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腐蝕對(duì)在役鋼箱梁橋面板服役性能的影響評(píng)價(jià)研究

2022-02-16 14:55:50 作者：許睿文，劉鵬，等來(lái)源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

正交異性鋼箱梁結(jié)構(gòu)具有自重輕、極限承載能力大、跨度大、施工時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，多數(shù)大、中跨度現(xiàn)代橋梁都采用此結(jié)構(gòu)。但是，由于服役環(huán)境、載荷條件與結(jié)構(gòu)形式等綜合因素的耦合作用，鋼箱梁結(jié)構(gòu)時(shí)常發(fā)生腐蝕、裂紋、疲勞破壞等病害，導(dǎo)致橋梁存在運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)含病害在役鋼箱梁的性能與服役安全進(jìn)行評(píng)價(jià)成為橋梁領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。

目前，關(guān)于鋼箱梁承載能力及疲勞性能的評(píng)價(jià)結(jié)果為橋梁的服役安全提供了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及研究理論，但隨著鋼箱梁服役時(shí)間的延長(zhǎng)，不可避免的腐蝕病害會(huì)嚴(yán)重影響其服役性能，評(píng)估實(shí)際在役鋼箱梁腐蝕程度對(duì)剩余服役性能的影響具有重要的工程應(yīng)用意義。

橋梁及其鋼箱梁的基本情況介紹

本文研究的橋梁位于我國(guó)東南沿海地區(qū)，截至取樣時(shí)間已服役20年。該橋梁為6車道單跨雙鉸鋼箱加勁懸索橋，寬32m，橋軸線處箱內(nèi)凈高2.99m，鋼箱梁結(jié)構(gòu)采用正交異性橋面板。鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)材料為16Mnq（Q345b）鋼，橋面板厚12mm，下翼板及腹板厚10mm，橋面板U型肋尺寸為320mm×260mm×8mm，間距620mm，鋼箱梁每4m設(shè)一道橫隔板，板厚8mm，有吊索處橫隔板厚10mm。鋼橋面板上鋪裝7cm厚的瀝青混凝土。

圖1 鋼箱梁結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：mm）

該橋梁設(shè)計(jì)載荷為汽車超20級(jí)，應(yīng)限載荷55噸。由于該橋通車后車流量大，且超載車輛較多。對(duì)連續(xù)某一時(shí)間段通過(guò)橋梁的204輛貨車進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，超載車輛有140輛，占68.6%，超載率大于50%的貨車占比為27%。因此，路面鋪裝的瀝青混凝土容易發(fā)生開裂，開裂后雨水沿裂縫進(jìn)入橋面板，會(huì)引發(fā)鋼箱梁橋面板的腐蝕。另外，超載車輛對(duì)鋼箱梁橋面板尤其是經(jīng)腐蝕后橋面板的服役安全提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

鋼箱梁橋面板在重車載荷下的受力分析

采用ANSYS有限元軟件對(duì)重車通過(guò)情況下橋面板的受力情況進(jìn)行分析，采用SHELL63板單元模擬橋面頂板、底板、腹板、U肋、扁鋼以及橫隔板、人洞等構(gòu)造。鋼板材料彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3。對(duì)4個(gè)吊桿范圍內(nèi)的鋼箱梁采用板單元建模，在車輛載荷處細(xì)化單元網(wǎng)格以獲得更精確的應(yīng)力分布。對(duì)吊點(diǎn)施加豎向約束，并在順橋向兩端進(jìn)行對(duì)稱約束。

圖2 鋼箱梁三跨有限元模型

統(tǒng)計(jì)表明，該大橋主要通過(guò)車輛為20噸與55噸重車，載荷布置如圖3所示。可以看出，軸重主要集中在12~14噸，因此采用13噸單軸載荷（單軸兩側(cè)雙輪胎）作為分析基準(zhǔn)載荷，車輪在重載下與地面的接觸面積取200mm×300mm。

（a） 20t

（b） 55t

圖3 20噸和55噸重車的載荷布置立面圖

橋面板的拉伸強(qiáng)度及疲勞性能

01 測(cè)試方法

為了評(píng)估服役20年后橋面板的剩余拉伸強(qiáng)度，從服役懸索橋上截取4塊腐蝕較典型的橋面板樣板，其中一塊為帶焊縫樣板，同時(shí)取未服役的庫(kù)存替補(bǔ)樣板試樣（厚度為14mm）進(jìn)行對(duì)比，從樣板上取樣，用三維形貌儀測(cè)量試樣的表面形貌，具體如下：

1號(hào)板試樣（F005）

位置：62吊索，里程為K38+448

2號(hào)板試樣（F021）

位置：40號(hào)吊索，里程為K38+184

3號(hào)板試樣（F023，帶焊縫）

位置：38號(hào)吊索，里程為K38+160

4號(hào)板試樣（庫(kù)存替補(bǔ)板）

未服役

保留橋面板的原始表面形貌，從橋面板上取樣制成拉伸試樣和疲勞試樣，每塊樣板上截取4個(gè)試樣以保證試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。試樣總長(zhǎng)150mm，夾持端寬30mm、長(zhǎng)50mm，標(biāo)距段長(zhǎng)30mm、寬15mm，典型試樣的形貌如圖4所示。

（a）橋面板試樣上表面形貌

（b）試樣側(cè)面

圖4 橋面板拉伸試樣實(shí)物圖

02 試驗(yàn)結(jié)果及討論

考慮沖擊載荷，求得異形基頻為7.7Hz，如圖5所示。根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，求得沖擊系數(shù)為0.345。分析鋼箱梁橋面板局部應(yīng)力時(shí)，車軸之間的疊加效應(yīng)可以忽略，采用單軸載荷作用橋面板獲得的計(jì)算結(jié)果可滿足求解精度。

圖5 結(jié)構(gòu)的一階振型

將單軸載荷（共13噸）施加在鋼箱梁兩個(gè)橫隔板中間的重車道路橋面板上，最大載荷出現(xiàn)在U肋頂部，該處最大橫向正應(yīng)力為83.0MPa，最大橫向壓應(yīng)力為87.7MPa，如圖6所示，考慮沖擊載荷情況求得橋面板最大承載下的橋面板厚為12mm，最大橫向拉應(yīng)力為111.6MPa，最大橫向壓應(yīng)力為118.0MPa，Von Mises應(yīng)力為105.2MPa。

圖6 單軸載荷下鋼箱梁橫向正應(yīng)力分布圖

在U肋頂部處出現(xiàn)最大Von Mises應(yīng)力78.2MPa（見(jiàn)圖7），考慮沖擊系數(shù)0.345，應(yīng)力105.2MPa，Q345b鋼板的屈服應(yīng)力不低于345MPa，與標(biāo)準(zhǔn)軸重（13噸）作用下的計(jì)算結(jié)果相比，安全系數(shù)為3.28，滿足鋼箱梁的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖7 單軸載荷下鋼箱梁Von Mises應(yīng)力分布圖

對(duì)圖4中各試樣腐蝕面（面向?yàn)r青混凝土路面?zhèn)龋┑妮喞M(jìn)行掃描，截取典型截面輪廓線如圖8所示。可以看出，4號(hào)未服役橋面板試樣的厚度較均勻，腐蝕程度較輕；相比之下，1~3號(hào)橋面板試樣上表面呈現(xiàn)較大的高度差。其中3號(hào)試樣的腐蝕最為嚴(yán)重，平均厚度僅為6mm。這主要是由于橋面交變載荷引起鋪裝層開裂，該懸索橋服役環(huán)境為亞熱帶海洋大氣環(huán)境，含Cl-較多的雨水隨裂縫滲入瀝青底部與橋面板上表面接觸，橋面板發(fā)生腐蝕病害。

圖8 橋面板試樣的截面厚度輪廓線比較

在w+b LFV 500-T5000型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉伸速率為0.01mm/s。為了評(píng)估腐蝕程度對(duì)橋面板強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果均采用當(dāng)量應(yīng)力表示試樣的強(qiáng)度，當(dāng)量應(yīng)力=實(shí)際載荷/[試樣寬度×試樣原始厚度（12mm）]。拉伸試驗(yàn)所得當(dāng)量應(yīng)力與試樣厚度的關(guān)系如圖9所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，試樣的當(dāng)量屈服強(qiáng)度和當(dāng)量抗拉強(qiáng)度隨試樣平均厚度的減小而降低，兩者基本符合線性關(guān)系。這說(shuō)明鋼箱梁頂板試樣當(dāng)量應(yīng)力的降低主要是由于腐蝕引起材料的減薄。

圖9 試樣當(dāng)量屈服強(qiáng)度和當(dāng)量抗拉強(qiáng)度隨試樣平均厚度的變化

對(duì)于發(fā)生腐蝕的橋面板，認(rèn)為其服役過(guò)程中該部位承受的載荷不變。根據(jù)鋼箱梁橋面板在重車單軸載荷下的受力計(jì)算結(jié)果（橫向拉應(yīng)力111.6MPa，橫向壓應(yīng)力118MPa），以腐蝕橋面板試樣當(dāng)量應(yīng)力幅值為115MPa所對(duì)應(yīng)的實(shí)際應(yīng)力幅值，采用拉壓對(duì)稱循環(huán)載荷（R=-1）對(duì)試樣進(jìn)行疲勞測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，試樣疲勞壽命與厚度的關(guān)系如圖10所示。

表1 當(dāng)量應(yīng)力幅值為115MPa時(shí)試樣的疲勞壽命

圖10 當(dāng)量應(yīng)力幅值為115MPa時(shí)試樣疲勞壽命隨厚度的變化

可以看出，當(dāng)試樣厚度為10mm時(shí)，試樣具有無(wú)限壽命（5×106循環(huán)周次未失效）。當(dāng)厚度為9mm時(shí)，隨著試樣厚度的降低，疲勞壽命大幅降低。當(dāng)試樣平均厚度降低到6mm時(shí)，剩余壽命僅約為20000周次。

由于瀝青以及防水層的開裂，懸索橋在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中，橋面板上表面出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕，這對(duì)鋼箱梁的安全提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。由圖4和圖8可知，順橋方向不同位置橋面板的腐蝕程度是不同的，總體來(lái)看，該懸索橋鋼橋面板的整體腐蝕較為嚴(yán)重，最大減薄區(qū)域厚度僅為6mm，年均腐蝕速率為0.3mm/a，這是考慮路面鋪裝層完好，不存在滲水及腐蝕條件下的，實(shí)際腐蝕時(shí)間更短，腐蝕速率更大，因此橋面板存在較高的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)論

（1） 13噸重車單軸載荷作用下橋面板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在U肋頂部，考慮沖擊載荷條件，其最大橫向拉應(yīng)力為111.6MPa，最大橫向壓應(yīng)力為118MPa；

（2）橋面板上表面腐蝕不均勻，試樣的當(dāng)量抗拉強(qiáng)度與剩余厚度近似呈線性關(guān)系，即腐蝕減薄越大，當(dāng)量抗拉強(qiáng)度越低；

（3）在當(dāng)量應(yīng)力幅值為115MPa條件下，橋面板試樣厚度降低將引起疲勞壽命大幅降低。為保證橋面板的安全性，其腐蝕后的厚度應(yīng)不低于10mm。

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