李巖 ,楊婷婷 ,夏梁鐘
(1.哈爾濱工業(yè)大學交通科學與工程學院,黑龍江哈爾濱150090;2.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院,黑龍江哈爾濱150090;3.廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧530000)
斜拉索作為斜拉橋的關鍵構件,運營期承受車輛和風荷載等反復作用,其疲勞問題一直廣受關注.環(huán)境和人為因素的影響可造成拉索系統(tǒng)發(fā)生腐蝕,進而造成其抗疲勞性能退化[1-4].國內外有關拉索腐蝕和疲勞性能評價等問題已開展了一些研究工作.徐俊結合實際斜拉索檢測數據,建立了鋼絲銹蝕程度八等級分級標準[2];徐陽通過人工加速腐蝕試驗,利用腐蝕因子描述了高強鋼絲均勻腐蝕與點腐蝕間的關系,建立了高強鋼絲腐蝕退化的預測模型[3];侯金生對某大橋換下的腐蝕拉索進行疲勞試驗,建立了腐蝕拉索S-N曲線時變退化模型[5];蘭成明等研究提出鋼絲疲勞壽命的多參數Weibull模型,分析了斜拉索疲勞壽命與其內部鋼絲疲勞壽命及斷絲率的關系[6];Faber等指出平行鋼絲拉索疲勞壽命服從Weibull分布,并根據貝葉斯理論更新了平行鋼絲的疲勞壽命評估模型[7];Matteo等從服役斜拉橋更換下的拉索中獲取鋼絲樣本,進行力學性能測試來評估服役階段索結構的可靠指標[8];Cremona等基于Monte-Carlo法建立了拉索可靠性評估模型[9];Maljaars等考慮拉索初始缺陷,基于斷裂力學方法提出一種評估拉索抗力的概率模型,依托工程實例進行了斜拉索的疲勞失效分析[10];álvarez等對一座服役25年的多塔斜拉橋拉索退化過程進行分析,結果表明腐蝕可導致拉索疲勞壽命大幅下降[11].目前針對在役橋梁斜拉索的疲勞可靠性預測和評定研究中,腐蝕因素影響還少有考慮.不同腐蝕狀況對運營斜拉橋拉索的疲勞可靠性影響規(guī)律尚不明晰,難以為在役橋梁斜拉索的疲勞評估和狀態(tài)預測提供必要的依據和理論基礎.
為此,本文在隨機車輛-風-橋梁系統(tǒng)動力響應分析理論框架下,結合既有研究的人工加速腐蝕高強鋼絲疲勞性能試驗結果,建立了考慮腐蝕影響的運營環(huán)境下斜拉索疲勞可靠度分析方法.依托算例開展腐蝕對運營環(huán)境下斜拉橋拉索疲勞可靠性的影響研究,可為在役斜拉橋拉索的疲勞壽命評價和安全評估提供參考.
依據拉索常用鍍鋅高強度鋼絲試件的人工加速腐蝕試驗結果[3,12],通過對不同人工加速腐蝕時長的鋼絲樣本表觀狀況與腐蝕分級特征描述[2]的比對分析,得到試驗樣本鋼絲腐蝕等級如下:1 d-腐蝕等級Ⅰ;7 d-腐蝕等級Ⅱ;10 d-腐蝕等級Ⅲ;30 d-腐蝕等級Ⅳ;60 d-腐蝕等級Ⅴ.選取腐蝕暴露時間為1 d、7 d、10 d、30 d和60 d的腐蝕鋼絲進行4種應力水平(0.4~0.8 σu、0.3~0.6 σu、0.25~0.5 σu和 0.2~0.4 σu,σu=1 670 MPa為極限強度,應力比為0.5)的疲勞強度試驗.該試驗采用先對鋼絲預腐蝕,后進行疲勞試驗的拉索腐蝕疲勞常用試驗方法,未考慮應力與腐蝕的交互作用.基于試驗結果,擬合得到上述5種不同腐蝕程度鋼絲的疲勞壽命曲線.
既有研究結果表明平行鋼絲斜拉索的高強鋼絲和拉索的S-N曲線斜率相同,且當概率保證率為99.7%時,拉索疲勞壽命大于鋼絲疲勞壽命,設計疲勞壽命200萬次的研究結果類似[3,6].同時,拉索疲勞壽命主要由組成拉索的一小部分疲勞壽命最短鋼絲控制.考慮到實際運營環(huán)境中的拉索腐蝕并不是均勻發(fā)生的,一般按照腐蝕程度最為嚴重的部分鋼絲狀況確定等級[2].為此,本研究偏安全的基于前述腐蝕鋼絲疲勞試驗結果,將腐蝕鋼絲與拉索的疲勞壽命曲線等效,得到不同腐蝕等級的拉索(對應不同加速腐蝕周期)的S-N曲線方程如下:
上述腐蝕和疲勞試驗過程和相關數據可參考文獻[13],此不贅述.目前工程設計中對于斜拉索一般以考慮安全系數的設計荷載(如車輛活載等)下通過200萬次等效加載循環(huán)作為評價其疲勞性能的標準.相關研究引用最為廣泛的是美國后張法學會斜拉橋委員會基于大量試驗數據給出的拉索疲勞設計準則,其中平行鋼絲拉索200萬次加載循環(huán)的疲勞應力幅設計值為144.8 MPa,并指出任何超過20.69 MPa的受拉應力幅應計入[14].同時,拉索疲勞試驗研究受時間和條件等限制,對于循環(huán)次數遠大于200萬次的低應力幅疲勞試驗很少開展.各國學者開展的斜拉橋拉索疲勞損傷相關研究,均以既有試驗研究數據擬合得到S-N曲線,進行橋梁使用荷載下的疲勞壽命或可靠性分析[15-18].
斜拉索內部高強鋼絲受外界環(huán)境等因素影響發(fā)生腐蝕后,其腐蝕狀況將隨運營時間的增長不斷惡化[6].時變腐蝕對拉索疲勞性能的影響,可通過對拉索S-N曲線進行時變更新來描述.本文以前述試驗數據為基礎,建立加速腐蝕時間與實際服役時間的關系,進而擬合得到拉索S-N曲線參數與實際服役時間之間的關系,建立時變腐蝕拉索S-N曲線退化模型.
由前述加速腐蝕試驗數據,得到加速腐蝕條件下鋼絲均勻腐蝕深度隨時間變化規(guī)律如圖1所示[13].
圖1 均勻腐蝕深度隨時間的變化規(guī)律Fig.1 Uniform corrosion depth variation with time
由圖1可知,在人工加速腐蝕試驗中,鋼絲腐蝕速率的轉折點將鋼絲腐蝕分成了2個階段:僅鍍鋅層腐蝕階段和內部高強鋼絲腐蝕階段.2個階段的轉折點在第7天.拉索高強鋼絲均勻腐蝕的2個階段可用式(2)表示:
式中:ψ1和ψ2分別表示鍍鋅層和鋼的腐蝕速率;γ1和γ2為模型參數;tc為腐蝕轉折時間點;du,Zn(t)和du,Fe(t)分別表示高強鋼絲鍍鋅層和內部鋼絲的均勻腐蝕深度.各系數回歸值如式(3)所示:
當人工加速腐蝕試驗與實際服役環(huán)境腐蝕導致的均勻腐蝕深度相同時,可認為加速腐蝕鋼絲與對應的實際服役環(huán)境腐蝕下鋼絲的腐蝕程度相當.實際斜拉橋由于服役腐蝕環(huán)境差異,其斜拉索的腐蝕速率不同.通過均勻腐蝕深度等效原則,可建立人工加速腐蝕時間尺度與實際服役時間尺度的關系.現以南京三橋為例,按照以上等效原則,建立人工加速腐蝕與實際服役時間尺度的關系.該橋位于工業(yè)區(qū),根據曹楚南等[19]對該區(qū)域自然環(huán)境下高強鍍鋅鋼絲腐蝕試驗的研究結果,發(fā)現高強鋼絲24 μm厚度的鍍鋅層全部腐蝕消耗需3.9年.此時,鋼絲處于第一腐蝕階段,據此有如下換算:
由此可知鋼絲腐蝕階段,鹽霧試驗條件下1 d相當于在該橋所在地區(qū)自然條件環(huán)境腐蝕0.74年的腐蝕程度.其中鹽霧試驗條件為:鹽霧NaCl溶液濃度(5±0.5)%,pH 值 3.0~3.1,室內溫度為(35±2)℃.
雖然當斜拉橋處于不同橋址環(huán)境中時,斜拉索受到環(huán)境腐蝕的影響程度不同,但采用均勻腐蝕深度等效原則建立人工加速腐蝕試驗時間尺度與實際服役環(huán)境時間尺度的換算公式的方法具有通用性[20].
研究以前述高強鋼絲加速腐蝕試驗結果為基礎,建立拉索時變腐蝕的疲勞退化模型.
首先,為了便于采用公式(1),將拉索S-N曲線方程NSm=C寫成對數形式:
式中:A=lg C,B=m,m和C是與材料性能及構件構造細節(jié)有關的常數.
根據高強鋼絲加速腐蝕試件疲勞試驗得到的S-N曲線方程(1),并將試驗的時間尺度,按照方程(5)轉化至實際環(huán)境服役時間尺度,通過最小二乘法擬合得到參數時變腐蝕拉索S-N曲線的參數A、B隨時間變化關系,時變曲線如圖2所示.
圖2 時變腐蝕條件下拉索S-N方程參數時變曲線Fig.2 Time-varying parameters of S-N curves under different corrosion periods
由此得到時變腐蝕條件下拉索S-N曲線參數A、B的時變表達式:
其中i為橋梁服役時間長度(年).據此得到橋梁服役期內考慮腐蝕的拉索時變S-N曲線為:
在隨機荷載作用下拉索內部損傷逐漸累積,導致拉索疲勞破壞,采用線性疲勞累積損傷模型可以得到拉索的安全余量方程為:
式中:D(n)和Dc分別為累積損傷和臨界損傷,均為隨機變量.拉索的疲勞可靠度Ps可表示為:
2.1.1 腐蝕分級條件下拉索疲勞可靠性分析模型
按照Miner線性累積損傷準則,隨機荷載下拉索的疲勞損傷可描述為:
其中ΔDi是第i級應力幅造成的損傷.考慮到服役期內拉索承受連續(xù)變化的循環(huán)應力幅作用,將拉索SN方程代入式(12),可得:
其中E(·)代表數學期望,則疲勞極限狀態(tài)方程變?yōu)椋?/p>
按照線性累積損傷等效原則,變幅應力對應的等效應力幅的計算公式如式(15):
其中Seq為等效應力幅,其隨機分布類型由統(tǒng)計獲得.將式(15)代入式(14),疲勞極限狀態(tài)方程變?yōu)椋?/p>
其中材料性能參數C可通過不同腐蝕等級下的拉索S-N曲線獲得,臨界損傷Dc服從對數正態(tài)分布[21].通過應力譜的模擬計算以及Seq的統(tǒng)計分析來描述交通和風荷載的隨機性.首先通過模擬計算得到多個典型時間塊的拉索應力時程,經雨流法計數處理后獲得應力幅及其循環(huán)次數;然后分析得到各時段的等效應力幅,并統(tǒng)計分析得到各典型時間段的等效應力幅;最后擬合得到等效應力幅的隨機分布類型和參數.
2.1.2 腐蝕分級條件下拉索疲勞可靠性分析模型
將時變腐蝕拉索的S-N曲線方程(9)代入到拉索疲勞極限狀態(tài)方程(16),可得運營年限為Ns時的拉索疲勞極限狀態(tài)方程如下:
圖3給出了基于Monte-Carlo法考慮腐蝕的隨機車輛與風載聯合作用下的斜拉索疲勞可靠度計算過程,篇幅所限,詳細步驟未予贅述,具體可見文獻[22].在此僅對拉索等效應力幅的計算過程予以簡要說明:1)按照交通調查確定車型、車重、車間距和橫向位置隨機分布模型,進行隨機車輛模擬,獲得典型時間塊內隨機交通荷載樣本;2)按照橋址處風荷載統(tǒng)計數據和概率分布擬合結果確定極值風速、平均風速和風向服從的概率分布,開展風速、風向和脈動風時程樣本模擬;3)基于數值模擬分析程序計算典型時間塊內拉索的動力響應時程;4)考慮車輛和風荷載隨機性,對各樣本典型時間塊拉索應力時程進行應力幅和循環(huán)次數統(tǒng)計.基于線性累積損傷等效準則,以循環(huán)次數為常量,由式(15)分別計算得到多個等效應力幅樣本;5)對多個等效應力幅樣本進行統(tǒng)計分析,獲得其服從概率分布及參數.
圖3 考慮腐蝕影響的斜拉索疲勞可靠度分析流程Fig.3 Flow chart of fatigue reliability analysis for cable considering the corrosion
依托南京二橋南汊主橋作為工程背景開展研究,該橋共有80對斜拉索,橋型立面布置如圖4所示.
圖4 橋梁立面布置(單位:mm)Fig.4 Bridge elevation(unit:mm)
圖5 拉索等效應力幅分布直方圖Fig.5 Equivalent stress amplitude distributions of cables
大橋隨機風載和交通荷載譜的模擬實現過程及相關結果詳見文獻[22].通過自行開發(fā)的大跨橋梁風車橋動力分析程序,對橋例進行了不同風速下隨機車流與橋梁耦合振動響應分析.考慮交通量增長的隨機車載和風載聯合作用下的拉索應力譜計算、等效應力幅概率統(tǒng)計分析具體實現過程和結果詳見文獻[22].以大橋建成第一年為例,按照2.2節(jié)所述流程,計算得到J1和J20號拉索的等效應力幅最大值分別為34 MPa和20 MPa(如圖5所示).在此有必要對導致等效應力幅較小的原因進行解釋:考慮典型時間塊內的隨機風載作用后,拉索實際變幅應力幅循環(huán)的次數較單獨交通荷載作用情況發(fā)生了幾何數量級水平的大幅度增加,且包含較大比例的低階應力幅.本文等效應力幅按應力循環(huán)次數不變的方式計算得到,由此導致統(tǒng)計得到的等效應力幅幅值較小.拉索實際存在一定比例的大應力幅,如J20拉索最大應力幅可達165.8 MPa,篇幅所限,應力時程未列出,具體可參考文獻[22].
根據式(16)(17)建立拉索的疲勞極限狀態(tài)方程,采用Monte-Carlo法分析拉索疲勞可靠度.將可靠性分析中涉及的隨機變量列于表1.拉索S-N曲線中的參數m和C為非隨機變量,分別按照前述腐蝕分級和時變腐蝕模型表達式(1)(7)(8)確定,隨交通量的增長,應力幅循環(huán)次數n也隨之改變,等效應力幅的均值和方差由統(tǒng)計分析得到.
表1 隨機變量Tab.1 Stochastic variable
首先以運營10年為例,分析得到隨機交通與風荷載聯合作用下全橋拉索疲勞可靠度(如圖6所示).由圖6可知拉索疲勞可靠度分布并不均勻,可靠度較低的拉索主要為江側J5~J10和岸側A5~A8范圍(拉索編號見圖4),最低為A6號拉索.為此后繼考慮腐蝕影響的拉索疲勞可靠性分析以A6號拉索為對象進行.
圖6 運營10年后全橋斜拉索疲勞可靠度Fig.6 Fatigue reliability of all the cables after 10 years
南京二橋與前述南京三橋所處環(huán)境基本相同,可認為前文已建立的人工加速腐蝕試驗與實際服役環(huán)境時間尺度的換算公式(5)及參數適用于本橋.
據實際交通觀測和交通量增長預測模型[23],考慮過橋交通量的增長影響,以A6號拉索為例,基于前述分析方法得到其在不同腐蝕等級下的動態(tài)疲勞可靠度如圖7所示(假定腐蝕等級I級與無腐蝕條件相當).可見隨服役時間增加,各腐蝕等級的拉索疲勞可靠指標均不斷下降,且下降速度在前期(前25年內)明顯大于后繼使用期(25年到100年).在橋梁運營初期,隨腐蝕等級的惡化,拉索疲勞可靠指標下降速度變快.以V級腐蝕為例,使用期前25年內拉索動態(tài)疲勞可靠指標合計下降21.8%,下降速率為0.87%/年,為完好狀況下降速率的1.42倍;使用期后75年,拉索可靠指標下降了11.3%,下降速率為0.15%/年,為完好狀況下降速率的1.63倍.
圖7 不同腐蝕等級下A6拉索時變疲勞可靠度的比較Fig.7 Comparison of time varying fatigue reliability under different corrosion level for the cable A6
為進一步分析設計使用期內不同腐蝕等級下拉索的疲勞可靠指標差異情況,將不同腐蝕狀況下A6號拉索動態(tài)疲勞可靠指標進行相鄰等級差值處理,結果如圖8所示.可見,腐蝕等級Ⅱ級和Ⅲ級、及Ⅳ級和Ⅴ級間的拉索疲勞可靠指標差值相對最小,變化范圍在0.1~0.15之間.導致該現象的原因為Ⅱ級和Ⅲ級腐蝕時拉索內部高強鋼絲都處于鍍鋅層腐蝕階段;Ⅳ級和Ⅴ級則都處于拉索內部高強鋼絲受腐蝕階段.腐蝕等級Ⅰ級和Ⅱ級間的可靠指標差值變化范圍在0.29~0.36間,該差值主要是由于Ⅱ級腐蝕時高強鋼絲鋅層開始腐蝕所致;腐蝕等級Ⅲ級與Ⅳ級的可靠指標差值處于0.41~0.55之間,相對變化最為顯著,這是由于Ⅲ級與Ⅳ級正處在鋅層腐蝕與高強鋼絲腐蝕的過渡階段,當內部高強鋼絲開始腐蝕時導致了拉索的疲勞可靠指標明顯降低.
圖8 相鄰腐蝕等級間A6拉索時變疲勞可靠指標差值Fig.8 Change values analysis of fatigue reliability index between the adjacent corrosion levels for the cable A6
為考察腐蝕等級對全橋拉索疲勞可靠度的影響規(guī)律,以服役期10年為例進行了拉索疲勞可靠度分析,結果如圖9所示.可見隨腐蝕等級提高,全橋拉索的疲勞可靠指標均呈明顯下降趨勢,其中可靠指標最低的為A6號拉索,腐蝕Ⅴ級相對Ⅰ級條件下其可靠指標下降了19.6%.
圖9 不同腐蝕等級下全橋拉索疲勞可靠指標分布Fig.9 Fatigue reliability index of the cables under different corrosion levels
為進一步研究腐蝕等級對拉索疲勞壽命的影響,選取目標可靠指標為3.5[23],進行了全橋拉索疲勞可靠壽命預測分析,結果如圖10所示.
圖10 不同腐蝕等級下全橋拉索疲勞壽命預測Fig.10 Fatigue reliability life of cables under different corrosion levels
由圖10可知,腐蝕等級Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ條件下,目標可靠指標全橋拉索疲勞壽命均可達到100年;當腐蝕等級達到Ⅳ級以上時,腐蝕對中等長度拉索疲勞壽命影響較大;當腐蝕程度達到Ⅳ級時,全橋拉索疲勞壽命較無腐蝕的降幅為1%~24%;腐蝕等級為Ⅴ級時,全橋拉索疲勞壽命降幅為1%~44%.
實際斜拉橋拉索發(fā)生腐蝕后,腐蝕會由于環(huán)境和荷載等因素的影響逐步發(fā)展,其過程可通過前述建立的拉索時變腐蝕疲勞模型進行描述.為研究時變腐蝕對拉索疲勞可靠性的影響,針對橋例在時變腐蝕、不同腐蝕等級和無腐蝕條件下拉索的動態(tài)疲勞可靠指標進行分析,并以A6號拉索為例給出分析結果(如圖11所示).發(fā)現時變腐蝕影響下(假定腐蝕從橋梁通車運營開始),前25年內拉索的疲勞可靠指標下降了41.9%,降幅速率為1.68%/年,其疲勞可靠指標降幅及其速率分別為腐蝕Ⅰ級到Ⅴ級的2.74倍、2.46倍、2.35倍、1.98倍和1.43倍.服役期第25年至100年,時變腐蝕拉索的可靠指標下降了46.9%,降幅速率為0.63%/年,降幅及其速率分別為腐蝕I級到V級的6.80倍、5.90倍、5.54倍、4.33倍和4.14倍.
圖11 時變腐蝕與不同腐蝕等級下A6拉索疲勞可靠度比較Fig.11 Comparison of fatigue reliabilities under time varying and different corrosion levels for the cable A6
綜上所述,拉索腐蝕一旦發(fā)生,如不及時采取必要的維修和補救措施,則在時變腐蝕影響下拉索的疲勞可靠指標將迅速下降,其下降幅度和速度較僅考慮腐蝕分級更為明顯,時變腐蝕導致的拉索損傷積累速率相比于腐蝕程度不變的情況增長更快,進而造成拉索疲勞可靠壽命急劇下降.因此在實際工程中及時在早期發(fā)現拉索腐蝕病害并進行及時處理,采取有效措施避免腐蝕惡化或有效減緩其發(fā)展,是保證拉索安全和延長其使用壽命的關鍵.
斜拉索運營期的維護質量也是顯著影響拉索疲勞可靠壽命的重要因素.現以橋例拉索受到腐蝕影響的起始時間分別為運營10年、15年和20年后為例,分析時變腐蝕模型下腐蝕開始時間對拉索動態(tài)疲勞可靠性的影響.以A6號拉索為例,分析結果如圖12所示.目標可靠指標為3.5條件下,腐蝕開始時間為運營10年、15年和20年的拉索疲勞可靠壽命分別為13年、18年、38年;腐蝕發(fā)生后仍可安全運營的時間分別為3年、5年、18年.可見,腐蝕發(fā)生時間越早,拉索的疲勞可靠性下降越快.
圖12 腐蝕開始時間對A6拉索時變疲勞可靠指標的影響Fig.12 Influence of start time of corrosion on fatigue reliability index for the cable A6
因此,在既有橋梁的斜拉索腐蝕檢測與壽命評估中,應考慮腐蝕開始時間的影響,以便更為合理地估計拉索的安全使用壽命,科學選擇拉索的維護或更換處置方案,提高維護經濟性.
1)基于拉索高強鋼絲的加速腐蝕試驗和疲勞試驗,并結合既有的相關研究結果,提出了考慮腐蝕的斜拉索疲勞抗力模型,建立了考慮腐蝕影響的斜拉索疲勞可靠度分析方法,可為在役斜拉橋的拉索疲勞壽命評估提供基礎和借鑒.
2)拉索動態(tài)疲勞可靠指標的下降速率隨腐蝕等級提高而增大,且運營初期下降速度遠大于后期;腐蝕程度為Ⅰ級和Ⅱ級時,腐蝕對拉索疲勞可靠壽命的影響較?。划敻g等級達到Ⅲ級及以上時,對拉索疲勞壽命影響明顯,尤其對靠近橋塔及輔助墩處拉索的影響最大,其中Ⅳ級和Ⅴ級腐蝕時,拉索疲勞壽命較無腐蝕狀況的降幅最大分別達24%和44%.
3)相鄰腐蝕等級下拉索動態(tài)疲勞可靠指標的變化程度分析表明:腐蝕Ⅱ級和Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級間的疲勞可靠指標變化幅度最?。?.1~0.15),腐蝕I級和Ⅱ級的可靠指標變化幅度較大(0.29~0.36),腐蝕Ⅲ級與Ⅳ級的可靠指標變化幅度最大(0.41~0.55);相鄰腐蝕等級處于不同的腐蝕階段(鋅層腐蝕階段與高強鋼絲內部腐蝕階段)是導致其對應的拉索疲勞可靠指標產生顯著變化的主要原因.
4)時變腐蝕影響下拉索的動態(tài)疲勞可靠指標下降迅速,其降幅和降速均明顯大于僅考慮腐蝕分級的情況.時變腐蝕條件下運營前期(前25年)拉索疲勞可靠指標降幅為腐蝕Ⅰ級到Ⅴ級的2.74倍、2.46倍、2.35倍、1.98倍和1.43倍;運營后期(25年至100年)的疲勞可靠指標降幅為腐蝕Ⅰ級到Ⅴ級的6.80倍、5.90倍、5.54倍、4.33倍和4.14倍.
5)腐蝕發(fā)生的時間對拉索疲勞可靠性具有顯著影響.發(fā)生時間越早,拉索的疲勞可靠壽命越短.建議在既有橋梁斜拉索的運營維護和檢測評估時,既要關注腐蝕等級對拉索疲勞可靠性影響,也應考慮腐蝕開始時間的不利影響.