（机械工程专业论文）雅砻江桐子林大桥钢索摩擦损伤机理分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着近现代施工技术的进步，斜拉桥作为一种美观、实用的桥型，被越来越 多地应用在大跨度桥梁上。而斜拉索是主梁上最重要的承力结构，从目前的工程 实况来看，它的使用寿命过短，大大影响了斜拉桥的正常服役。 本研究针对攀枝花桐子林斜拉桥服役2 0 年的斜拉索进行分析。p e 套防护良 好，钢丝表面存在严重的损伤。通过扫描电子显微镜( s e m e d r ) ，激光扫描 共聚焦显微镜( l s c m ) 等扫描仪器，对表面损伤进行微观分析，得到了以下结 论： l 、研究发现，钢丝绳自由伸长部位( 中部钢丝) 有少数擦伤，但金属光泽 良好，没有锈蚀现象；靠近桥塔部位( 头部钢丝) 有少量锈迹，并存在着一定的 磨损，在这两部位均未发现水泥浆的淤积。在靠近主梁部位( 尾部钢丝) ，钢丝 的锈蚀、损伤都最为严重，表面发现大量的水泥浆；摩擦损伤与锈蚀一起影响斜 拉索的寿命。从整体情况上看，钢丝的损伤有局部集中和对称趋势，而钢索在自 由长度内，对载荷有一定的缓震效应。 2 、斜拉索钢丝受到不同程度的损伤，宏观上轴向损伤明显，微观上却是轴 向、切向、径向三种摩擦机制的复合作用。中部自由伸长部段主要受径向、切向 损伤大约有6 - , - 8 p r o 的深度，但头部和尾部钢丝受磨损机制作用，擦痕被覆盖。 尾部钢丝不断磨出更新的平面，并附有大量的锈蚀，是影响斜拉索使用寿命的主 要部位。 3 、钢丝表面e d x 分析发现，氧元素和锌元素含量在下降，铁元素在上升， 说明在摩擦损伤严重的部位，钢丝表面的镀锌层被严重地破坏；钢丝暴露于空气 中，表面擦伤在不断地进行；其他部分镀锌层以z n 0 的形式形成稳态。 4 、对各部段钢丝进行剖面分析，并未发现明显裂纹，但在外部受损伤严重 的地方，截面边缘的轮廓变得粗糙。 关键词：斜拉桥；平行钢丝索；摩擦；损伤；裂纹 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yi nc o n s t r u c t i o ni nr e c e n ty e a r s ，m o r e a n dm o r ec a b l es t a y e db r i d g ew h i c ha l w a y sb et r e a t e da st h eb e a u t i f u la n du s e f u ls t y l e ， w a sb u i l ti nt h ee x e r c i s eo fl o n gs p a nb r i d g e s t a y e dc a b l ei st h ep r i m a r yb e a r i n g c a r t i e rf o rm a i nb e a m ，b u ti t ss e r v i c el i f ei sf o u n dt o os h o r t t h i sl i m i t a t i o na f f e c t e d t h en a t u r a ll i f eo ft h ew h o l eb r i d g es e r i o u s l y t h es t a y e dc a b l eo ft h et o n g z i l i nc a b l es t a y e db r i d g ei np a n z h i h u a , h a ss e r v e d 2 0y e a r sw h e ni ti sr e i n f o r c e d ，晰廿1i t sp o l y e t h y l e n ep r o t e c t i n gj a c k e tp r o t e c t e dw e l l h o w e v e r , s e r i o u sd a m a g ei sf o u n dw h e nt h es t a y e dc a b l eh a sb e e na n a t o m i z e d o b s e r v e dc o m p a r a t i v e l ya n du s i n gs c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y - - x - - r a ye n e r g y d i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( s e m e d x ) ，l a s e rs c a n n i n gc o n f o c a lm i c r o s c o p e ( l s c m ) a n do t h e re q u i p m e n t st os c a nt h o s es e r i o u sd a m a g e dw i r e ，c a r e f u l l ya n a l y z i n gt h e d a m a g eo f t h es u r f a c e ，w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o n ： 1 i ns t r u c t u r eo ft h ei n t e r n a lc a b l e ，t h ef r e ee l o n g a t i o np a r t ( t h em i d d l eo ft h e c a b l e ) h a ss o m ed a m a g e ，b u ti t sp e r f e c ti nm e t a lc o l o u r , w i t h o u ta n yr u s t t h ep a r t n e a rm a i nt o w e r ( t h eh e a do ft h ec a b l e ) h a sal i t t l er u s ta n dd a m a g e n og r o u tw a s f o u n di nb o t ht h ef i o n tp a r t s h o w e v e r , i ti sm o r es e r i o u sa b o u tt h ed a m a g ea n dr u s ti n t h ec a b l en e a rm a i nb e a m ( t h et a i lo ft h ec a b l e ) ，a n dm u c hg r o u ta c c u m u l a t e st h e r e ； t h ef r e t t i n gd a m a g ea n dc o r r o s i o nb o t ha f f e c t st h es a f eo f t h ec a b l e su s e t ov i e wt h e s i t u a t i o na saw h o l e ，s t e e lw i r ed a m a g e si nt h ec a b l eh a sa no b v i o u s l ys y m m e t r i c a l t r e n d , a n dt h ew h o l ec a b l ec a nr e d u c et h eu s eo ft h em o v i n gl o a d si n t h e f l e e e l o n g a t i o np a r t 2 i nt h ew i r eo ft h es t a y e dc a b l e ，n e wp l a n ei sc r e a t e dw h e r et h ed a m a g ei st o o s e r i o u s ；t h ea x i a ls t r e s si so b v i o u si nt h ed a m a g eo nm a c r o s c o p i cl e v e l b u t ，w ef o u n d t h e r ei sc o m b i n e de f f e c to fa x i a l ，t a n g e n t i a la n dr a d i a lf r i c t i o nm e c h a n i s mo n m i c r o c o s m i cl e v e l i nt h ef r e ee l o n g a t i o np a r t , t h et a n g e n t i a la n dr a d i a ld a m a g ei s v e r yo b v i o u s ，t h ed e p t hi s6 - 8u n l ，w h i c hi sm u c hd e e p e rt h a nt h et w ot e r m i n a l s h o w e v e r , t h es t e e lw i r e s w e a ri sm o r eo b v i o u si nt h eh e a da n dt h et a i l ，a n dt h e f a t i g u ea l w a y sb ec o n c e a l e d n e wp l a n ew a sc r e a t e dc o n i n u e l yi nt h et a i l ，谢t hal o to f r u s ta d s o r b e d s ot h et a i lo ft h ec a b l ei st h ec r u c i a lp a r tf o rs t a y e dc a b l e sn a t u r a ll i f e 3 t h ec o m p o n e n to f t h es u r f a c ei sd e t e c t e di nd e t a i li nt h ez o n ew h e r et h e d a m a g e di ss e r i o u sb yx - r a ye n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d x ) t h ec o n t e n to f o x y g e na n dz i n cd e c r e a s e s ，a n di r o ni n c r e a s e s ；i ts h o w st h a tt h eg a l v a n i z a t i o nl a y e ri s d a m a g e ds e r i o u s l y ；t h ee l e m e n ti sb a r ei nt h ea i ra n dt h ef r i c t i o nc a r r i e so n 1 1 l eo t l l e r z o n e sg a l v a n i z a t i o nl a y e ri ss t e a d ya sz n o 4 - f a c e dw i t ht h ed i f f i c u l t yo ft h ec h e c ki nc r a c ke x p a n d i n g ，t h ec a b l ew a sc u t t h es e c t i o nw a sp o l i s h e d ，a n ds c a n n e db y o p t i c a lm i c r o s c o p e n oo b v i o u sc r a c kw a s f o u n d ，b u ti t sr o u g ho nt h ee d g eo ft h es e c t i o nw h e r et h ee x t e r n a ld a m a g ei ss e r i o u s k e yw o r d s ：c a b l es t a y e db r i d g e ；p a r a l l e lw i r ec a b l e ；f r i c f i o n ；d a m a g e ；c r a c k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 量曼曼曼皇量曼曼曼曼曼曼蔓曼曼量量曼笪皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼舅舅曼曼曼曼皇i。i i 曼曼笪量曼曼曼曼曼曼曼 第一章绪论弟一早殖了匕 斜拉桥是近1 0 0 年发展起来的大跨径桥型，它的上部由梁、索、塔三类载体 组成，是一种加劲梁受压或受弯曲应力为主、斜索受拉及桥塔受压应力为主的桥 梁结构1 】【2 】j 斜拉索是斜拉桥的一个重要组成部分，并显示了斜拉桥的特点【3 1 。加劲梁结 构上的重量和桥上活载，绝大部分通过这些钢索，传递到中间的索塔上，故斜拉 索的强度要求非常高。现代斜拉桥的索体全部由高强度钢筋、钢丝或钢绞丝制作 而成，防护手段，也随着科技、材料的进步，取得了很大的进展。但是，相对于 斜拉桥1 0 0 年的设计寿命，斜拉索的使用寿命仍难以超过3 0 年，这依然是限制 斜拉桥应用和发展的关键环节。在观察大量斜拉桥换索换索工程后发现，应力疲 劳是斜拉索服役损伤的重要来源【4 】。而斜拉索主要承力钢丝间的微动磨损是斜拉 桥顺利普及迫切需要研究的问题。 。 1 1 微动摩擦学 1 1 1 微动摩擦学的基本概念 微动指的是两个紧配合接触物体的表面发生极小幅度的相对运动，一般地， 其位移幅值为微米量级【5 1 。微动可以造成接触体表面的摩擦磨损，引起构件咬合、 松劲、功率损失、噪声增加或污染源形成等；微动也可以加快疲劳裂纹的萌生和 扩展，使构件的寿命大大降低。 表i 1 微动的基本模式 微动类型作用模式 。 沿接触表面切向做微米级的运动，这是最普遍的微动方式，又 切向微动 称作平移式微动，如图1 1 a 径向微动 径向的微小运动，源于一种交变的径向应力，如图1 1 b 滚动微动左右微米量级的滚动，如图1 1 - c 扭转动力的作用，如球阀、机车车辆中的心盘等常会有扭转动 扭动微动 力的作用，受力模型如图1 1 d 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 实际上的微动很复杂，根据简化的球平面接触模型，按不同的相对运动方 向，微动可分为四种基本的运行模式： 氡国 ( a ) 切向微动 ( b ) 径向微动( c ) 滚动微动 图1 1 四种基本微动运行模式示意图【6 1 o ( d ) 扭动微动 文献表明，绝大部分微动摩擦学的研究都集中在切向微动方面，它们又可以 分为三种不同的基本模式【7 j ( 1 ) 微动磨损( f r e t t i n gw e a r ) ：接触表面的相对微动是由外界振动引起的， 接触构件只受局部的接触载荷，或者承受固定的预应力。表面磨损导致表面涂层 丢失，并产生新的白层或第三体； ( 2 ) 微动疲劳( f r e t t i n gf a t i g u e ) - 接触体承受外界交变应力作用引起表面发 生微小的变形，由此产生的微动效应导致微动疲劳，这种表面疲劳促进了裂纹的 萌生与扩展； ( 3 ) 微动腐蚀( f r e t t i n gc o r r o s i o n ) ：在海水、酸雨等腐蚀性介质中的微动形 式，微动腐蚀是在特殊环境下的微动接触，是一种强烈的力与电化学的合成效应； 不同的模式下，产生的破坏效应统称为微动损伤。而由微动造成的表面磨损 和表面疲劳是微动摩擦学中最基本的破坏机制，他们在作用中相互竞争，分别导 致表面磨损和裂纹的产生。这两种破坏机制在微动磨损、微动疲劳、微动腐蚀这 三种模式中都存在。 1 1 2 第三体理论 在2 0 世纪8 0 年代，l v i n c e n t 【8 】 9 1 【1 0 】等人经过一系列的研究认为，微动损伤 是一个三体磨损过程：接触表面的疲劳和磨损，相互竞争，导致颗粒剥离，进而 形成了一个第三体，减缓了接触区的摩擦损伤。在实际工况中，三体实现分为颗 粒的形成和磨屑的演化两个基本过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 1 ) 颗粒的形成： 第一阶段，接触表面在挤压和摩擦应力的作用下，发生强力的粘着，发生大 面积的塑性变形，使表面加工硬化； 第二阶段，加工硬化使材料变脆，表面形成高硬度的界面，称之为白层，随 着白层的破碎，颗粒发生剥落； 第三阶段，颗粒在微动摩擦中被碾碎，并发生迁移，迁移过程取决于颗粒的 。尺寸、形状和微动机械参数等。 ( 2 ) 磨屑的演化： 第一阶段，颗粒被轻度地氧化，但仍接近金属本色，粒度为微米量级； 第二阶段，在碾碎迁移过程中进一步氧化，由于颗粒体积变小，表面积增大， 氧化化效应加剧，颜色由灰黑色变成灰褐色，粒度达到亚微米量级； 第三阶段，磨屑进一步深度氧化，呈红褐色，此时的磨屑达到最小，粒度为 纳米量级。 微动第一体的摩擦损伤受磨屑的转变、磨屑床的保持等状态的协同控制。一 般情况下，磨屑床的存在降低了粘着的有害作用，减缓了摩擦损伤；但如果工作 周期性停顿，第三体被排除接触区，破坏效应会大大增加。 1 1 3 微动图理论 微动具有系统耦合性，不仅受到材料参数的影响，而且依赖于试验参数，如 位移、载荷、接触模式等，z h o u 和v i n c e n t 1 1 】【1 2 】【1 3 1 等在研究大量不同参数和 材料的基础上，发现了微动损伤分为三个区域；接触面四周滑动，中间粘着的混 合区是最容易发生裂纹的区域，他们在此基础上建立了运行工况微动图和材料响 应微动图，用来研究不同材料的微动行为( 如图1 2 和1 3 ) 1 1 4 】【1 5 】，从本质上揭示 了微动运行机制和破坏规律。 一个完整的微动过程通常由多种形状的摩擦力位移曲线组成，摩擦力在过 程中时增时减，其动态特性十分复杂。大量的实验分析和研究显示，经过少量的 循环次数，可发现三种具有不同动态特性的微动区域 ( 1 ) 部分滑移区：部分滑移区又称粘着区，当施加较小的位移幅值时，该 微动区域的切向摩擦力，一般随位移的变化呈线性增加；两个接触面在边缘发生 微滑，但不发生宏观上的相对移动；处于这个部位的微动，以接触表面和邻近区 域的弹性变形调节为主。在微动磨损材料响应图中发现，部分滑移区不易发生摩 擦损伤。 ( 2 ) 滑移区：滑移区与部分滑移区相反，当施加较大的位移幅度时，接触 表面突破较大的静摩擦力，整体向前滑移，摩擦力维持在一个相对稳定的水平， 这个发生相对滑移的区域，称为滑移区。在微动磨损材料响应图中发现滑移区是 磨损最严重的区域。 ( 3 ) 混合区：当施加介于黏着区与滑移区之间某一位移幅度时，接触表面 四周发生相对滑移，中间以粘着和弹性变形为主。接触表面有时以相对滑动调整 为主，间或为塑性变形。 位移振静，一 图1 - 2 钢o c r l 8 n i 9 微动磨损的运行工况图 位移振瞄，一 图1 3 钢0 c r l 8 n i 9 微动磨损的材料响应图 在材料微动磨损响应图中发现，混合区是裂纹最容易萌生的区域，并向滑移 区和部分滑移区扩展。因此，从二类微动图可以发现：微动裂纹起源和扩展主要 发生在混合区。 1 1 4 微动摩擦学的研究进展 ( 1 ) 理论研究从单一的切向微动模式扩展到其他多种模式【1 6 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 西南交通大学摩擦学研究所对径向微动的运行和损伤机理【17 】f i g 1 9 】，以及复 合微动的摩擦损伤机制进行了深入的研究【2 0 】1 2 1 】1 2 2 】，将微动从先前的切向模式推 广到其他微动模式，揭示了微动在不同工况下的运行规律，深化并拓展了微动摩 擦学理论。 ( 2 ) 通过各种手段，深入于表面工程及抗微动磨损理论的研究 近年来，研究中发现了很多表面处理的方法，接触体表面抗微动损伤的性能 得到了深入的研究【2 引，主要包括： 多种图层的微动图理论得以发展，进一步揭示了在微动条件下，表面涂层 的动力学性能、微动区域特性、摩擦损伤和材料反应的特性等； 证实了改变微动区域特性，减小混合区域的微动损伤，是提高抗微动损伤 性能的根本； 建立了一整套抗微动损伤的表面防护手段，从失效分析到力学模拟，从表 面工程设计到定量优化表面处理，都取得了实质性的进展。 ( 3 ) 如关节、义齿等生物材料的磨损研究，在微动理论的基础上，得到了 快速的发展 生物摩擦学的研究内容所有生物系统的摩擦学问题，是由d o w s o n 在1 9 7 3 年 提出的1 2 引。涉及人体的摩擦学问题是生物摩擦学研究的主要方向，在近年来得 到快速发展。 图l - 4 人体生物摩擦学涉及对象示意副2 5 】 由于疾病、外伤及自然衰老等原因，疾病患者需要植入大量的人工植入器件。 人工器件在行驶功能时，不可避免的发生微动磨损【2 6 】鲫，如种植的义齿、钛钉、 人工心脏瓣膜等。随着医学的发展和科技的进步，患者对修复体美观度、舒适度 和安全性能的要求越来越高，微动损伤的研究也得到了广泛地重视，尤其是体外 实验研究发展迅速。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 4 ) 摩擦学基础理论分析得到了快速发展 微动摩擦学的理论分析不再局限于h e r t z 弹性接触理论。近年来，它集结了 各学科发展的优势，借助于大型计算机、弹塑性力学、断裂力学、有限元法、能 量分析等研究手段来模拟微动的运行和破坏过程，大大促进了微动摩擦学基础研 究的长足发展。 1 2 斜拉索的结构和应用现状 1 2 1 斜拉桥的历史和发展 斜拉桥起源于1 9 世纪，但由于当时材料水平和施工技术的落后，建成的斜拉 桥经不起工程实践的考验，不久后被淘汰；n 2 0 世纪中叶，又被重新加以考虑【2 引。 近些年来，结构分析的进步，高强度材料和施工方法的及防腐技术的发展，为大 跨径斜拉桥的普及提供了可能。上世纪9 0 年代以来，斜拉桥在世界范围内如雨后 春笋般地涌现，其跨径越来越大，进入了以前只有悬索桥才适用的特大范围。 我国第一座斜拉桥是重庆云阳桥，兴建于1 9 7 5 年，是一座主跨7 6 m 的双塔双 索面混凝土斜拉桥i z 引。以后，在吸收国外先进技术和经验的基础上，我国斜拉 桥建设技术有了长足的发展。目前，我国已建成斜拉桥2 0 0 余座，是世界上斜拉 桥数目最多的国家p u j 。 江苏苏通大桥在2 0 0 8 年6 月完工，双塔双索钢箱梁结构，主跨1 0 8 8 m ，跨径 位居世界斜拉桥之首；香港昂船洲大桥在2 0 0 9 年1 2 月完工，双向三线高架梁结构， 主跨1 0 1 8 m ，位居世界第二位川。 图1 - 5 江苏苏通大桥【3 2 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 2 2 斜拉索的索型和应用 斜拉索是大跨径主梁的主要承力部分，即受到各种载荷的冲击，又有多方面 的腐蚀。为了适应斜拉索的服役条件，斜拉索主要有以下几种形式 黪 ( a ) 钢筋索( b ) 钢丝索( c ) 钢绞线索( d ) 单股钢绞缆( e ) 封闭式钢缆 图1 - 6 斜拉索截面酬3 】 表1 2 斜拉索的结构特点 索型结构特点 平行钢筋索 平行钢丝索 平行钢绞线索 。单股钢绞缆 封闭式钢缆 该索系由若干根高强度钢筋平行安装而成，钢筋的直径为1 0 1 6 e m ；索 中各根钢筋借孔板彼此分隔，所有钢筋在一根粗大的聚乙烯套管内；索 力调整完毕后，在套管中注入水泥浆等防护物质对钢筋进行防腐处理。 将若干根高强度镀锌钢丝平行靠拢、扎紧、穿入聚乙烯套管，在张拉结 束后注入水泥浆防护，就成为平行钢丝索。为了施工和运输的方便，通 常将钢丝扭绞2 。 4 。，成半平行结构；截面一般为正六边形或缺角六边形。 将若干根高强度镀锌钢丝平行靠拢、扎紧、穿入聚乙烯套管，在张拉结 束后注入水泥浆防护，用钢绞丝制作的钢索可以迸一步减轻索的质量： 像平行钢丝索一样，通常先经过轻度扭绞，成半平行结构。 以一根钢丝为缆芯，逐层增加钢丝，同一层内的钢丝直径相同，但逐层 钢丝的捻向相反，最后形成一根单股钢绞缆；一般采用镀锌钢丝制作， 最外层加涂防锈涂料。 以一根较细的单股钢绞缆为缆芯，逐层绞裹断面为梯形的钢丝，接近外 层时，绞裹断面为“z ”形钢丝相互间基本是面接触，各层钢丝的层面上 也是面接触。 在五种拉索结构中，各有各的优点和应用限制，我国目前使用较多的主要有 两类【3 3 1 ，一类是平行钢丝索，通常以热挤高密度聚乙烯( p e ) 防护，配以环氧 冷铸墩头锚，为整体安装型；另一类是平行钢绞线索，一般用热挤p e 防护的单 股绞线组成，两端用特殊的夹片制成群锚系统，为分散安装型。在这两种斜拉索 中，以平行钢丝索为主，表1 - 3 中列举了近年来中国在大跨度斜拉桥上的进展情 河【3 4 】 3 5 1 1 3 6 ! u 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 表1 3 中国主跨6 0 0 m 以上的斜拉桥 1 2 3 斜拉索的锚具和应用 为了适应不同的工况，斜拉索有多种锚固形式，并在主塔和不同结构的梁体 上得以有效地安放。锚固的结果是在载荷得以传递的基础上，缓解应力的集中， 提高桥索的稳固性，并延长索的使用寿命。 斜拉索在桥梁、主塔上的锚具主要有四种，分别为热铸锚、墩头锚、冷铸锚、 夹片群锚。配装夹片群锚的斜拉索，安装时要用张拉千斤项直接拉钢索，张拉结 束后锚具才发挥作用，所以夹片锚又称拉丝式锚具；而其他三种锚具都可以事先 装固在斜拉索上，称之为锚式锚具【3 】，具体结构和应用特点如表1 - 4 所示 表1 4 斜拉索锚围方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 冷铸锚 夹片群锚 冷铸锚结合了热铸锚和墩头锚的特点，在环氧混合材料的固 锥形锚杯的后腔安装一块钢丝定位板，钢索中化温度不超过1 8 0 0 ，不 的钢丝通过锚环后，再各个穿过定位板的对应会对钢丝的力学性能带 孔眼，墩头就位。中间的空隙，用专用的环氧来不利影响。 混合料填充，与锚杯中的钢丝结合成一个整体。 环氧混合料中必须加入铸钢丸，形成承受载荷 的构架。 钢绞线索在进入群锚的锚片前必定要穿过 拉索的静载由钢筒 一根钢制套筒，钢筒的后端与锚同板间有可靠后的群锚承受，动载则 的连接，在斜拉索的索力调整完毕后，绞线在在绞线通过钢筒时，获 锚端张拉生效，而后在钢简中注入了水泥浆。得缓解，减轻了群锚的 负担。 斜拉索 主梁 索塔 附属设备 承台、桩基 拉索松动等原因引起的裂缝、振动引起的钢套震裂，会加剧钢丝的 腐蚀；锚圃区反复受到弯曲应力，附近钢丝容易发生疲劳损伤 钢箱梁存在着疲劳问题：裂缝是混凝土梁损伤的主要形式 在应力和温度的交错变化下，索塔会发生疲劳裂缝 伸缩缝、拉力支座等附属设备，容易发生老化损伤 地震、船舶撞击等意外原因造成损伤 斜拉索的使用寿命是斜拉桥正常服役的脆弱部位，上世纪7 0 年代到9 0 初 建成的3 0 余座斜拉桥中，有近半的桥梁出现换索问题【3 8 】。 济南的黄河大桥建成于1 9 8 2 年，为预应力混凝土斜拉桥，主桥长4 8 8m ， 主跨2 2 0 m ，是我国早期建成的大跨径斜拉桥之一。该桥的斜拉索由6 7 1 2 1 根 5m m 高强度镀锌钢丝组成，铝管防护套，其间压注了水泥浆。1 9 9 1 年在桥梁安 全检测时发现，斜拉索铝管防护套有些部段胀裂，剖开后发现由于水泥浆灌注不 饱满，钢丝被整体锈蚀，有严重的摩擦损伤。为防止断索事故，保证斜拉桥的使 用安全，大桥管理处立即组织更换了全桥的8 8 根钢索 3 9 1 。 广东海印大桥为双塔单索面斜拉桥，建成于1 9 8 9 年；1 9 9 5 年5 月一根拉 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 索突然坠落，调查发现，由于斜拉索防护不当，造成了严重的锈蚀和损伤，如图 l - 7 。原施工单位立即组织更换全桥拉索，同年1 2 月1 4 日完成换索工作， 1 9 9 6 年1 月1 5 日全桥调索完毕【4 0 】【4 l 】。 相对斜拉桥1 0 0 年的设计寿命，拉索的寿命显得太短【4 2 1 。频繁换索，费用 巨大，给交通运输和经济发展带来了极大的不便。 图1 7 广东海印斜拉桥拉索损伤图【4 3 】 1 3 斜拉索的工作和防护体系 1 3 1 斜拉索在主梁上的锚固形式 锚头 ( a ) 散索鞍座和锚固梁 圄 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 曼曼曼舅曼曼曼曼舅曼曼曼曼皇曼曼葛鼍曼曼曼曼i n !m , 曼曼曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼舅舅曼曼曼曼篁 锚头 ( b ) 牛腿( c ) 节点板 图1 - 8 斜拉索在钢箱梁上的锚固【伽 斜拉桥的主梁有钢箱梁和预应力混凝土梁两种，斜拉索在钢箱梁上的锚固， 有散索鞍座和锚固梁、牛角和节点板等多种类型，这些结构不仅均散了钢索的受 力，也适应了钢箱梁的局部强度m 】，如图1 - 8 ：在预应力混凝土梁上，有顶板锚 固、箱内锚固、梁体两侧锚固等有效形式，承力点在混凝土梁强度最大处，以满 足各种载荷的要求，如图1 9 ； ( a ) 项板锚固块 ( b ) 箱内锚固块 锚固块 锚头 ( c ) 梁体两侧锚固块 图1 9 斜拉索在预应力混凝土梁的锚固m 1 3 2 斜拉索在索塔上的锚固形式 斜拉索在主塔上的锚固形式主要有两种，一种是在实体塔上交错锚固，其具 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 体构造是在塔体中埋设钢管，再将斜拉索穿入，将锚头锚固在钢管末端的描垫板 上，如图1 1 0 a ；另一种是采用钢锚固梁来锚固，具体结构式是将钢锚固梁搁置 在混凝土塔柱内侧的牛腿上，斜索通过埋设在塔壁中的钢管锚固在钢锚固梁两端 的锚块上，要求塔体内部有环向的钢筋，以抵抗斜拉索的分散应力，见图l 。1 0 b ； 侨塔横向柱壁 、 、 ( a ) 实体塔上交错锚固( b ) 采用钢锚固梁来锚固 图1 - 1 0 斜拉索在主塔上的锚固形式【删 1 3 3 斜拉索的服役特点 在钢丝索类损伤的研究报道中，历来认为锚固地段的应力损伤比较集中，是 疲劳破损的危险区域；正如在试验中，观察到斜拉索试件破坏的临界状态往往是 在锚具处，而不是自由伸长部段。但是在工程实践中，拉索长度的增加，疲劳破 坏的机会也大大增加了，这样大长拉索降低寿命的可能性要远远大于短拉索试件 的情况【4 引。由于在桥梁钢索中自由长度内是大量钢绞线、钢丝存在缺陷的可能 性的增加，所以自由身长部段的检测不容忽视。斜拉索是承担桥梁载荷的主要构 件，极易在风的激励作用下产生以下几种典型的振动m ： ( 1 ) 涡激共振：当风流经过圆形拉索时，其尾流中将会出现交替变化的旋 涡。当拉索的漩涡变化的频率接近沿横风向振动的某个固有频率时，将激起拉索 该频率的横风向大幅振动。 ( 2 ) 尾流驰振：斜拉索在来流方向前后排列时，在前排拉索的尾流区形成 一个不稳定驰振区，由于前后拉索的固有频率相近，如果后排拉索正好位于前排 拉索的驰振区，其振幅就会不断加大，直至达到一个稳态的大振幅状态。 ( 3 ) 风雨激振：2 0 世纪8 0 年代，在日本名港西大桥的施工过程中，发现 斜拉索在风和雨的共同作用下会发生大幅振动，观察到直径1 4 c m 的斜拉索在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 1 4 m s 风速下振幅达5 5 c m ，但在仅有风的作用时则不会出现这种现象，这就是 风雨激振现象【4 7 】。 1 3 4 斜拉索的防护体系 早期的斜拉桥拉索外部没有护套，拉索为链杆或粗钢筋，然后涂一层油漆 作为外加防护。这些斜拉桥由于材料和施工方法的简陋而经常出现事故。 在2 0 世纪中叶，斜拉桥再度兴起，自2 0 世纪7 0 年代以来，大桥的斜拉索 多采用高强度镀锌钢丝或钢绞线作为承拉构件，并在钢丝和护套间灌注防护油、 水泥浆等防锈物质作进一步防腐 4 s 】，同时在钢索的外部包裹紧密的护套，这种 防护方法至今仍在应用。 一 随着科技手段的进步，现代斜拉桥已形成了一系列有效的防护措施。主要 包括：镀锌钢丝、充斥惰性气体系统的高密度聚乙烯( p e ) 护套、水泥浆、防 锈油、环氧树脂外套、包裹单根钢丝或钢绞线的塑料外套、缠包带、阴极防护等； 其中表面镀锌、灌注水泥浆、热挤p e 护套三种手段被普遍使用。实际上所有的 防护手段也常被综合采用，且多在工厂进行，既保证了质量，又便于安装。以下 为工程实践中具体注意的问题【3 j ( 1 ) 拉索管道：在大跨径斜拉桥拉索的服役中，钢索除了被密闭外，一般 整个索体也都设置于钢制或塑料管道中，这在一定程度上防止了侵蚀性环境的影 响；这种措施的有效性主要取决于拉索的类型和附加的防护措施，特别是灌入材 料和包裹材料。 ( 2 ) 镀锌：镀锌是防止钢丝氧化的有效防护手段；加工时将钢丝进入镀锌 池中，自动控制完成。镀锌量取2 5 0 9 m 2 3 3 0 9 m 2 ，形成防护层厚度约为 2 5 u m 4 5 t t m ，镀锌具有良好的防护效果，通常被普遍采用。 ( 3 ) 锚具防护：管道和锚具之间连接构造必须防止水的流入或汇集，在关 键部位的防水设施也有不同的设置。 ( 4 ) 事故防护：斜拉索设计必须考虑事故造成的危险，例如要有对车辆撞 击、火灾和破坏等风险的防护，为此在服役时要注意： 拉索下部2 m 范围内用钢管防护，生根于桥面并和斜拉索管道相接； 钢管的尺寸如厚度、间距等，和锚固区的加强要足以抵抗火灾和破坏的危 险； 锚固区要予以加强，以抵抗车辆撞击； 防护构件的替换要不影响斜拉索本身，并尽可能地不影响交通。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 4 斜拉索的损伤和微动体系 1 4 1 斜拉索在服役中的损伤特点 一般斜拉索在初期疲劳的速度较慢，但有些钢丝开始破损时，甚至出现凹坑 或裂纹时，应力逐渐分布不均，整根索的损伤会迅速加快。一根长的斜拉索的疲 劳性能呈现出平行并串联体系的双重特征。疲劳断裂的钢丝自然是钢丝中疲劳寿 命最短的钢丝，因而，一根斜拉索的期望寿命要比斜拉索中单根钢丝的平均寿命 要短得多。斜拉索损伤一般可分为钢丝锈蚀、氢脆和应力损伤三种情况【4 9 】 ( 1 ) 钢丝锈蚀：斜拉索钢丝锈蚀是最一种普遍的现象，当护套受到损坏时， 由空气中的水、氧气及其它腐蚀气体等共同作用导致斜拉索钢丝的镀锌层氧化、 钢丝生锈，甚至发生锈断等危险； ( 2 ) 氢脆：钢丝的氢脆与环境关系密切，只有在服役环境、材料和拉伸应 力等同时满足的条件下才会发生，能引起金属韧性的降低、脆性增加。钢丝材料 加工中的酸洗、电镀和表面化学处理等氢元素的涉入是难免的，所以氢脆是钢丝 损伤的重要因素； ( 3 ) 应力损伤：应力损伤是在疲劳应力下形成微裂纹，裂纹尖端在三向拉 伸应力作用下，不易发生塑性变形，当裂纹逐步扩展到一定限度时，便可能骤然 扩展，发生断丝现象。 1 4 2 斜拉索钢丝间的微动体系 在斜拉索内部钢筋平行或扭绞成一定角度紧密排列，在钢筋的表面存在着普 遍的线线接触和局部的点点接触，在拉索摇晃过程，钢丝间亦应存在微小的错动 【5 0 1 ，如图1 1 1 所示。 表1 - 6 钢丝问的微动形态 微动类型 作用特点 斜拉索摇摆过程中，钢索的缺角六边形截面发生微小的错动，造成钢丝间 切向微动 的切向微动，多发生于中部。 轴向微动，也可以看成是切向微动的一种形式，斜拉索摇摆过程中，经轻 轴向微动 度扭绞的单根钢丝间产生轴向的位移差，多发生于中部。 在各种动、静载荷的作用下，斜拉索集中受力，在夹持锚附近径向应力明 径向微动 显，微动损伤严重。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 在通常的配合中，三种微动接触常复合地存在。在斜拉索服役中，通常得到 相应的微动形态 ( a ) 轴向微动 ( b ) 切向微动 ( c ) 径向微动 图1 - 1 l 钢丝间的三种微动形式 在锚固的两端，在宏观上是由锚端的固定到中间的整体晃动的过度阶段，在 这阶段钢丝间的局部应力较大。当钢绞缆在两端的夹持处，处于微动图中部分滑 移区的范围，理论上应力老化严重。 1 5 本文选题的意义和研究内容 1 5 1 论文的研究意义 随着社会的进步，经济的发展，斜拉桥作为美观实用的桥型，在大跨径桥梁 施工中受到广泛的青睐。斜拉桥拉索是主梁的主要承力结构，斜拉桥的快速发展 有赖于钢材料和现代施工技术手段的进步。 拉索的结构上，大多数采用护套作为最外部的防护体系，以高强度钢丝或钢 绞线作为承拉构件，并在钢丝和护套间灌注各种防锈材料作进一步防锈。尽管如 此，斜拉索的使用寿命依然是斜拉桥正常服役中最脆弱的环节。上世纪7 0 年代 到9 0 初建成的3 0 余座斜拉桥中，有近半的桥梁出现换索问题，相对全桥1 0 0 年的设计寿命，拉索的寿命显得太短【5 l 】。频繁换索，费用巨大，给交通运输和 经济发展带来了极大的不便。 在钢索类材料的研究中，导电线缆和钢丝绳的研究报告较多【5 2 】【5 3 5 4 1 ，如图 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 1 1 2 ；斜拉索的锈蚀失效的报告常见【5 5 】 5 6 1 5 7 1 ，而摩擦损伤，应力疲劳方面的报 告很少。 i i b o m m l d ( 删 0 2 0 8 0 j 0 01 2 0l 4 01 6 0l 瑚 a 塑像变形b 缆丝断裂或存在裂纹c 裂纹 d 严重磨损e 轻微的塑性变形f 微笑的磨损 图卜1 2 电缆夹持点附近的缆丝损伤p 4 j 而在钢丝的应用上，两者者有着相似的工作特点，研究斜拉索钢丝间的腐蚀 和摩擦损伤是一项系统的工程问题；在目前法国一些相关文献【5 8 】【5 9 】( 如图卜1 3 ) 的报告中，斜拉索钢丝的损伤趋势有了相关的进展，但钢索的使用类别有所不同， 在我国多用截面为缺角六边形的半平行钢丝索。 o 圆柱形钢丝o 变形钢丝0 断裂钢丝 图卜1 3 法国某斜拉桥钢丝损伤分布酣5 9 j 国内早期的斜拉桥，一般在7 0 、8 0 年代，已陆续出现严重的换索问题。在 斜拉索的损伤机制中，华南理工大学苏达根【5 5 】【5 7 】等人重点从接触腐蚀的角度研 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 究钢丝的老化；中国矿业大学张德坤脚】【6 l 】等人在研究了钢丝绳在各种工况下的 微动损伤；西南交通大学李永乐【6 2 】【6 3 1 等人从风一车一桥系统动力学角度，论述了 斜拉索的受力特点。在斜拉索的损伤机理中，应力疲劳是斜拉索服役损伤的重要 来源，而常常被接触腐蚀掩饰，当钢丝的裂纹扩展时，钢丝的应力集中，加快了 老化进程。从微动损伤的角度来研究斜拉索钢丝的服役损伤尚未见到报告。 斜拉索通常以高强度镀锌钢丝轻度扭绞而成，宏观上为一承力整体，但在微 观上钢丝间为分散结构，存在着各种类型的微动，这种微动造成了钢丝的应力损 伤，也加剧了钢丝的锈蚀。从微动疲劳的角度研究钢丝的服役损伤，能进一步深 化对钢索老化的认识。 攀枝花桐子林斜拉桥是典型的半平行钢丝索单塔双索面斜拉桥，换索时服役 2 0 年，研究斜拉索在服役的的微动摩擦损伤，能为斜拉索的防护提供重要的理 论依据；对典型、具体工程问题的研究，能为我国桥梁施工中的关键环节提供技 术参考。 1 5 2 论文的主要研究内容 2 0 1 0 年8 月四川省攀枝花桐子林斜拉桥换索工程结束，选取具有代表性的 斜拉索，处于主梁中间部位，应力活载较大，受力情况较为复杂； 1 在选取的斜拉索上切割取样，选取靠近主塔部段( 头部钢丝) 、自由伸长 部段( 中部钢丝) 、靠近主梁部段( 尾部钢丝) 为三节样品，剖开后，对钢丝、 p e 套等内部损伤、腐蚀情况进行细致地观察；并按照统一的损伤标准，对每段 样品中的1 2 1 根钢丝系统分级，获取钢丝表面接受应力损伤的分布情况。 2 利用光学显微镜初步判断钢丝的损伤形貌，并借助电子显微镜中的色散 光谱( e d x ) 对严重损伤钢丝的擦伤沟壑进行能谱分析，通过0 、z n 、f e 三种元 素的变化分析了钢丝表面镀锌层的擦伤和氧化程度。 3 选取各部段严重损伤的钢丝，通过扫描电子显微镜( s e m ) ，激光扫描共 聚焦显微镜( l s c m ) 等扫描仪器，对表面损伤进行细致的微观分析，观察轴向、 切向、径向三种摩擦机制在钢丝服役中的影响。基于径向裂纹的观测困难，对各 部段严重损伤钢丝的截面，进行剖切、打磨处理，在光学显微镜下，观察有无扩 展下来的裂纹。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 1 实验材料 2 1 1 工程实况 第二章实验材料和方法 桐子林水电站，位于四川省攀枝花市雅砻江干流上，在盐边县境内。电站距 攀枝花市2 8 k m ，两侧有攀枝花去往易米和雅安的公路通过，距离成昆铁路桐子 林火车站约l k m 。该电站枢纽距上游的二滩电站约1 8 k m ，为雅砻江干流最末一 级梯级水电站脚】，如图2 1 。 j 零 二滩水电站方向 ， m o ，由列表中的公式得出l t o ，说明上端比下端承受的载荷大，这与试 验结果中上端比下端损伤轻微相反。因此解决拉索的受力损伤问题，更主要来自 于拉索本身和的活载之间的系统作用。 3 3 2 钢丝损伤的受力模型 在受力体系中，若把拉索看成有一定弹性的传力结构，在把主梁载荷转移到 索塔上时，系统将发生一个瞬间的缓冲，如下图所示 l f 2 若把拉索看成有拉伸性能的系统，整体均衡地承受主梁静载作用，而在接受 主梁的活载时，我们把拉索分为三部分，其中3 为尾部钢丝，直接受主梁上的活 载影响，瞬时受力较大，损伤严重，2 为钢丝的整体长度，因其固有弹性模量而 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 曼 舅1 1 曼曼量量笪曼曼量舅曼曼曼曼曼曼量曼舅曼曼曼曼曼舅舅曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼舅量曼曼曼舅曼曼曼量 起到缓震作用，而1 为头部钢丝，经缓震而损伤轻微，便得到了与试验相符结论。 3 4 本章小结 在攀枝花桐子林斜拉桥的工程实践中，斜拉索服役2 0 年，p e 套防护良好。 尾部为黑色，尾部以上拉索为双层p e 套结构，外部呈现银白色；剖开后尾部呈 现明显的锈蚀，整体强劲有力。 在剖切结构中，中部钢丝有部分擦伤，但润滑光泽良好，没有锈蚀现象；头 部钢丝有部分锈蚀