端頭腐蝕下吊索熱鑄錨黏結(jié)性能退化試驗研究

周昊，馬亞飛

引用格式：周昊,馬亞飛.端頭腐蝕下吊索熱鑄錨黏結(jié)性能退化試驗研究[J/OL].長沙理工大學學報(自然科學版),1-10[2024-09-02].https://doi.org/10.19951/j.cnki.1672-9331.20240506001. 

Citation：ZHOU Hao, MA Yafei. Experimental study on bond performance degradation of suspender hot-cast anchor under the corrosion of anchorage end[J].J Changsha Univ Sci Tech (Nat Sci),,1-10[2024-09-02].https://doi.org/10.19951/j.cnki.1672-9331.20240506001.

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摘  要：【目的】為揭示服役環(huán)境下熱鑄錨端頭腐蝕機制和損傷演化規(guī)律，明確結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和腐蝕時間對鋼絲/熱鑄合金界面黏結(jié)性能的影響。【方法】以單絲錨固試件為研究對象，通過通電加速腐蝕試驗，結(jié)合三維激光掃描方法研究了試件端面腐蝕形貌和黏結(jié)界面腐蝕深度概率分布特征；基于錨固試件拉拔試驗，得到了荷載-位移曲線、失效模式和黏結(jié)強度分布，分析了錨固長度、錨固角度、鋼絲直徑和腐蝕時間對試件界面黏結(jié)性能的影響，采用多元線性回歸法提出了錨固試件極限拔出荷載計算公式。【結(jié)果】距黏結(jié)界面越近，合金端面腐蝕深度越大；黏結(jié)界面處的腐蝕深度不拒絕服從正態(tài)分布，腐蝕深度的均值和標準差隨腐蝕時間增長逐漸增大；增加錨固長度、錨固角度和鋼絲直徑會增大試件的黏結(jié)強度；隨腐蝕時間增長，試件黏結(jié)強度顯著降低，最大降幅為25.04%；極限拔出荷載計算值與試驗結(jié)果吻合較好。【結(jié)論】熱鑄錨端部長期遭受腐蝕介質(zhì)侵蝕后，易導致其界面黏結(jié)性能快速下降，顯著降低錨具承載能力，研究成果可為吊索熱鑄錨的結(jié)構(gòu)參數(shù)和防腐設計提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：橋梁吊索；熱鑄錨具；性能退化；三維激光掃描；概率特征

熱鑄錨由低熔點鋅合金填料和平行鋼絲束高溫澆鑄而成，是大跨橋梁吊索的重要傳力構(gòu)件。由于長期遭受腐蝕介質(zhì)侵蝕，錨具端頭腐蝕已成為影響索承橋梁結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵問題之一。熱鑄錨屬于黏結(jié)型錨具，錨固段平行鋼絲束呈散狀分布，錨具主要通過鋼絲與合金填料間的黏性接觸實現(xiàn)索體應力傳遞，其界面黏結(jié)強度決定了熱鑄錨的整體承載能力。腐蝕會改變錨具端部應力分布，顯著降低鋼絲與合金界面黏結(jié)性能，導致結(jié)構(gòu)局部甚至整體結(jié)構(gòu)破壞。因此，明確吊索熱鑄錨端頭腐蝕機理及黏結(jié)性能退化規(guī)律，對保障橋梁安全運營具有重要意義。

一些學者通過加速腐蝕方法開展了黏結(jié)型錨具性能退化研究，揭示了黏結(jié)式錨具的腐蝕機制，指出腐蝕介質(zhì)通過錨固填料孔隙滲透至錨桿表面，加速錨桿與錨固填料黏結(jié)界面的腐蝕開裂，降低錨具承載能力。然而，熱鑄錨為金屬澆筑，腐蝕介質(zhì)難通過合金填料孔隙擴散至錨具內(nèi)部，會大量堆積于錨具端部位置。受腐蝕介質(zhì)長期作用，錨具端面的合金和鋼絲極易發(fā)生腐蝕溶解，降低錨具承載能力。目前，針對服役環(huán)境下熱鑄錨端頭腐蝕機制和黏結(jié)性能退化規(guī)律的研究成果較少，亟待開展端頭腐蝕下熱鑄錨黏結(jié)性能退化試驗研究。為此，本文以單絲錨固試件為研究對象，采用通電加速腐蝕方法和三維激光掃描技術(shù)，揭示了端頭腐蝕下錨固試件端部腐蝕形貌及黏結(jié)界面腐蝕演化規(guī)律；基于拉拔試驗研究了錨固長度、錨固角度、鋼絲直徑和腐蝕時間對鋼絲/熱鑄合金界面黏結(jié)性能的影響，提出了錨固試件極限拔出荷載計算公式，并結(jié)合試驗進行了驗證。圖1為試驗開展流程。本研究旨在為吊索熱鑄錨結(jié)構(gòu)參數(shù)設計和防腐設計提供理論依據(jù)。

圖1  試驗開展流程

1.研究內(nèi)容與意義

1.1 通電腐蝕形貌

圖2  錨固試件端面腐蝕產(chǎn)物一般形貌

1.2 荷載位移曲線

圖3為所有工況下試件的荷載位移曲線。由圖3可知，荷載位移曲線可分為兩類。第一類是錨固長度、鋼絲直徑及腐蝕時間影響下的荷載位移曲線，存在三個階段：（1）彈性階段，荷載隨加載端位移的增加呈線性增長；（2）軟化階段，荷載達到峰值荷載的80~90%后，荷載增長速率隨加載端位移的增加而逐漸降低；（3）脫粘階段，達到峰值荷載后，荷載隨加載端位移的增加逐漸降低。

圖3  荷載位移曲線

1.3 黏結(jié)強度分布

圖4  錨固試件黏結(jié)強度分布

1.4 極限拔出荷載預測

（1）

圖5為極限拔出荷載計算公式預測值與試驗值的對比。由圖5可知，預測與試驗結(jié)果吻合較好，94.37%的預測數(shù)據(jù)點位于試驗數(shù)據(jù)±4 kN范圍內(nèi)。說明本研究提出的公式能準確計算錨固試件的極限拔出荷載，這為吊索熱鑄錨具的結(jié)構(gòu)參數(shù)設計和防腐設計提供了理論依據(jù)。

圖5 理論預測結(jié)果

2.結(jié)論

（1）合金端面腐蝕形貌呈坡狀，距黏結(jié)界面越近的位置，其腐蝕深度越大。在相同腐蝕時間下，黏結(jié)界面的腐蝕深度不拒絕服從正態(tài)分布，腐蝕深度的均值和標準差隨腐蝕時間的推移逐漸增大。

（2）錨具端頭腐蝕會降低鋼絲/熱鑄合金界面黏結(jié)性能，黏結(jié)強度隨腐蝕時間的增加顯著降低。腐蝕試件的黏結(jié)強度最大、最小值及上下四分位數(shù)為27.64MPa、7.15MPa、19.35MPa和9.75MPa，較未腐蝕試件分別減少了13.11%、33.86%、33.41%和41.48%。

（3）錨固長度、錨固角度和鋼絲直徑的增加會顯著增大試件的黏結(jié)強度。基于拉拔試驗結(jié)果，提出了錨固試件極限拔出荷載計算公式，公式預測結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高，94.37%的預測數(shù)據(jù)點位于試驗數(shù)據(jù)±4kN范圍內(nèi)。