摘 要

斜拉桥距今发展的时间只有半个多世纪，但斜拉桥的建设受到世界范围内的青睐，国内外斜拉桥的建设数量自上世纪50年代开始迅猛发展，尤其我国的斜拉桥更是焕发出蓬勃生机。但斜拉桥在使用中出现的问题也越来越多，其中斜拉桥拉索的腐蚀破坏尤为突出，对于受到腐蚀破坏的斜拉索，大多的处理方式均为立即换索，这对斜拉桥的发展带来极其不利的影响。

本文考虑到斜拉索的更换时间与斜拉索的设计使用寿命相差甚远，通过ANSYS有限元分析软件建立某斜拉桥的整体模型，施加风-车荷载进行瞬态分析。并利用ANSYS时间历程响应后处理模块POST26提取单根索的应力时程曲线，将提取出的应力时程曲线处理后施加到单根钢丝上，比较分析带蚀坑的钢丝在交变应力作用下的疲劳寿命。

研究结果表明：平行钢丝的疲劳寿命受蚀坑的影响不容忽略，带蚀坑的钢丝的疲劳寿命远小于无腐蚀损伤的钢丝的疲劳寿命；斜拉桥边跨斜拉索带蚀坑的单根钢丝的疲劳寿命小于中跨斜拉索带蚀坑的单根钢丝的疲劳寿命；带蚀坑的最长索中钢丝的疲劳寿命远小于带蚀坑的最短索中钢丝的疲劳寿命。

关键词：斜拉桥；斜拉索；蚀坑；疲劳寿命；裂纹扩展；有限元分析

Abstract

Cable-stayed bridge has been developing for only only half a century,but the construction of cable-stayed bridge is fashionable all around the world,the number of cable-stayed bridges has increased dramatically since the beginning of the last century 50's,especially China's,which is full of vigor and vitality.But during the use of the cable-stayed bridge,more and more problems come out,in which the cable’s corrosion damage is particularly prominent.As for the rusted cable,people who are in charge choose to replace the cable immediately,which will have a very negative impact to the development of the cable-stayed bridge.

In this paper,considering the time of replacement of cable stayed cable and the design service life of cable stayed cable is very different,the whole model of a cable-stayed bridge is established by ANSYS finite element analysis software, and the wind load is applied for transient analysis. And the ANSYS time course response post-processing module POST26 is used to extract the stress time-history curve of the single cable.Then the extracted stress time-history curve is applied to the single steel wire,I wil figue out the characteristic of the fatigue life of the steel wire with the pitting pit when the pitting pit is changeable about depth、shape and distance between two pitting pits.

The results show that the fatigue life of the parallel steel wire can not be neglected by the influence of the pits,the fatigue life of the single steel wire with pits is less than that of the single wire without corrosion;the fatigue life of the steel wire with pittings from the mid-span is longer than that of the steel wire with pittings from the side span;the fatigue life of the steel wire with pittings in the longest cable is much less than that of the steel wire with pittings in the shortest cable.

Key words:cable-stayed bridge；cable；pitting；fatigue life；crack propagation；finite element ananlysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 斜拉索腐蚀疲劳问题的国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 本文的主要研究工作 4

第2章 疲劳寿命理论分析 5

2.1 引言 5

2.2 疲劳理论分析 5

2.2.1 疲劳基本概念 5

2.2.2 材料的S-N曲线 6

2.2.3 线性累积损伤理论 7

2.3 斜拉索腐蚀损伤机理 7

2.3.1 应力腐蚀 7

2.3.2 腐蚀疲劳 8

2.4 疲劳裂纹扩展理论基础 9

2.4.1 工程裂纹分类 9

2.4.2 线弹性裂纹尖端场 9

2.4.3 疲劳寿命模型 10

2.4.4 钢丝疲劳裂纹扩展模型 11

2.4.5 变幅疲劳裂纹扩展寿命 13

2.5 有限元分析方法理论基础 13

2.5.1 弹性力学理论基础 14

2.5.2 有限元分析方法理论 16

2.6 本章小结 18

第3章 斜拉桥风-车荷载时程分析 18

3.1 斜拉桥自振特性分析 19

3.1.1 斜拉桥有限元模型 19

3.1.2 斜拉桥模态分析 20

3.2 斜拉桥拉索风-车荷载时程分析 22

3.3 本章小结 23

第4章 斜拉索腐蚀疲劳寿命分析 24

4.1 有限元模型的建立 25

4.2 仿真分析内容 25

4.3 全面腐蚀对钢丝力学性能的影响 26

4.3.1 全面腐蚀对钢丝等效应力的影响 26

4.3.2 全面腐蚀对钢丝疲劳寿命的影响 27

4.4 蚀坑深度对钢丝力学性能的影响 29

4.4.1 蚀坑深度对钢丝等效应力的影响 30

4.4.2 蚀坑深度对钢丝疲劳寿命的影响 31

4.5 蚀坑形状对钢丝力学性能的影响 32

4.5.1 蚀坑形状对钢丝等效应力的影响 33

4.5.2 蚀坑形状对钢丝疲劳寿命的影响 35

4.6 蚀坑间距对钢丝力学性能的影响 36

4.6.1 蚀坑间距对钢丝等效应力的影响 37

4.6.2 蚀坑间距对钢丝疲劳寿命的影响 38

第5章 结论与展望 39

5.1 主要结论 40

5.2 展望 40

参考文献 41

致谢 43

绪论

研究目的及意义

斜拉桥总体上构成很简单，主要包括塔柱、斜拉索和梁这三部分，斜拉桥作为自锚体系中的一员，在构件的受力方面也能发挥好各结构构件优势，梁与塔柱之间的连接方式包括两种：（1）塔柱上的墩台直接与梁接触形成简支或整体现浇起支承作用；（2）主要是由塔柱上引出的斜拉索间接支承，斜拉索此时只承受拉力的作用。斜拉桥主要优势体现在其跨越能力较其他桥梁类型更强，并且成桥造型也相对美观，整体刚度大且经济效应好便于施工，所以在桥梁建设中越来越多的人选择斜拉桥。20世纪50年代，世界上第一座斜拉桥——Stromsund桥在瑞典矗立起来，从那时开始，现代斜拉桥建设就迅速开始蔓延，截至1987年，世界范围内建设的斜拉桥就超过200座，我国对于斜拉桥的青睐从20世纪70年代开始并迅速发展，据不完全统计，我国1986～2000十五年间建造的斜拉桥大约109座，如今我国已建成或正在建设的斜拉桥占世界上总数量的1/3，跨越了200座大关，值得一提的是在斜拉桥的跨径上，我国大跨径混凝土斜拉桥的数量长期处于世界首位，这也充分体现了我国在斜拉桥建设领域的巨大成就。诸如我国为便利民众所建设的世界上最大跨径的斜拉桥——苏通长江大桥，其主跨径达到了惊人的1088m，在2008年年初就试通车并迅速投入使用。但近几十年来，斜拉桥的安全性、适用性、耐久性受到人们的极大担忧，究其原因为斜拉桥中斜拉索的腐蚀情况特别严重，斜拉索被视为斜拉桥中的核心受力构件，斜拉索的寿命也就是斜拉桥的寿命。因为拉索严重腐蚀，考虑到腐蚀给斜拉索带来的危害以及承载能力方面的下降，桥梁管养单位会选择立即换索，但换索代价极大，耗时耗力，且费用极高。斜拉桥出现的腐蚀问题在世界范围内普遍存在，且处理方法也大致相同。调查发现，拉索产生严重腐蚀的时间和设计使用年限相差甚远，一般斜拉索在十五年左右就会发生严重腐蚀的现象。立即换索带来的巨大代价让斜拉桥的建设投入的性价比变得更加低，这对于斜拉桥的未来继续发展是极其不利的。目前大跨度的斜拉桥普遍建于江河海洋之上，斜拉桥所处的自然环境也就非常复杂，加之斜拉索承受着对其疲劳性能很不利的交变荷载，交变荷载和环境耦合作用对斜拉索的腐蚀速率就会产生非常不利的影响。实际工程中，拉索受到腐蚀是不可避免的，但管养单位在换索时大多没有考虑腐蚀后的斜拉索的承载力以及剩余寿命，这样立即选择换索就显得过于保守。在发现腐蚀的斜拉索后如果可以评估最佳的换索时间，就可以节省更多的人力物力资源，不至于造成过多的浪费。所以对于受到腐蚀作用的斜拉索在交变荷载作用下进行承载能力分析以及剩余疲劳寿命评估就具有相当的实际意义。

斜拉索腐蚀疲劳问题的国内外研究现状

国外研究现状

腐蚀疲劳是材料或构件在腐蚀环境作用下的疲劳，Haigh于1917年观察到了腐蚀疲劳现象并于1928年由McAdam提出了腐蚀疲劳概念。Bradshawamp;

Wheeler于1966年首次从断裂力学角度研究腐蚀疲劳问题。Inglis和通过弹性力学精确分析发现带有裂纹的构件，其裂纹尖端的应力无穷大，这也就意味着带有裂纹的物体承受不了任何荷载，这显然和事实不符，由此引发了后人的思考。1921年Griffith提出构件出现裂纹时需要克服阻力（即表面能），即应力做功大于形成表面所释放出的表面能时，裂纹才会产生。这种提法虽然对脆性材料有很好的适用性，但对于金属材料就不太实适用了。1948年Orowan和Irwin分别对Griffith的理论加以补充，Orowan指出裂纹的产生不仅要克服裂纹产生释放的表面能，还要克服塑性变形功；Irwin指出金属材料塑性变形功是裂纹产生主要需要克服的，并且通过多年的探索提出了能量释放率的概念。后来许多力学家研究发现了裂纹尖端附近应力的奇异性。1957年Irwin继续探索提出了描述断裂问题的新的物理量：应力强度因子K。线弹性断裂力学的发展为疲劳问题的研究提供了理论基础。1961年Paris等人提出的Paris公式为描述裂纹在疲劳荷载作用下的扩展奠定了基础^[1]。从腐蚀疲劳问题的出现到腐蚀疲劳的研究经历了一个漫长的过程，Honshu.Shikoku桥梁管理部门针对管理负责的多座斜拉桥和悬索桥开展了防止或减轻拉索腐蚀的方法研究，并提出了一系列有效的斜拉索防腐方式；H.R. Hamilton和S.C. Barton等开展了拉索在受到零负载和可变荷载作用下的人工加速腐蚀试验，探讨了拉索的全面腐蚀、腐蚀破裂、氢脆变化情况，获取了腐蚀和未腐蚀的拉索样品失重量、氢浓度、最终负载等方面的信息；K.Suzumura 等通过开展腐蚀试验，改变环境的湿度、温度以及NaCl的浓度等环境因素以确定影响镀锌钢丝腐蚀行为的环境因素；W.Liu 等提出采用时域反射计、连续声发射技术或磁流变传感技术测量拉索腐蚀的思路。但这些研究处于理论阶段，且应用领域过于局限；Hopwood和Haven 对高强镀锌钢丝的腐蚀分四级；且发现裂纹在阶段4出现，即铁锈替换白色的锌锈覆盖了钢丝表面，钢丝表面粗糙,出现蚀坑时，裂纹开始出现；Keita和Shun.ichi将镀锌高强钢丝所处的可能环境划分为4类，并得到4种模拟拉索腐蚀环境中高强钢丝的腐蚀速率，没有考虑腐蚀介质与荷载作用的耦合作用^[2]。

国内研究现状

苏达根等研究了广州海印大桥失效的钢丝锈蚀，发现腐蚀程度与对钢丝力学性能的影响随腐蚀程度增大而表现越明显，即轻度腐蚀对钢丝力学性能的影响甚微，但受到重度腐蚀的钢丝力学性能相差甚远^[3]。湖南大学易建伟等人在对10多座斜拉桥拉索更换的基础上，提出了对斜拉索腐蚀检测采用开窗检查的方法，具有一定的适用性^[4]。重庆市拉索腐蚀管理中心的牟献良、田月娥的人在对石门大桥换索时，分析了拉索腐蚀原因，并对拉索的防腐提出了改进措施，以及预测了拉索的使用寿命^[5]。长安大学胡志鹏基于可靠性理论，应用“极值推定法”建立拉索的剩余寿命预测模型，但预测模型中临界腐蚀深度很难直接确定。这种概率性的研究需要大量的实验数据作为参考，且准确度也不高^[6]。同济大学徐俊、陈惟珍等人研究了实桥斜拉索锈蚀程度的分级、斜拉索钢丝锈蚀的演化机理和静力极限强度受到腐蚀程度的影响^[7]。黎学明、周建庭等人以斜拉桥使用的镀锌及裸露钢丝、钢绞线为试验材料，通过中性盐雾试验和电化学试验，比较分析了应力形式、NaCl溶液浓度和酸雨浓度对斜拉索腐蚀行为及力学行为^[8]。梁雄于2008年对钢丝的锈蚀规律进行了分析和研究，并建立了基于最大等效应力为破坏准则的腐蚀拉索使用寿命定量预测模型，并且以忠县长江大桥为例，介绍了该桥A17号拉索的使用寿命预测过程及当中要注意的事项^[2]。朱殷桥，姚国文等人通过人工加速盐雾试验模拟钢绞线在使用中所处的腐蚀环境，同时施加零荷载，静荷载，交变荷载，用失重法和力学性能降低法分析比较不同腐蚀时间以及不同应力作用下钢绞线的损失情况，得出交变应力作用下，钢绞线腐蚀速率最快的结论^[9]。吴佳东等人对斜拉索腐蚀程度进行分级，并采用Paris公式建立了斜拉索腐蚀疲劳剩余寿命的预测模型，结果理论值和试验值基本一致。但所求剩余寿命为恒幅作用下的腐蚀疲劳剩余寿命，与实际中斜拉索所承受的荷载情况不一致^[10]。重庆交通大学吴文杰通过有限元模拟静力作用和交变荷载作用下受到腐蚀后的钢绞线模型，通过应力云图推测交变荷载相比静力作用对腐蚀的促进作用要更大^[11]。重庆交通大学李文治等通过室内盐雾加速试验，分析比较了加载时间以及加载方式对拉索腐蚀行为以及腐蚀后的力学性能的影响，且得到裂纹深度是影响钢丝力学性能的主要因素，两者反向增长^[12]。李涛，吴甜宇等人通过开展室内盐雾加速腐蚀试验，统计各种应力状态下腐蚀钢丝的腐蚀失重量及弹性模量、抗拉强度等力学性能的变化，分析比较得出断后伸长率对疲劳腐蚀最敏感的结论。通过ANSYS有限元分析软件建立带有不同腐蚀情况（包括全面腐蚀，点蚀，蚀坑的尺寸和分布不同）的钢丝模型，分析了不同腐蚀情况对钢丝力学性能和疲劳寿命的影响。并得出腐蚀对弹性模量几乎没影响的结论^[13]。重庆交通大学姚国文、蒋冬夏等人，首次进行考虑交变应力和腐蚀的同时作用下拉索的腐蚀行为及力学性能的实验研究，并对斜拉索的腐蚀寿命进行了推测^[14]。郑祥隆、谢旭等人统计相关实验结果拟合出不同应力比和屈服强度下珠光体高强度钢丝的裂纹扩展门槛值以及疲劳抗力参数C和m的经验公式，并基于Paris公式提出三参数模型计算裂纹萌生阶段裂纹扩展阶段的寿命^[15]。李成彬等人通过比较分析有限元模拟裂纹计算圆柱体表面Ⅰ型裂纹的应力强度因子和实测值得出有限元方法模拟得出的应力强度因子是可以采用的结论^[16]。

本文的主要研究工作

本文首先查阅大量文献，熟悉了解斜拉索腐蚀疲劳问题的研究现状，翻阅书籍熟悉相关理论，包括弹性力学理论基础，有限元方法理论基础以及线弹性断裂力学理论基础。通过有限元分析软件ANSYS12.0建立某斜拉桥整桥模型，对所建模型进行模态分析并施加风-车荷载进行瞬态分析，通过时程响应后处理模块POST26提取单根斜拉索的应力时程曲线，并将该应力时程曲线通过处理应用到单根平行钢丝上。应用WORKBENCH创建单根钢丝带有蚀坑的模型，计算风-车荷载作用下单根钢丝的疲劳寿命，最后比较分析全面腐蚀、蚀坑形状、蚀坑间距和蚀坑深度对单根钢丝疲劳寿命的影响。

疲劳寿命理论分析

引言

工程结构构件在制造和使用中受到各种因素诸如制造工艺、腐蚀环境等影响下，一定会形成一些裂纹，斜拉桥上的斜拉索也不会例外，斜拉索表面裂纹的存在致使结构的快速失效在实际工程中尤为常见。调查研究发现，裂纹的产生和结构处于腐蚀环境中受到腐蚀息息相关，且由于腐蚀产生的裂纹对结构构件的危害是最为严重的。前人对于交变应力和腐蚀环境耦合作用下斜拉索的腐蚀速率做了大量的理论分析和试验研究，结果表明两者的交互作用会加速裂纹的扩展，极大降低斜拉索的力学性能。