朱子昂

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400000)

淺析鍍鋅平行鋼絲拉索損傷機(jī)理

朱子昂

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400000)

斜拉橋是我國(guó)大跨徑橋梁最流行的橋型之一，斜拉橋較大的跨越能力得益于斜拉索將主梁和橋面重量以及可變荷載荷載直接傳遞到主塔上，由此受力機(jī)理可知，斜拉索是一座斜拉橋所有構(gòu)件中的重中之重。索系統(tǒng)由于長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，極易受到腐蝕，鑒于斜拉橋拉索腐蝕的危害性，開展斜拉橋腐蝕損傷機(jī)理的研究就很有必要。本文以細(xì)觀損傷力學(xué)為研究手段，并結(jié)合斷裂力學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)則，論述分析了境腐蝕、應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕各自的損傷理論，詳細(xì)研究了疲勞腐蝕的特征、現(xiàn)存主要理論及其內(nèi)在機(jī)理，對(duì)拉索損傷研究有重要的意義。

鍍鋅;平行鋼絲;拉索損傷機(jī)理

一、引言

斜拉橋主要由主梁、索塔、和斜拉索三大部分組成。斜拉索作為斜拉橋的主要承重結(jié)構(gòu)，被人們稱作“生命索”。雖然斜拉橋的跨度在隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不停的增大，但是人們對(duì)斜拉橋拉索的腐蝕問題了解的卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠深入。目前，在國(guó)內(nèi)外大跨徑斜拉橋中的拉索主要采用平行鍍鋅高強(qiáng)鋼絲拉索，即在拉索表面鍍一層不小于300g/m2的鋅，利用原電池原理延緩鋼絲內(nèi)部基質(zhì)的腐蝕。在斜拉索經(jīng)過若干年的服役期后，由于各種原因進(jìn)入拉索內(nèi)部的腐蝕性介質(zhì)會(huì)首先與鋅反應(yīng)而逐漸消耗鍍鋅層，最終會(huì)首先在鍍鋅層薄弱區(qū)域接觸到拉索基質(zhì)鐵，從而進(jìn)一步腐蝕拉索，造成拉索損傷。

二、基于細(xì)觀損傷力學(xué)的有效模量分析

細(xì)觀損傷一般指孔洞、微裂紋、夾雜物、脆性相等材料內(nèi)部的不均勻性。對(duì)這些影響細(xì)觀損傷的成核機(jī)制、演化規(guī)律以及它們對(duì)材料力學(xué)行為的影響是損傷力學(xué)研究的課題。細(xì)觀損傷力學(xué)是從材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)受損的微觀機(jī)制加以區(qū)分，通過物理和機(jī)械過程微觀結(jié)構(gòu)變化的研究來了解材料的破壞，并通過體積平均化的方法從細(xì)觀分析結(jié)果導(dǎo)出材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)。細(xì)觀損傷力學(xué)的研究尺度介于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)與微觀力學(xué)之間，使用連學(xué)介質(zhì)力學(xué)和材料力學(xué)的一些方法，對(duì)上述兩種尺度之間的細(xì)觀結(jié)構(gòu)如微孔洞、微裂紋、晶界等進(jìn)行力學(xué)描述。細(xì)觀損傷力學(xué)一方面忽略了過于復(fù)雜的微觀物理?yè)p傷，另一方面包含了不同材料的細(xì)觀損傷的損傷變量的幾何和物理特征，為損傷變量和演化方程提供了一個(gè)更清晰的物理背景的。

平行鋼絲在損傷后其內(nèi)部表現(xiàn)為晶格間滑移錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致鋼絲某些性能的不均勻性；外部損傷表現(xiàn)為在鋼絲表面存在較多的蝕坑，鋼絲橫截面積減少并損失部分重量。由于鋼絲腐蝕僅會(huì)發(fā)生在鋼絲表面，故內(nèi)部的晶格錯(cuò)動(dòng)并不會(huì)受到外界腐蝕環(huán)境的影響；而局部的晶格錯(cuò)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鋼絲表面電化學(xué)性不均勻性，從而會(huì)加速鋼絲表面的化學(xué)腐蝕。由此可知，宏觀的腐蝕包含了疲勞致?lián)p傷，而鋼絲內(nèi)部的細(xì)觀損傷卻僅僅由疲勞應(yīng)力導(dǎo)致；而鋼絲的宏觀損傷可由一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)手段獲得。因此，把分析鋼絲的表觀損傷作為研究其腐蝕疲勞機(jī)理的一種手段合理、可行。

三、環(huán)境腐蝕

在腐蝕性介質(zhì)中，鍍鋅鋼絲的表面層將首先與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并最終使所鍍鋅涂層和內(nèi)部基質(zhì)中離子的形式與其他物質(zhì)結(jié)合，以產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，從而改變平行鋼絲的表面形狀和機(jī)械性能。拉索的腐蝕都是由最初肉眼不可見得微小點(diǎn)蝕開始的。這些點(diǎn)蝕的形成可分為點(diǎn)蝕的成核和點(diǎn)蝕的生長(zhǎng)兩個(gè)階段過程。蝕核能夠在光滑的金屬表面形成，更易在含夾雜物、鈍化膜破裂和物質(zhì)內(nèi)部晶體缺陷處形成。多數(shù)情況下，形成的蝕核長(zhǎng)至一定的臨界尺寸(一般孔徑大于30um)時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)宏可見的蝕坑。當(dāng)介質(zhì)中含有一定量氯離子，由于存在原電池反應(yīng)，鋼絲表面鍍鋅層“變薄”點(diǎn)會(huì)首先形成點(diǎn)蝕。隨著陽(yáng)極的金屬介質(zhì)被不斷腐蝕，最終蝕核發(fā)展成蝕坑。鋼絲銹蝕本質(zhì)上是以金屬為陽(yáng)極的腐蝕原電池反應(yīng)。

四、應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是處于腐蝕環(huán)境中的材料在受到持續(xù)穩(wěn)定的應(yīng)力后產(chǎn)生滯后裂紋甚至滯后斷裂的現(xiàn)象。在單純應(yīng)力作用下材料處于安全使用狀態(tài)，隨著時(shí)間的積累，腐蝕程度逐漸嚴(yán)重，導(dǎo)致材料的應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，嚴(yán)重降低其安全性能和使用壽命。應(yīng)力腐蝕是大氣環(huán)境中普遍存在的一種損傷失效形態(tài)，它具有以下一些特征：

①必須有足夠大的應(yīng)力參與

②應(yīng)力腐蝕破裂只有在特定的合金—環(huán)境中才會(huì)發(fā)生，并非任意金屬材料在任何腐蝕環(huán)境中都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕損傷[43]。

③發(fā)生應(yīng)力腐蝕時(shí)，材料的裂紋擴(kuò)展速度一般在10-3-10-6mm/min范圍，這一速度遠(yuǎn)大于沒有應(yīng)力時(shí)的環(huán)境腐蝕速度，又遠(yuǎn)小于單純的力學(xué)因素引起的斷裂速度。

應(yīng)力腐蝕發(fā)生的三個(gè)主要理論是：晶粒邊界的優(yōu)先溶解(即陽(yáng)極溶解)；晶界吸收氫原子，使晶間結(jié)合力下降導(dǎo)致開裂；鈍化膜破膜理論。不過對(duì)于高強(qiáng)度合金(如平行鋼絲)，應(yīng)力腐蝕機(jī)理主要為陽(yáng)極溶解型開裂己被廣泛接受。

五、腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是由交變應(yīng)力(周期應(yīng)力)和腐蝕環(huán)境的共同作用引起的結(jié)構(gòu)件提前開裂或斷裂失效的現(xiàn)象。拉索的腐蝕疲勞除了具有常規(guī)疲勞的特征以外，還具有一些與環(huán)境因素相關(guān)的特殊性質(zhì)。影響腐蝕疲勞的眾多因素中，包括冶金、材料、環(huán)境、應(yīng)力、時(shí)間、溫度等，其中任何一個(gè)因素的變化都會(huì)對(duì)腐蝕疲勞的結(jié)果產(chǎn)生影響。與應(yīng)力腐蝕和環(huán)境腐蝕相比，金屬的腐蝕疲勞沒有環(huán)境方面的選擇性，幾乎所有的金屬在任何腐蝕環(huán)境中都不可避免地會(huì)發(fā)生疲勞腐蝕。

腐蝕疲勞的機(jī)理根據(jù)腐蝕環(huán)境的不同可分為氣相腐蝕疲勞機(jī)理和液相腐蝕疲勞機(jī)理。氣相腐蝕疲勞又稱干腐蝕疲勞，是指在干燥的氣體介質(zhì)中發(fā)生的疲勞現(xiàn)象。液相腐蝕疲勞又稱濕腐蝕疲勞，是指金屬在電解質(zhì)溶液尤其是在含水的溶液介質(zhì)中發(fā)生的疲勞現(xiàn)象。對(duì)腐蝕疲勞過程的認(rèn)識(shí)可以從兩個(gè)方面加以理解：一是環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)如何加速了裂紋的萌生和擴(kuò)展；二是循環(huán)應(yīng)力又如何促進(jìn)腐蝕過程的發(fā)展。相關(guān)研究也表明循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)對(duì)拉索的損傷并不是簡(jiǎn)單線性疊加關(guān)系，而是存在相互促進(jìn)的耦合作用。腐蝕介質(zhì)、交變應(yīng)力對(duì)材料的交互作用在過程各個(gè)階段所起作用是不同的。目前對(duì)腐蝕疲勞的機(jī)理仍有不少爭(zhēng)論，比較流行的觀點(diǎn)是點(diǎn)蝕、選擇性電化學(xué)侵蝕、保護(hù)膜破裂、介質(zhì)吸附和氫致開裂等。

六、結(jié)束語

斜拉索作為斜拉橋的重要構(gòu)件，由于長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，加之動(dòng)態(tài)荷載效應(yīng)的交替作用，必然會(huì)產(chǎn)生損傷。而當(dāng)損傷積累到一定程度時(shí)，則會(huì)對(duì)其它相鄰構(gòu)件產(chǎn)生影響，威脅斜拉橋結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)。為了保證斜拉橋結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期間的安全，因此有必要對(duì)斜拉索腐蝕疲勞損傷機(jī)理進(jìn)行研究，開展腐蝕損傷拉索性能評(píng)價(jià)方法研究，對(duì)于延長(zhǎng)拉索使用壽命、改進(jìn)拉索防腐蝕設(shè)計(jì)和避免重大安全事故的發(fā)生具有重要理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值。

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[3]喬利杰,王燕斌,諸武揚(yáng).應(yīng)力腐蝕機(jī)理[M].科學(xué)出版社,1993

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朱子昂(1991-)，男，漢，陜西省西安市，碩士在讀，重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，研究方向：橋梁工程。