張建奎
(內(nèi)蒙古交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)
吊桿作為中承式拱橋傳遞荷載的構(gòu)件,將橋面主梁所受的荷載傳遞至拱肋[1]。吊桿一旦出現(xiàn)疲勞斷裂,會導(dǎo)致橋面坍塌,威脅人身安全和財產(chǎn)安全。
以上研究人員的研究成果均假設(shè)吊桿的疲勞抗力強(qiáng)度曲線不變,對吊桿的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。事實上吊桿受外界侵蝕介質(zhì)的作用,材料疲勞強(qiáng)度曲線的參數(shù)會發(fā)生相應(yīng)的變化。本文基于一中承式拱橋吊桿的實測應(yīng)力數(shù)據(jù),用單調(diào)遞減函數(shù)來描述銹蝕材料的疲勞強(qiáng)度曲線的變化,提出了一種考慮環(huán)境侵蝕作用下吊桿的疲勞壽命評估方法。
圖1 中承式拱橋的立面示意(單位:m)
2001年11月7日發(fā)生了橋塌事件,其中南岸32#,40#,48#和北岸32#吊桿突然斷裂導(dǎo)致相應(yīng)橋面整體垮塌,于2002年7月維修加固后通車。2015年對該橋的吊桿進(jìn)行了檢測,發(fā)現(xiàn)兩端短吊桿保護(hù)罩與拱肋下表面脫落,局部銹蝕,護(hù)腳底防水墊塊混凝土開裂。針對檢測結(jié)果,決定全部更換該橋吊桿。原位更換新吊桿采用單吊桿體系,除32#短吊桿外其余吊桿采用19根φ15.2、抗拉強(qiáng)度為 1 860 MPa 的環(huán)氧噴涂無黏結(jié)鋼絞線,破斷力為 4 940 kN,普通吊桿在最不利荷載工況下吊桿安全系數(shù)3.37。針對該橋吊桿反復(fù)出現(xiàn)疲勞銹蝕導(dǎo)致安全使用的問題,有必要對更新后吊桿的剩余疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測和討論。
圖2 32#吊桿應(yīng)力監(jiān)測曲線
為了得到更精確的吊桿應(yīng)力時程曲線,分別在全橋邊跨的32#吊桿、L/4跨的64#吊桿以及中跨的96#吊桿上安裝應(yīng)變傳感器,對全橋關(guān)鍵位置吊桿的應(yīng)力進(jìn)行量測。假設(shè)吊桿在外界荷載作用下不發(fā)生塑性變形,其應(yīng)變與應(yīng)力呈線性關(guān)系,將監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)與吊桿材料的彈性模量(E=195 000 MPa)求積,可得吊桿的應(yīng)力時程曲線,見圖2??芍O(jiān)測得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)幅值均在-5~15 MPa,應(yīng)力幅值較小,這與該橋?qū)ω涇嚨南扌杏泻艽蟮年P(guān)系。吊桿上出現(xiàn)的應(yīng)力脈沖集中在工作時間內(nèi),具有很強(qiáng)的時效性。采用雨流計數(shù)法對3種吊桿的應(yīng)力時程數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力幅值的提取,并采用等效疲勞損傷計算表達(dá)式計算日等效應(yīng)力幅值Δσeq和日等效循環(huán)次數(shù)Nd,計算式分別如下
(1)
Nd=ni+nj
(2)
式中:KC和KD分別為疲勞強(qiáng)度系數(shù),KC和KD的取值依據(jù)應(yīng)力幅值的大小,參照Eurocode規(guī)范[8];ni和nj分別為第i和j次應(yīng)力循環(huán);Δσ表示應(yīng)力幅值;Δσ0為不同細(xì)節(jié)類型對應(yīng)疲勞壽命2×108的常幅應(yīng)力值。
歐洲Eurocode規(guī)范給出了針對高應(yīng)力水平與低應(yīng)力水平的2種疲勞曲線表達(dá)式,分別為
(3)
(4)
式中:N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù);m為強(qiáng)度曲線的指數(shù)系數(shù);Δσc為不同細(xì)節(jié)類型對應(yīng)疲勞壽命2×106的常幅應(yīng)力值。
當(dāng)疲勞壽命次數(shù)區(qū)間從(0,5×106]延長至(0,5×108]時,強(qiáng)度曲線的指數(shù)參數(shù)值則由3變成5。當(dāng)壽命次數(shù)大于5×108,則認(rèn)為結(jié)構(gòu)在此應(yīng)力幅作用下永遠(yuǎn)不會失效。Eurocode規(guī)范將鋼箱梁疲勞細(xì)節(jié)分為14類,圖3為14類細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度的對比曲線。細(xì)節(jié)1在歐洲規(guī)范中對應(yīng)H類,屬于高周期疲勞破壞,則m=5,ΔσD=52 MPa。依據(jù)雨流計數(shù)法,得到材料的等效應(yīng)力幅值為6.7 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該材料的門檻值。如果材料的疲勞強(qiáng)度系數(shù)不發(fā)生改變,則材料不會發(fā)生疲勞失效。
圖3 Eurocode規(guī)范疲勞強(qiáng)度曲線對比
吊桿受外部腐蝕介質(zhì)的侵蝕作用,吊桿的疲勞抗力隨時間增長而減弱。文獻(xiàn)[9]給出了考慮材料銹蝕的疲勞強(qiáng)度曲線的表達(dá)式為
(5)
式中:f(t)為隨材料銹蝕量變化的單調(diào)遞減函數(shù)。
f(t)的表達(dá)式為
f(t)=C(t)/C0
(6)
式中:C0為材料的初始強(qiáng)度系數(shù);C(t)為服役期t所對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度系數(shù)。
C(t)/C0值的劣化大致可分為3個階段:第1階段鋼筋的銹蝕量很小(銹坑深度很淺),C值的下降規(guī)律不明顯;第2階段隨著鋼筋銹坑深度的增長,C值呈線性下降規(guī)律;第3階段當(dāng)銹坑深度達(dá)到一定數(shù)值后,C值將有急劇下降的趨勢。當(dāng)試件的銹坑深度達(dá)到2.0 mm 時C值的下降超過50%。f(t)可以用一個分段函數(shù)來表述[9],即
(7)
式中:r為吊桿表面最大蝕坑半徑。
依據(jù)2015年現(xiàn)場更換下來服役10年的吊桿,吊桿表面最大蝕坑深度為3 mm。為簡化計算,假設(shè)吊桿中鋼絲的腐蝕速率為勻速的,材料表面最大蝕坑和吊桿服役時間為線性關(guān)系式。
橋梁運(yùn)營若干年后吊桿細(xì)節(jié)疲勞損傷D表達(dá)式為
(8)
式中:d為天數(shù)。
圖4給出了3根代表性吊桿的疲勞損傷發(fā)展曲線,可知吊桿的疲勞壽命均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限。如果長時間限制貨車過橋,南門橋吊桿在設(shè)計期內(nèi)將不會出現(xiàn)疲勞斷裂。3根代表性吊桿的疲勞發(fā)展曲線吻合度較高,平均疲勞壽命為515年。
圖4 吊桿疲勞損傷發(fā)展曲線
圖5 32#吊桿疲勞傷損發(fā)展曲線
圖5(a)對比了考慮與不考慮吊桿材料銹蝕的疲勞損傷發(fā)展曲線??芍豢紤]銹蝕對材料疲勞強(qiáng)度的影響時,吊桿呈現(xiàn)線性損傷特征??紤]銹蝕作用后,吊桿的疲勞壽命顯著下降,在后期材料的損傷值不斷增加。圖5(b)對比了限制貨車與不限制貨車2種情況下,32#吊桿的疲勞損傷發(fā)展曲線??芍?種情況下,同一吊桿疲勞損傷值在服役年限超過50年后區(qū)別較大??梢悦黠@得知貨車荷載是影響吊桿疲勞斷裂的關(guān)鍵性因素。
本文基于一中承式拱橋吊桿實測應(yīng)變和交通荷載監(jiān)測數(shù)據(jù),提出了一種考慮環(huán)境侵蝕作用下吊桿疲勞壽命評估方法,并得到以下結(jié)論:
1)3根典型吊桿疲勞壽命相近,限載后考慮環(huán)境侵蝕作用下3根吊桿的平均疲勞壽命為515年。具有足夠的疲勞安全儲備。
2)對南門橋的吊桿進(jìn)行更換和限制貨車過橋的兩項措施,提高了結(jié)構(gòu)的疲勞抗力,同時也降低了結(jié)構(gòu)所受的疲勞效應(yīng)。在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi),該橋的吊桿在使用過程中出現(xiàn)疲勞斷裂的概率非常低。