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原文传递拱桥吊杆腐蚀疲劳损伤机理与长期性能研究

论文题名：	拱桥吊杆腐蚀疲劳损伤机理与长期性能研究
关键词：	拱桥吊杆;钢丝锈蚀;疲劳破坏;力学性能退化;剩余疲劳寿命评估
摘要：	近年来，我国大多数拱桥吊杆都存在耐久性不足的问题，吊杆内部钢丝的力学性能在腐蚀疲劳耦合作用下急剧退化，严重威胁拱桥安全。目前，对于吊杆损伤的研究不够深入，还未建立切实可行的评价理论和体系来评估吊杆的剩余寿命。为此，本文在重庆市自然科学基金项目“荷载与电化学腐蚀耦合作用下拉索锚固系统长期性能衰变机理研究”（No. cstc2021jcyj-msxmX1159）、重庆英才计划“包干制”项目“荷载与环境耦合作用下桥梁长期性能加速试验方法研究”（No. cstc2022ycjh-bgzxm0124）支持下，开展了拱桥吊杆力学性能退化和剩余疲劳寿命评估方法的研究，为科学评价拱桥吊杆系统的长期性能提供了理论基础。本文的主要工作和研究结论包括：　　（1）分析了拱桥吊杆腐蚀损伤、疲劳损伤及腐蚀疲劳损伤机理，研究了吊杆损伤演化规律，发现拱桥吊杆存在两类主要的损伤类型：简单损伤、复合损伤，进一步对比分析了均匀腐蚀、点蚀、坑蚀以及应力腐蚀、腐蚀疲劳等各种类型的损伤模式，探讨了疲劳裂纹的宏细观扩展机制。　　（2）对服役20年的拱桥拆除吊杆内钢丝进行了为期0d、7d、14d、21d的人工加速腐蚀试验，对比研究了不同腐蚀程度钢丝的物理力学性能。试验结果表明：服役20年拱桥拆除吊杆内钢丝发生坑蚀的表观面积占58%，质量损失率为2.39%，断后伸长率为4.1%，屈服强度为1274MPa，极限强度为1561MPa。经过人工加速腐蚀后，钢丝断后伸长率为 2.8%~3.7%，钢丝坑蚀表观面积占比分别为 63%、78%、86%，质量损失率分别为 5.22%、8.19%、9.80%，屈服强度分别为1192MPa、1134MPa、1053MPa，极限强度分别为1508MPa、1432MPa、1396MPa。因此吊杆内钢丝锈蚀后对力学性能和正常使用功能有不可忽视的影响。　　（3）对不同腐蚀程度下的吊杆内钢丝开展了疲劳加载试验，得到了锈蚀钢丝的S-N曲线和疲劳破坏模式，在双参数Weibull分布模型基础上建立了锈蚀钢丝剩余寿命预测模型，研究了不同腐蚀程度的吊杆内钢丝达到不同失效概率所需要的循环次数，提出了基于钢丝 Pf-S-N 曲线簇在不同失效概率下的剩余疲劳寿命评估方法，为在役拱桥吊杆剩余寿命预测提供了参考。结果表明：随着腐蚀程度增加，钢丝疲劳寿命显著减小，钢丝发生脆断几率更高；钢丝疲劳寿命的概率分布符合K-S拟合优度检验，可采用双参数Weibull分布表示。　　（4）通过空间有限元模型模拟了拱桥吊杆的空间受力和变形规律，研究了吊杆内锈蚀钢丝的应力分布规律和疲劳寿命；通过拱桥吊杆实体有限元模型模拟了服役20年拱桥锈蚀吊杆的应力分布规律和疲劳寿命。结果表明：应力及应力增量随着蚀坑的扩展而增加，疲劳寿命随着蚀坑的扩展而减少；双蚀坑模型的应力比单蚀坑模型低11%，多蚀坑模型会减弱应力集中效应。　　（5）建立了拱桥吊杆系统的长期性能评估指标体系与评估方法，长期性能关键指标包括：钢丝极限强度、钢丝腐蚀疲劳寿命、吊杆破断力、吊杆锚固性能。在钢丝剩余疲劳寿命评估模型基础上，探讨了拱桥吊杆长期性能评估方法，为保障桥梁运营安全提供参考。
作者：	刘佳伟
专业：	土木水利
导师：	姚国文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023