钢绞线试件进行了轴向拉伸疲劳试验，研究了腐蚀后预应力钢绞线的疲劳性能，建立了腐蚀后钢绞线疲劳寿命与腐蚀率之间的关系，同时根据试验结果建立了腐蚀后钢绞线的疲劳寿命方程。通过拱桥吊索断裂事故调查发现[3-4]，大多数破断的短吊索都存在一定的偏转现象。江建文等[5]通过钢绞线偏转角试验研究得到偏转角度与钢绞线弹性模量、屈服强度、极限强度、极限延伸率呈线性下降关系。

以上学者分别对腐蚀钢绞线单轴拉伸的力学性能和不同偏转角下钢绞线的力学性能进行了研究，但对于2个参数同时存在的不同偏转角下腐蚀钢绞线的力学性能影响还有待研究。本文采用铜盐醋酸盐雾试验法得到32根腐蚀钢绞线，通过偏转角拉伸试验，得到不同偏转角对不同腐蚀程度钢绞线力学性能的影响，并利用有限元软件对不同偏转角下钢绞线蚀坑应力集中现象进行分析，为拱桥吊索设计提供有效参考。

1 腐蚀试验

试件采用直径为15.2 mm的1860级7丝镀锌高强钢丝钢绞线，考虑到西南部环境中有一定量的铜离子存在，腐蚀试液采用铜盐醋酸盐雾[6]，分为静态腐蚀和应力腐蚀2种。静态腐蚀是指钢绞线在无应力状态下进行加速腐蚀，应力腐蚀是将钢绞线放入小型反力架，用千斤顶对钢绞线张拉至0.45σb，编好号后与反力架一起放入盐雾腐蚀箱，如图1和图2所示。

图2 应力腐蚀

根据文献[7]、文献[8]可知，当钢绞线在温度T=40 ℃、相对湿度RH=90%的标准潮湿空气环境下，1 h的腐蚀时间等于自然环境环境下约7.8 h的服役时间，由此可推算自然环境下服役1 a的钢绞线吊索等同于试验环境下的262.3 h。对静态腐蚀分为3组试验，腐蚀时间分别为360、720、1 080 h，约等同于自然环境下的1.4、2.8、3.2 a。应力腐蚀进行1组试验，腐蚀时间为720 h，等同于自然环境下的2.8 a。得到腐蚀后的钢绞线试件后对比腐蚀程度。

根据《GB/T 2423.17》国家标准关于铜盐加速醋酸试验的规定，调整好盐雾腐蚀箱参数，盐雾腐蚀室温度控制在(40±1)℃，饱和空气筒温度控制在(65±1)℃，压力设置为(1.0±0.1)kg/cm2，并且采用计时功能严格控制腐蚀时间。

2 腐蚀钢绞线试验结果分析

2.1 腐蚀形态对比分析

从图3可以看到不同周期时间下的腐蚀钢绞线形态差别很大。腐蚀时间为360 h时，钢绞线表面出现一层白色的覆盖物，这是由于钢绞线表面的镀锌层与腐蚀气体发生化学反应，生成一层致密的氧化物。同时产生的NaCl固化物黏附在上面，局部出现红褐色腐蚀物；腐蚀时间为720 h时，普通腐蚀钢绞线表面的白氧化物几乎完全脱落，露出钢绞线本体，并且在钢丝接触的缝隙中产生红褐色腐蚀物；应力腐蚀钢绞线表面存留一定量的白色氧化物，局部出现大量红褐色腐蚀物，覆盖钢绞线本体；腐蚀时间为1 080 h时，钢绞线表面出现大量的红褐色和黑色腐蚀物，说明腐蚀程度进一步增加。

图3 腐蚀钢绞线试件

清洗过后的钢绞线如图4所示。腐蚀时间为360 h时，钢绞线的镀锌保护层几乎完全腐蚀掉了，局部出现面积较小、肉眼几乎无法观察的蚀坑，可以认为这个阶段仅侵蚀掉镀锌保护层；腐蚀时间为720 h时，普通腐蚀钢绞线出现大量深浅不一的蚀坑，并且随机分布，应力腐蚀钢绞线表面出现的蚀坑更为密集一些；腐蚀时间为1 080 h时，钢绞线表面几乎布满深浅不一的蚀坑，许多相邻腐蚀坑连接在一起造成质量缺失。

图4 清洗后的钢绞线试件

2.2 腐蚀程度对比分析

对于钢绞线这种材料形态较为特殊，不便于直接测量或者计算其面积实际缺损，因此采用失重法[9]来衡量腐蚀速度是较为直观的。其计算公式为

(1)

式中，m前为钢绞线腐蚀前的质量；m后为钢绞线腐蚀后的质量。

由于钢绞线试件较多，对钢绞线进行统计后仅取不同腐蚀时间钢绞线对应的平均腐蚀程度，如表1所示。普通腐蚀下的钢绞线腐蚀程度随着时间的增加而增大，并且其腐蚀速率也随之增大。在0～360 h期间，主要对钢绞线镀锌层腐蚀破坏，减小的质量镀锌层占比大。在相同时间下，加载0.45σb的应力腐蚀情况下的腐蚀程度远远大于普通腐蚀，约为1.62倍。

表1 腐蚀程度对比

3 腐蚀钢绞线偏转角试验

3.1 试验概况

吊杆的轴偏转角主要是通过两端锚固区产生相对位移而引起的。这种转角与轴向荷载形成角度差，导致钢绞线其中一侧产生应力集中现象。为了更贴合实际工况，设计能够实现4个弯曲角度(0、10、20、30 mrad)的锚板如图5所示，实线圆为锚板1穿孔位置，虚线圆为锚板2对应偏转角穿孔位置。先将垫板安装在反力架左右，将钢绞线依次从锚孔中穿过，由此实现轴偏转角。图6为试验示意图，钢绞线左侧采用挤压锚固，右侧依次套上夹片锚具、压力传感器和千斤顶。

图5 锚板示意图(单位:mm)

图6 试验示意图

拉力加载方式按照《预应力混凝土用钢材试验方法》(GB/T 21839—2008)的有关规范进行。本试验先按照每级10 kN分级加载方式，当荷载达到90 kN后，按照每级5 kN分级加载，直到钢绞线第1根钢丝断裂，取该值为极限破断值。随后继续加力，直至钢绞线完全断裂。为减少试验所造成的误差，每级加载结束后持荷10 min，待仪表数值稳定后，再进行数据采集。

3.2 试验结果分析

清洗完钢绞线后，在不同轴偏转角度情况下(0、10、20、30 mrad)，对钢绞线进行静态拉伸试验，研究不同腐蚀程度镀锌钢绞线在不同轴偏转角度情况下的力学性能。破坏形式以2张典型破坏形状为例，如图7所示。可以看到钢绞线断裂位置接近锚固端，但其原实际断裂位置就在锚固端处，这种现象是由于钢绞线断裂滑移引起钢绞线回缩，拉力的突变使钢绞线往另一端移动。钢绞线在张拉过程中，会产生解螺旋的现象，由此当钢绞线破断时整体会呈现“爆炸”状，钢丝以中丝向四周散开，各钢丝由于受力不均匀，断口不整齐。

图7 腐蚀钢绞线破坏形态

图8 腐蚀钢绞线破断力值拟合曲线图

表2是腐蚀钢绞线破断力值，图8为破断力值的拟合曲线图。取的是每组2根钢绞线的平均破断力值。可以看到腐蚀钢绞线极限破断力随着轴偏转角增大而减小，减小幅值也增大，且腐蚀时间越大其破断力值越小；在相同腐蚀时间内，应力腐蚀的钢绞线力学性能小于普通腐蚀钢绞线。随着轴偏转角度的增大，钢绞线不仅承受越来越大的轴向拉应力，并且承受着逐渐增大的附加弯曲应力，引起钢绞线锚固端应力集中，导致钢绞线的极限强度下降；随着腐蚀程度的增大，钢绞线表面随机出现蚀坑，钢绞线某些截面面积发生突变。在两端拉力的作用下，蚀坑会产生应力集中，并且偏转角对不同位置的蚀坑应力具有一定的贡献度，这也进一步降低了其力学性能。

表2 腐蚀钢绞线破断力值 kN

4 钢绞线蚀坑应力分析

通过对钢绞线腐蚀蚀坑相关文献的研究[10-11]，蚀坑的形状多种多样，选取理想状态下的半球形蚀坑建立有限元模型。随机选取钢绞线任意一根外丝，在远轴侧距离“加载段”1 cm、1/4索体及索体中部建立0.6 mm深度的半球状蚀坑，对这3个位置分别以A、B、C进行编号,如图9所示。钢绞线模型一端固定连接，一端施加位移和拉力。施加拉力0.45σb=117 kN。设置4个不同轴偏转角(0、10、20、30 mrad)，分析得到偏转角对不同位置蚀坑应力的影响规律。

图9 钢绞线蚀坑模型

蚀坑周围采用加密网格划分方法[12]，见图10，为了准确模拟蚀坑应力变化，蚀坑有限单元的边长取值为0.01 mm，边缘变化质量最大。蚀坑所在钢丝其余部分采用映射网格的划分方法，单元的最大边长为0.5 mm。其他钢丝采用边缘尺寸调整为12个区域，利用扫略划分网格，单元边长取值1 mm，确保模拟精准度的同时节约算力。

图10 蚀坑网格加密

以偏转角30 mrad蚀坑A应力云图为例。如图11所示，蚀坑表面出现集中应力带，呈椭圆形分布。应力值蚀坑底部沿外围呈阶梯减小，到达蚀坑横向边缘时应力值最小。这是由于受轴向拉力，对蚀坑底部横截面的受力最大。

图11 蚀坑应力云图

图12为钢绞线未发生偏转时蚀坑截面应力图，可以看到不同位置的蚀坑应力大小基本相同，这是由于钢绞线仅受轴向拉力，索体整体截面受力均匀，任意位置蚀坑受力也相同。蚀坑引起钢绞线截面减小，所以蚀坑位置会产生应力集中现象，蚀坑表面应力最大，应力由外向内逐渐递减。

图12 0 mrad蚀坑应力云图

图13～图15为不同偏转角下蚀坑的应力云图。索体中部蚀坑的应力基本相同，并不随偏转角的增大而变化。而索体1/4处和锚固端部蚀坑应力随偏转角增大而增大，离锚固端越近产生的集中应力越大。当偏转角为10 mrad时，蚀坑A的应力比分别比B、C增加了36.5%、10.7%;偏转角为20 mrad时，蚀坑A的应力比分别比蚀坑B、C增加了77.6%、20.2%;偏转角为30 mrad时，蚀坑A的应力比分别比B、C增加了98.1%、13.5%。

图13 10 mrad蚀坑应力云图

图14 20 mrad蚀坑应力云图

图15 30 mrad蚀坑应力云图

在桥梁长期服役期间，锚固端属于吊杆与拱肋和横梁的交界处，其受力最为复杂。此外，根据大量文献研究可知，端部的腐蚀程度较索体更为严重。因此对腐蚀钢绞线吊杆而言，当吊杆发生偏转角时，锚固端的蚀坑应力远远大于其他蚀坑。由此可见，腐蚀坑这一缺陷的存在使得钢绞线出现了严重的应力集中现象，这必将对钢绞线吊杆的力学性能产生巨大影响，应着重对锚固端区域进行加固处理。

5 结论

通过不同腐蚀程度钢绞线试验、偏转角拉伸试验及有限元模拟，得到以下结论：

(1)镀锌钢绞线的腐蚀程度随着腐蚀时间的延长而增大，在腐蚀周期为360 h时，镀锌钢绞线破坏的主要是表面的镀锌保护层，内部钢丝并未受到侵蚀。钢绞线在受到拉应力的作用下会加快钢绞线的腐蚀速率，导致钢绞线表面更容易产生缺陷，在相同腐蚀周期下，持荷状态下的钢绞线比无应力下的钢绞线更容易被破坏。

(2)腐蚀钢绞线极限破断力随着轴偏转角增大而减小，在相同的腐蚀率下，偏转角引起钢绞线锚固端位置应力集中，进而导致钢绞线的极限强度下降。

(3)最大集中应力出现在蚀坑的中部，在蚀坑中间形成应力带，并且从中间向两边分层递减。随偏转角的增大，越靠近锚固端位置的蚀坑应力越大。因此，工程实际中应着重考虑偏转角对腐蚀吊索锚固端的影响。