一种斜拉索耐久性的评定方法

'一种斜拉索耐久性的评定方法王强，谢发祥，胡星宇79一种斜拉索耐久性的评定方法王强，谢发祥。胡星宇。(1．江苏省交通工程建设局，江苏南京210004；2．河海大学土木与交通学院，江苏南京210004)摘要l为准确地评定斜拉索的耐久性，指导斜拉索养护，提出一种针对平行钢丝斜拉索耐久性的评定方法。该方法建立在已有的均匀腐蚀厚度和局部点蚀深度概率研究的基础上，利用有限元分析结果拟合得到钢丝承载力与腐蚀程度的对应公式，并通过概率理论推导得出了服役若干年后钢丝承载力和斜拉索承载力的概率模型。某在建斜拉桥斜拉索设计寿命3o年，采用该方法评估了其2O年、3O年和4O年的耐久性，通过具体算例演示验证了该评定方法的可行性和应用价值。该评定方法可以预估和评价在不同服役年龄时斜拉索的强度，为斜拉索养护措施的选择和换索时机的确定提供参考。关键词：斜拉桥；斜拉索；平行钢丝；耐久性；评定方法；腐蚀厚度；强度；概率模型；桥梁养护中图分类号：U443．38；U445．7文献标志码：A文章编号：1671—7767(2015)04—0079—051概述斜拉索是斜拉桥的主要承重构件之一，它的耐久性直接影响全桥的结构安全和使用寿命。护套老始表面化开裂和钢丝腐蚀是影响斜拉索耐久性的主要原因[1]。近年来，由于斜拉索耐久性不满足要求导致的工程事故或不得不换索的事例时有报道I2脚，也日益受到学者的关注，但已有研究主要集中在病害图1钢丝的腐蚀类型示惫原因及防护措施方面【4州]，缺乏对斜拉索耐久性评率分布，进而评价斜拉索的耐久性。估方法的研究。本文拟通过有限元分析和概率理论2．2均匀腐蚀厚度的分布推导的方法，在已有腐蚀概率研究的基础上建立一国内外针对斜拉索钢丝均匀腐蚀厚度概率分布种斜拉索耐久性的评定方法。模型研究并不多。参考混凝土中钢筋的相关研究和兰成日月[对旧索均匀腐蚀厚度z的数据统计得到2评定方法钢丝的均匀腐蚀厚度服从对数正态分布模型，其概2．1整体思路率密度函数和累积分布函数如下：斜拉索钢丝的腐蚀主要由均匀腐蚀和局部点蚀两部分组成(见图1)。这两类腐蚀的程度均会随着)一1z~／一2nz唧[L一z；](1)腐蚀年限的增大而增大。相关实验与研究表明，同根斜拉索钢丝的均匀腐蚀厚度和点蚀深度并不相F(z)一声fIYIX-lTl~l1(2)＼口n／同，而是分别服从对数正态分布和极值分布的随机其中：变量。基于此建立一种斜拉索耐久性的评定方法。评定方法的思路为：第一步，利用腐蚀速率求出目标in(1+)(3)服役年龄时钢丝腐蚀程度(包括均匀腐蚀和局部点m一ln～÷2(4)蚀)的概率分布；第二步，利用有限元软件计算得到腐蚀钢丝承载力与腐蚀程度的关系；第三步，结合钢式中，和分别为均匀腐蚀厚度-z的均值和均方丝腐蚀程度的概率分布和腐蚀钢丝承载力与腐蚀程差，m和分别为均匀腐蚀厚度x对数的均值和度的关系，推导得出钢丝的承载力的概率分布；第四均方差。步，按照并联模型理论，推出整体斜拉索的承载力概不同服役年龄时，斜拉索均匀腐蚀厚度均值收稿日期：2Ol5—03—30作者简介：王强(1972一)，男，高级工程师，1994年毕业于同济大学桥梁工程专业，工学学士(E—mail：68713713@qq．corn)。 80世界桥梁2015，43(4)和均方差可以通过斜拉索平均年腐蚀速率和变异SS系数计算得到。其中，按腐蚀速率的不同可以把斜拉索腐蚀分为3个阶段，分别为护套完好阶段、镀层图3腐蚀钢丝的有限元模型腐蚀阶段和铁基腐蚀阶段(见图2)。各阶段的腐蚀1770MPa进行分析。速率可以通过试验或工程经验确定。根据有限元计算结果，绘制出钢丝承载力随着腐蚀程度的变化曲线(见图4)。对其进行多项式拟合，得到拟合公式如下：／R—g()一1770—2157p十1868p一霹{醚3098p。，0≤≤0．726(6)，蟊护套镀层／铁基式中，R为钢丝承载力(MPa)，R∈Fo，1770]；P为懊完好腐蚀／腐蚀阶段阶段／阶段均匀腐蚀厚度(ram)，代表腐蚀程度。．／／—服役年龄岛垒＼图2斜拉累的不同腐蚀阶段示意辍柱以常见的镀锌钢丝斜拉索为例，设其镀锌层厚链度为T。在护套完好阶段，斜拉索基本不发生腐蚀，此时腐蚀速率为0；在镀层腐蚀阶段，斜拉索腐湖啪枷枷湖咖枷姗蚀速率为镀锌层腐蚀速率；在铁基腐蚀阶段，此均匀腐蚀厚度／时斜拉索腐蚀速率为铁基腐蚀速率。不同服役年龄时，斜拉索腐蚀厚度均值为各阶段的腐蚀厚图4钢丝承载力随腐蚀厚度的变化曲线度的累加。而腐蚀厚度均方差与腐蚀厚度均值2．5腐蚀钢丝强度的概率分布模型的比值称为变异系数，记为a。参考兰成明_7的研已知均匀腐蚀厚度户所服从的概率分布，而钢究，取a一1．13。故一,ua。丝承载力R是的严格单调且可导函数。则有反2．3局部点蚀深度的计算函数为：斜拉索钢丝上蚀坑分布较为分散，而最大点蚀p—h(R)一g(R)，0≤R≤1770(7)所在的截面决定着腐蚀钢丝承载能力。研究表明，根据概率论知识，R的概率密度函数f(R)为：最大点蚀深度与均匀腐蚀厚度比值R(又称点蚀系fRcR一{R。’。≤R≤。数)服从极值工型分布，概率分布函数见参考文献(8)E7]。为便于分析，采用点蚀系数R的均值计算腐蚀钢丝的最大点蚀深度D。经分析，直径为7mm其中h(R)一1／g()。斜拉索钢丝的点蚀系数均值R为6．23。故最大点概率累积分布函数为：蚀深度D与均匀腐蚀厚度P对应关系如下：FR(R)一1_声f1(9)＼n／D—Rp一6．23p(5)2．6腐蚀斜拉索强度的概率分布模型2．4不同腐蚀程度的斜拉索钢丝强度斜拉索是由诸多平行钢丝组成，其强度计算模腐蚀会使斜拉索钢丝的塑性降低，而实际强度型采用并联体系计算模型。参考已有的研究成基本保持不变_8]。因此，建立了不同腐蚀程度钢丝果，对于由m根钢丝组成的l根平行钢丝斜拉的有限元模型(见图3)。由于决定腐蚀程度的2个索，只要m足够大(>15O)时，整根斜拉索的强度参数(均匀腐蚀厚度P和最大点蚀深度D)呈线性服从均值E与标准差D的渐近正态分布。其中对应关系，故可以只用均匀腐蚀厚度P作为腐蚀程均值E和标准差D分别为：度指标。对建立的有限元模型进行逐级加载，直到最大应力达到钢丝的抗拉强度。此时，模型载荷SE一R。(1一FR(R。))+(10)即为腐蚀钢丝的承载力。常用的斜拉索钢丝抗拉强D一[．FR(R。)(1一FR(R。))]／z(11)度有1670MPa、1770MPa、1870MPa，此处取 一种斜拉索耐久性的评定方法王强，谢发祥，胡星宇81其中，口；和目。c一0．966mn(12)把上述的和代入公式(3)和公式(4)中，得到斜拉索服役2O年时钢丝承载力的概率分布参数一‰3)口和m分别为3．1141、一4．5040。利用Matlab式中，fR(R)为单根钢丝强度R的概率密度函数，参绘制出对应的概率密度函数和累积分布函数。数R0是max{R(1一FR(R))[式(14)]极值问题的解。第四步，利用并联模型理论，推出整体斜拉索的承载力概率分布参数。3算例分析该桥受力最大斜拉索的钢丝数m一241，利用3．1工程概况Matlab得到公式(14)极值问题的解R。一1571某桥处于化工园区附近，大气环境和水环境均MPa，口。一1．20l6×10MPa，c一3129．6MPa，代腐蚀性较强，故需对其进行耐久性评估。该桥斜拉入公式(10)和公式(11)求出一1412．6MPa，Dm一索采用热挤HDPE护套和镀锌铝钢丝防护形式，设31_2MPa，同样利用Matlab绘制出对应的概率密计寿命为3o年，钢丝抗拉强度为1770MPa。该算度函数和累积分布函数。例取全桥中受力最大的斜拉索进行分析。同样的方法，可以得到服役30年和40年时钢目前，针对不同环境下锌铝镀层的腐蚀速率研丝承载力的概率分布函数(见图5)和斜拉索承载力究较少，但相关研究表明：相同腐蚀环境下，其腐蚀的概率分布函数(见图6)。速率只有镀锌层的一半。Suzumura[1。。通过试验得3．3评定结果到不同腐蚀环境中镀锌钢丝的腐蚀速率。该桥斜拉索设计承载力为708MPa，各服役年该算例中，当斜拉索护套完好时，索内干燥，钢龄下斜拉索的承载力如图7所示。丝不发生腐蚀。而当斜拉索护套破损时，水分与腐由计算结果可知，随服役年龄的增加，腐蚀钢丝蚀离子会从破损处进入索体内，经试验发现，此时索的承载力明显降低，且离散性越来越大；随服役年龄内湿度和氯离子浓度可达到65和1．0g／in2。根的增加，斜拉索的承载力明显降低，但在设计年限内据Suzumura_1。。的研究数据，取护套破损后锌铝镀远高于设计承载力，能够满足安全与耐久性要求。层的腐蚀速率为3．75×10_mm／a，铁基的腐蚀速率F为22．93×10_mm／a。4结语3．2评定过程为准确评价不同环境下斜拉索的耐久性，对斜由于目标斜拉索的设计寿命为3O年，故取其服拉索的养护方法和换索时机提供指导，本文在已有役2O年、3O年和40年时的承载力进行耐久性评腐蚀概率研究的基础上通过有限元分析和概率理论估。计算相应服役年龄下斜拉索的承载力需分为以推导得到斜拉索的承载力分布。在某在建斜拉桥上下四步进行，以服役20年为例。应用该方法对斜拉索耐久性进行评估，得到了各服第一步，利用腐蚀速率求出均匀腐蚀厚度概率役年龄下斜拉索的承载力，为指导其管养奠定了理分布参数和。论基础。研究成果可供今后斜拉索防护技术研究与根据文献假定斜拉索护套刚服役时完好，服役工程应用参考。6年后开始老化开裂，此时内部钢丝开始腐蚀。斜参考文献：拉索服役20年时，实际腐蚀年龄为14年。根据公[1]肖光宏，张秋陵．斜拉桥斜拉索常见病害原因分析及防式，求得锌铝合金镀层完全消耗完所用腐蚀年限范措施建议[J]．公路交通科技(应用技术版)，2O10，nZA一一一20年>一14年。再(11)：46～47．VZA1g／m’a／[2]朱战良．广东九江大桥换索技术[JJ．中外公路，2003，由公式(6)和公式(7)得到，斜拉索服役2O年时均匀23(5)：2O一24．腐蚀厚度的均值和均方差分别为：一·Wz一[3]肖文，李古暄．斜拉桥拉索更换的实践与研究[J]．中0．0525mm，—a一0．0593mm。国市政工程，2004，(6)：23—24．第二步，利用上述有限元分析得到不同腐蚀程[4]徐超，方海，刘伟庆，等．斜拉桥斜拉索防腐保护问度钢丝强度的计算公式。题分析与建议[J]．世界桥梁，2012，40(6)：87—91．第三步，计算得出钢丝承载力的概率分布参数Es]吴育苗，蒋湘成，朱利明．斜拉桥斜拉索体系病害分析与 82世界桥梁2015，43(4)赣陵悟嚎圆惜酶疑阁培酶籁闺梧求嚎腐蚀钢丝的承载力／肝a斜拉索的承载力／肝a(a)20年(a)20年闺鼯。_【×＼闺雠懈褂鼙。_【×＼辙旧船料鼙砸鬈。"【×＼黼稚瓣腐蚀钢丝的承载力／肝a斜拉索的承载力／MPa(b)30年(b)30年∞鱼＼憾慷辍蘸0505阔梧Ⅲ靠腐蚀钢丝的承载力／MPa斜拉索的承载力／MPa(c)40年(e)40年图5钢丝承载力的概率分布图6斜拉索承载力的概率分布处理方案[J]．世界桥梁，2013，41(3)：77—80．E63黄侨，任远，马文刚．斜拉索病害及其养护维修EJ]．预应力技术，2011，(3)：19～25．。"【×＼阿黼褂鼙。_【×＼闺稚瓣n。_【×＼陋精斛[7]兰成明．平行钢丝斜拉索全寿命安全评定方法研究(博士学位论文)[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009．[8]NakamuraS，SuzumuraK，TaruiT．MechanicalProp—ertiesandRemainingStrengthofCorrodedBridgeWires[J]．StructuralEngineeringInternational，2004，14(1)：服役年龄／年5O一54．[9]DanielsHE．TheStatisticalTheoryoftheStrengthof图7各服役年龄下斜拉索的承载力BundlesofThreadsI[J]．ProceedingsoftheRoyalSoci—[10]SuzumuraK，NakamnraS．EnvironmentalFactorsAf—etyofLondonSeriesAMathematicalandPhysicalSci—fectingCorrosionofGalvanizedSteelWires[,J]．Journalences，1945，183(995)：405—435．ofMaterialsinCivilEngineering，2004，16(1)：1—7． 种斜拉索耐久性的评定方法王强，谢发祥，胡星宇83一ADurabilityAssessingMethodtoStayCablesWANGQiang．XIEFa—xiang，HUXing‘yu(1．JiangsuProvincia1Transportati。nEngineeringConstructi。nBureau，Naniing210OO4’china；2．c。11ege。fCivilandTransportati。nEngineering，HohaiUniversity，Naniing2lOO04，china)Abstract：ToaccuratelyassessthedurabilityandguidethemaintenanceofstaYcables’amethodusedspecifica11ytoassessthedurabilityofPPWSstaycablesisproposed·Ihsmeth0dsbasedonthecurrentstudyoftheprobabilityofuniformcorrosiondepthandlocalpontc0rrosondepth．Theresuhsofthefiniteelementanalysiswerefittogainthecorrespondmg±ormulasottheloadbearingcapacityandcorrosiondegreeofsteelwires．Andbasedontheprobabilitytheory,thepr0babilitymodels0ftheloadbearingcapacityofboththesteelwiresandthestaYcablesattervearsofoperationwereinduced．Thedesignlifeofstaycablesofanexistingcable—stayedbrdges3Ovears，themethodwasappliedtoassessthedurabilityofthestaycablesa±terserVngzu’u’and40yearsrespectively．ThefeasibilityandapplicationvalueoftheassessmgmethodwereV叶fiedbvactua1calculation．TheassessingmethodcanpredictandeVa1uatethestrengthoIstayca—blesatdifferentservingstage，providereferencefortheselectionofmaintenancemeasurestostaycablesaswellasthedeterminationofthestaycablereplacementtim·Kevwords：cab1e—stayedbridge；staycables；parallelsteelwire；durability；assessmgmethodcorrosiondepth；strength；probabilitymodel；bridgemaintenance(编辑：陈雷)'