摘要：钢结构由于强度高、质量轻、刚度大、韧性好、施工方便以及优良的焊接性能被广泛应用于大跨度桥梁结构。腐蚀和疲劳开裂是钢桥最主要的两种病害形式(图1)。我国每年因腐蚀造成的经济损失约占当年国内生产总值的1%~5%,全世界每年因腐蚀造成的经济损失高达7 000亿美元[

钢结构由于强度高、质量轻、刚度大、韧性好、施工方便以及优良的焊接性能被广泛应用于大跨度桥梁结构。腐蚀和疲劳开裂是钢桥最主要的两种病害形式(图1)。我国每年因腐蚀造成的经济损失约占当年国内生产总值的1%~5%,全世界每年因腐蚀造成的经济损失高达7 000亿美元[1]。钢材腐蚀不仅造成经济和资源的损失,而且还带来很多的安全问题。美国40%桥梁都是由钢材建造的,恶劣的环境和不适当的养护导致许多桥梁腐蚀退化[2]。在日本早年统计的104座悬索桥断桥事故中,有19例与暴露于环境中的钢材锈蚀有关[3]。钢桥中各类焊接结构(尤其是正交异性钢桥面板)的构造形式复杂,运营后不久容易出现疲劳裂纹,最早的英国Seven桥,之后德国Sinntal和Haseltal两座桥以及中国虎门大桥都在通车使用后不久出现了疲劳裂纹[4]。腐蚀疲劳比单独的腐蚀或疲劳现象更为复杂和不利,会加速材料性能劣化。国内外学者在金属腐蚀疲劳损伤规律和腐蚀疲劳退化机理等方面做了许多研究工作。影响钢桥腐蚀疲劳的因素众多,比如腐蚀环境、循环荷载、焊接残余应力等,这些都是目前钢桥腐蚀疲劳研究的热点。

图 1 钢桥常见病害

Figure 1. Common diseases to steel bridges: (a) corrosion; (b) fatigue cracking

钢桥表面涂装劣化使钢材裸露在大气环境中继而发生化学或电化学反应,是钢材腐蚀的主要原因。钢桥腐蚀类型主要分为四种：均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀和腐蚀疲劳。均匀腐蚀是指腐蚀均匀地发生在金属表面,使得截面厚度均匀减小,钢桥整体应力增大。点蚀破坏集中在钢桥局部位置,会引起应力集中,加速疲劳裂纹形成。缝隙腐蚀主要是由于焊缝内积水不易排出而导致的。腐蚀疲劳是指在循环荷载作用下,钢桥在腐蚀介质中的破坏。腐蚀疲劳往往具有更严重的后果,腐蚀和疲劳的联合作用会显著降低钢桥的疲劳寿命。

影响钢桥腐蚀主要因素有环境因素、材料因素和人为因素。其中环境因素包括温度、湿度、pH、氯离子、二氧化硫等,材料因素主要是指材料的化学组成及机械加工等,人为因素包括桥面系漏水、钢箱梁通风差、涂装质量问题等[5]。钢桥所处的环境不同,因此腐蚀情况一般也不同。对钢材大气暴露腐蚀试验数据进行回归分析发现,大气腐蚀深度与时间存在幂指数关系[6]如式(1)所示。

式中：D为腐蚀深度(mm)；t为暴露时间(a)；b和n为拟合常数。一般环境中n为0.4~0.5,湿热海洋环境中n可高达0.7~1.5。在绍兴和青岛大气环境中钢箱梁内外侧腐蚀深度拟合常数如表1所示[7-8]。

表 1 不同地区钢箱梁内外侧腐蚀深度的拟合常数

Table 1. Fitting constants of corrosion depth on the inner and outer sides of steel box girders in different areas

目前,钢桥腐蚀疲劳寿命评估方法主要有两种：基于疲劳曲线的应力法和基于裂纹扩展速率公式的断裂力学法。

ALBRECHT等[9]最早开始对钢桥腐蚀疲劳进行系统研究,通过不同腐蚀情况下A588耐候钢焊接接头疲劳试验发现,腐蚀能够显著降低疲劳寿命。其原因主要有以下三点：厚度变薄导致名义应力增大；蚀坑处应力集中；疲劳裂纹扩展速率增大[10]。此后,他们还对A588耐候钢焊接梁和盖板梁的腐蚀疲劳行为进行研究[11],得到3种不同的腐蚀疲劳失效模式：裂纹从蚀坑处形成(图2)；裂纹从边缘的缺陷处形成；裂纹从焊接缺陷处形成(图3)。

图 2 裂纹从蚀坑处形成

Figure 2. Crack forming from pit

图 3 裂纹从焊接缺陷处形成

Figure 3. Crack forming from weld defect

韩晓东[12]研究了不同NaCl含量腐蚀溶液对节段钢箱梁疲劳性能的影响,发现疲劳强度在BS5400英国桥梁规范中D类曲线之上。DENG等[13]研究了截面均匀锈蚀和过载对钢梁腐蚀疲劳损伤的影响。GKATZOGIANNIS等[14]对比分析了钢构件室内腐蚀和实际腐蚀条件之间的相关性,并在不同腐蚀条件下对母材和焊缝进行了轴向拉伸和弯曲疲劳试验,给出相应的疲劳曲线。

HAN等[15]在模拟海水中对G20Mn5QT钢对接焊缝进行疲劳试验,并根据断裂形貌分析腐蚀疲劳机理。研究发现：当应力水平小于190 MPa时,疲劳寿命急剧下降,当应力水平超过240 MPa时,腐蚀疲劳强度与未腐蚀疲劳强度接近；高应力水平下内部缺陷形成疲劳裂纹,低应力水平下则在蚀坑处形成疲劳裂纹。

为了考虑腐蚀的影响,一些学者对现有疲劳曲线进行了修正,并通过试验数据验证模型的有效性。BANDARA等[16]提出了考虑腐蚀损伤影响的全寿命范围疲劳曲线,该曲线包括高周和低周疲劳。AGHOURY等[17]基于材料特性、应力和环境腐蚀性提出了腐蚀疲劳应变寿命模型,其表达式为

式中：b′和c′分别为腐蚀环境修正指数；Δε为应变幅；σmax为最大正应力；σ'f为疲劳强度系数；ε'f为疲劳延性系数；E为弹性模量；Nf为疲劳寿命。

ADASOORIYA等[18-19]对铁路桥梁腐蚀构件的剩余疲劳寿命进行了评估,考虑了材料损伤随时间变化以及对应力历程的影响,得到腐蚀环境全寿命范围疲劳曲线,并考虑了加载次序的损伤准则。此外,他们还提出了未锈蚀结构细节的三线性疲劳曲线和锈蚀结构细节的双线性疲劳曲线模型(图4)。图中,在恒定振幅的循环应力加载下,对应的疲劳极限和疲劳寿命(循环次数)为ΔσD和Nf, CAFL；在波动振幅的循环应力加载下,对应疲劳极限和疲劳寿命为ΔσL和Nf, VAFL；下标cor表示锈蚀,LCF表示低周疲劳。

图 4 未锈蚀结构细节和锈蚀结构细节疲劳曲线

Figure 4. Fatigue curves of uncorroded and corroded constructional details

对于未锈蚀结构细节,应力幅和循环次数之间的关系如式(3)所示。

根据欧洲规范[20],当Δσ≥ΔσD时,m=3；当ΔσD≥Δσ≥ΔσL时,m=5。

对于锈蚀结构细节,其应力幅和循环次数之间的关系如式(4)~(7)所示。

当Δσcor≥ΔσD, cor时：

当Δσcor≤ΔσD, cor时：

为了研究局部点蚀导致的应力集中对疲劳强度的影响,SHARIF等[21]引入新的概念即疲劳缺口系数kf来研究结构细节的疲劳问题。将疲劳缺口系数定义为结构细节B的疲劳强度σr, B和结构细节X的疲劳强度σr,X的比值(表2)。同理,可定义腐蚀疲劳缺口系数kfc为

式中：σr,X和(σr,X)c分别为不腐蚀和腐蚀试件疲劳强度。腐蚀疲劳缺口系数主要与腐蚀深度、暴露时间、最大粗糙度和粗糙度标准差有关。腐蚀疲劳缺口系数需要针对特定结构细节在某个环境中进行疲劳试验得到,环境和材料发生变化,腐蚀疲劳缺口系数也将发生变化。

表 2 不同结构细节疲劳缺口系数

Table 2.Fatigue notch coefficient of different constructural details

揭志羽等[22-23]将蚀坑加工为半椭球或半球体缺口,全面系统研究了不同蚀坑深度斜焊缝十字接头的疲劳问题,提出了腐蚀疲劳影响系数的概念,考虑蚀坑尺寸和应力幅的影响,给出不同蚀坑深度的疲劳曲线以及腐蚀疲劳影响系数表达式。吴阿明[24]研究了蚀坑形状、尺寸、数目和间距对桥梁钢结构应力集中的影响,结果表明蚀坑形状和尺寸是主要影响因素,而蚀坑数目和间距的影响较小。

王玉鹏[25]给出了海洋环境中钢桥腐蚀模型,并采用断裂力学法对不同腐蚀时间的正交异性钢桥面板结构细节的疲劳寿命进行了预测。研究表明,均匀腐蚀对钢桥面板的影响很小,应考虑其他腐蚀类型的影响。因此,点蚀对疲劳性能的影响成为研究的重点方向。为了方便数值模拟分析,对蚀坑进行等效,方法有两种：蚀坑等效为裂纹,不考虑裂纹的萌生[26]；蚀坑等效为缺口,考虑裂纹在缺口处的萌生和扩展[27]。

NOVAK[28]研究了四种类型钢中腐蚀疲劳裂纹的形成过程,结果发现,腐蚀疲劳裂纹形成没有明显的门槛值。刘海龙[4]采用断裂力学对腐蚀铆接钢板桥疲劳寿命进行评估,并基于有限元方法计算应力强度因子,分析了腐蚀对疲劳裂纹形成和扩展的影响。JIE等[29]建立了含不同蚀坑类型斜焊缝十字接头疲劳裂纹扩展公式,给出扩展参数与蚀坑深度之间的关系,并通过疲劳试验结果验证其准确性。结果发现,焊趾处为疲劳裂纹源,蚀坑的存在只改变了焊趾附近的应力应变场,当蚀坑深度小于1 mm时,可以不考虑蚀坑的影响。ZHANG等[30]对免涂装桥梁耐候钢的腐蚀疲劳进行评估,将腐蚀疲劳分成两个阶段：蚀坑形成过程和疲劳裂纹扩展过程,并比较了HPS70W和14MnNbq钢腐蚀疲劳的差异性,同时对应力幅、应力比、腐蚀环境和日平均交通量等敏感性参数进行了研究。XU等[31]建立了焊接接头腐蚀疲劳裂纹扩展速率的预测公式,对腐蚀疲劳裂纹扩展机理进行了分析,并考虑了加载频率、焊接残余应力和有效应力比对腐蚀疲劳裂纹扩展的影响。结果发现,裂纹扩展初期腐蚀起主要作用,随着裂纹不断扩展,循环荷载逐渐成为裂纹扩展的主要影响因素。由于腐蚀的产生具有不确定性,而断裂力学需要定量分析裂纹尺寸的发展过程,蚀坑形状、尺寸、位置均会对结果产生重要的影响,因此还需要在这方面进行深入探讨。

综上,在钢桥腐蚀疲劳寿命预测过程中,应从以下三个方面考虑腐蚀损伤对钢桥疲劳性能的影响：截面削弱导致名义应力增大；蚀坑处应力集中；疲劳裂纹扩展速率增大。均匀腐蚀对钢桥疲劳性能的影响较小,应着重考虑点蚀对疲劳性能的影响。

疲劳曲线应根据具体的腐蚀状况进行修正。蚀坑形状和尺寸都对疲劳强度产生较大的影响,而蚀坑数量和间距的影响相对较小。

分别采用疲劳缺口系数和腐蚀疲劳缺口系数表征焊接和腐蚀对应力集中的影响,通过比较它们之间的大小来判断疲劳裂纹形成位置。当疲劳缺口系数大于腐蚀疲劳缺口系数时,疲劳裂纹可能在焊趾或者焊根处形成；当腐蚀疲劳缺口系数大于疲劳缺口系数时,疲劳裂纹则在蚀坑处形成。

为了方便计算,蚀坑一般等效为形状规则的裂纹或缺口。

一些学者基于可靠度理论对腐蚀疲劳问题进行了研究。NOWAK等[32]基于可靠度理论分析了腐蚀和疲劳作用下钢梁桥结构的性能变化。叶肖伟等[33]提出了桥梁结构腐蚀疲劳可靠度评估模型,并基于健康监测数据对概率疲劳寿命进行了分析,建立截面尺寸退化函数,表达式为

式中：η(t)为面积损失率；B为结构厚度；ε和

为分别名义应变和有效应变；A和

分别为初始截面面积和剩余截面面积。考虑腐蚀影响后的有效应力幅S可表示为

疲劳曲线退化公式为

式中：Sn为名义应力幅；C(t)和C0分别为腐蚀时间t和腐蚀前材料参数；φ(t)为环境退化函数。研究结果表明,不能忽视钢材锈蚀对焊接节点疲劳可靠度的影响。

ZHANG等[34]基于可靠度方法对退化桥梁腐蚀疲劳寿命进行了评估,并考虑了腐蚀速率、车辆类型、车速和道路表面状况的影响。结果表明,疲劳寿命降低超过60%,道路表面状况的影响大于腐蚀。张振浩等[35]采用神经网络对斜拉桥钢箱梁结构细节腐蚀疲劳可靠度进行研究,建立疲劳抗力时变模型和显式功能函数,得到疲劳可靠度指标随时间变化规律。

以上研究中只考虑了平均蚀坑深度对截面厚度的影响,未考虑蚀坑应力集中的影响。HOSSEINI等[36]基于可靠度研究了腐蚀对钢桥疲劳性能退化的影响,考虑了腐蚀对疲劳影响的两个主要方面：应力集中系数(蚀坑)和应力增大系数(均匀锈蚀)。LI等[37]建立高强钢丝退化时变概率模型,考虑了环境腐蚀和循环荷载组合作用,基于钢丝腐蚀加速试验建立了蚀坑深度时变概率模型,通过健康监测系统评估了斜拉索循环应力,采用蒙特卡罗法模拟高强钢丝腐蚀疲劳过程。基于可靠度理论分析腐蚀环境中钢桥疲劳可靠度需要对大量数据进行统计分析,确定各个参数的概率分布模型,根据可靠度时变规律,给出合适的检测和维修加固时间。基于可靠度理论的腐蚀疲劳寿命评估方法考虑了几何形状、材料特性、环境因素、计算模式和荷载类型的不确定性,与实际情况符合较好。图5为分别基于应力法和断裂力学法并考虑了均匀腐蚀和点蚀共同影响的钢桥腐蚀疲劳可靠度评估流程。

图 5 考虑环境腐蚀的钢桥疲劳可靠度评估流程

Figure 5. Fatigue reliability assessment process for steel bridges considering environmental corrosion

国内外学者对于钢桥腐蚀和疲劳问题进行了系统的理论和试验研究,并初步建立了考虑腐蚀损伤的疲劳寿命预测方法和可靠度分析理论,得到以下结论。

（1）腐蚀深度与时间存在幂指数关系,钢桥所处的环境不同,腐蚀情况一般也不同；点蚀坑形状和尺寸是影响钢桥疲劳性能的主要因素。

（2）疲劳曲线需要考虑腐蚀损伤的修正,焊接和腐蚀导致的应力集中可以分别通过疲劳缺口系数和腐蚀疲劳缺口系数来表征。

（3）为了方便计算,基于断裂力学的疲劳寿命预测方法通常将蚀坑等效为形状规则的裂纹或者缺口。

根据现有的研究成果,将来研究的重点主要包括以下两个方面：从多尺度角度(宏观和微观)研究腐蚀疲劳损伤机理全过程,系统分析环境因素、材料因素和力学因素对钢桥腐蚀疲劳的影响,重点关注高性能耐候钢桥的腐蚀疲劳退化机理；建立钢桥腐蚀疲劳损伤演化模型,提出考虑焊接残余应力、环境腐蚀等多因素影响的钢桥疲劳可靠度分析方法。

文章来源——材料与测试网

来源：有味少年