（材料学专业论文）缆索高强钢丝腐蚀疲劳性能研究.pdf

摘要 摘要 对于现代缆索系桥梁来说，缆索系统是其主要承重构件，它在服役期间受到应力和膳蚀等凶索 的影响。本文对国内外现行桥梁缆索的防护体系以及缆索的腐蚀失效作了介绍，指出缆索高强钢丝 破坏的主要形式是腐蚀疲劳破坏。对缆索高强钢丝的腐蚀疲劳失效行为进行试验，研究应力比凡加 载频率，以及腐蚀介质等因素对其的腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响。 对预裂缆索高强钢丝进行循环拉伸失效试验，对试验数据进行线性拟合，结果表明各。一一l g n 曲线的相关系数r 的绝对值郡大于0 9 0 ，靠。一l g n 曲线具有良好的线性相关性。 缆索高强钢丝在3 5 n a c i 溶液中的疲劳寿命比在空气中的疲劳寿命短。在n a c i 溶液中。腐蚀性 介质的腐蚀与纯机械的疲劳损伤所产生的协同、交互作用加速了钢丝材料的损伤，从而加快了钢丝 的疲劳裂纹扩展速率。在3 5 n a c i 溶液中在相同应力比及应力幅的加载条件下，随加载频率， 逐渐增大( o 6 h z 、6 h z 、3 0 h z ) ，钢丝的腐蚀疲劳裂纹扩展速率逐渐减小，腐蚀疲劳寿命逐渐延长； 在相同频率及应力幅的加载条件下，随应力比，r ，逐渐增大( o ，0 1 6 7 、0 3 3 3 ) ，钢丝的腐蚀疲劳 裂纹扩展速率逐渐增大，腐蚀疲劳寿命逐渐缩短。 对缆索高强钢丝进行了再结晶退火和电化学试验，再结晶退火前后材料的极化曲线表明经冷拉 后存在塑性变形的钢丝材料比起无变形组织的钢丝材料具有更高的化学活性，从而显著降低了钢丝 的耐腐蚀性能及其在腐蚀环境中的抗疲劳性能。 关键词：悬索桥，斜拉桥，腐蚀，钢丝，腐蚀疲劳，裂纹扩展，断裂机理 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec a b l es y s t e m sa r et h em a j o rb e 鲥n g 鲫n 肼u r 嚣f o rm o d e ml o n gs p a nb r i d g e s ，w h i c hm u s tb e s u b j e c t e dt os t r e s sa n dm e t a lc o r r o s i o nd u et ot h e i rs e r v i c ec o n d i t i o n s n 括p a p e ri n t r o d u c e dt h em a i n f a i l u r ea n dp r o t e c t i o n so fb r i d g ec a b l ea th o m ea n da b r o a d ，a n dc o n s e q u e n t l yp o i n t e do u tt h a tc o r r o s i o n f a t i g u e ( c f ) i st h em a i nd a m a g et y p eo f h i g hs t 啪g t hs t e e lc a b l e t h e r e f o r e ，t h ec o r r o s i o nf a t i g u eb e h a v i o r o f c a b l es t e e la n di t si n f l u e n c ef a c t o r ( s u c ha ss t r e s sr a t i o 。r ，f r e q u e n c y , f , a n dc o r r o s i o na g e n t ) a r es t u d i e d j ut h ep r e s e n tw o r k , c y c l e st of a i l u r et e s t s0 1 1p r e s p l i th i g hs t r e n g t hs t e e lw i r e sw e r ec a r r i e do u t e x p e r i m e n t a ld a t aw e r e f i t t e dw i t ht h el i n e a rr e g r e s s i o n , t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea b s o l u t ev a l u eo fc o r r e l a t i o nr e f e r e n to f o = - l g nc u r v e sw e r eg r e a t e rt h a n0 9 0 ，t h ea m l g nc w - v e ss h o w e dg o o dl i n e a rc o r r e l a t i o n t h ef a t i g u el i f eo fh i g hs t r e n g t hs t e e lw i r e s i ne t c h i n gs o l u t i o n ( 3 5 n a c is o l u t i o n ) w a ss h o r t e rt h a n t h a ti na i r b e c a u s eo ft h ep r e s e n c eo fe t c h i n gm e d i a , t h em a t e r i a l si n j u r yw o u l db ea c c e l e r a t e db yt h e c o l l a b o r a t i v ea n di n t e r a c t i o ne f f e c to f c o r r o s i o na n dm e c h a n i c a ld a m a g e , s ot h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t e w a ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e di nn a c is o l u t i o n t h ec fc r a c kg r o w t hr a t ed e c r e a s e da n dt h ec fl i f ei n c r e a s e d g r a d u a l l y w i t h t h e i n c r e a s e o f f 6 h z 、6 h z 、3 0 h z ) i n t h e 3 5 n a c is o l u t i o n ，w i t h t h es a m e ra n dn a t h e c fc r a c k g r o w t hr a t e i n c r e a s e da n d t h e c f l i f ed e c r e a s e d g r a d u a l l y w i t h t h e i n c r e a s eo f r 、o 1 6 7 、0 3 3 3 ) i n t h e3 5 n a c ls o l u t i o n , w i t h t h es a m e f a n d r e c r y s t a l l i z a t i o na n n e a l i n gt e s t sa n de l e c t r o c h e m i c a le x p e d m e n t so fh i g hs t r e n g t hs t e e lw i r e sw e r e c a r r i e do u t , t h ep o l a r i z a t i o ne u f y e so fh i g hs 咖g c i ib r i d g es t e e lw i r e sb e f o r ea n da f t e rr e c r y s t a l l i z a t i o n a n n e a l i n gs h o w e dt h a tt h ec h e m i s t r ya c t i v i t yh a dg r e a t l ye n h a n c e db yt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，t h u st h e m a t e r i a l s r e s i s t a n tc a p a b i l i t i e st oc o r r o s i o na n dc o r r o s i o nf a t i g u ew e r ed e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y k e y w o 岫：s u s p e n s i o nb r i d g e ，s t a y e dc a b l eb r i d g e ，c o r r o s i o n ，s t e e lw i r e s ，c o r r o s i o nf a t i g u e , c r a c k g r o w t h ，f r a c t u r em e c h a n i s m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：年 月日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：年 月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 悬索桥和斜拉桥是现代大跨度桥梁的首选结构形式，它们线形优美、施工便捷，近 年来国内外的跨大江及跨海工程中普遍采用了悬索桥和斜拉桥。虽然我国现代缆索系桥 梁起步较晚，但近十几年来随着经济的快速发展，我国现代缆索系桥梁技术已跟上国外 先进国家的步伐，建成了多座现代化的悬索桥和斜拉桥。 斜拉桥和悬索桥的缆索系统在桥梁营运期间承受桥梁恒载和路面车辆活载的作用， 是全桥的主要承重构件，可以说是全桥的生命线。桥梁跨越江河湖海，所处环境一般湿 度较高并常含有各种污染物【1 1 ，就我国来说，相当广阔区域s 0 2 污染严重；沿海地区则 受氯离子污染，其大气含有较多n a c i 和m g c l 颗粒：城市及工业区的大气含有较多的 燃烧废气s 0 2 、c o 、c 0 2 、h 2 s ，这些都使桥梁缆索容易发生腐蚀和腐蚀疲劳而导致破 坏失效。因此，为了保证桥梁的营运安全，必须对缆索系统进行商标准的防护措施，而 建设者也通常都对缆索系统的腐蚀防护和抗疲劳性能高度重视。但在实际应用中，虽然 每一位设计者都考虑了这样或那样的保护措施，可是几乎所有的方法都存在不同程度的 不成功之处，因为缆索的损坏而导致桥梁进行大规模的维修甚至最终破坏的例子比比皆 是，同时也给我们带来了社会上和经济上的巨大损失。 由缆索系统引起的安全事故所造成的损失是非常惨重的，因此桥梁的安全性问题， 特别是针对缆索的安全性问题日益引起人们的广泛关注。了解现行桥梁缆索的防腐方 法，结合实桥案例分析缆索腐蚀失效的原因，对缆索的腐蚀及腐蚀疲劳等现象进行研究， 以便对缆索进行更有效的防护和安全监测等措施，确保缆索系统乃至全桥的安全，这一 工作是迫切的，也将会给我们带来显著的社会效益和巨大的经济效益。 1 2 现行桥梁缆索的防腐方法 1 2 1 悬索桥缆索的防护 1 2 1 1 悬索桥主缆的防护 主缆是悬索桥的“安全生命线”。悬索桥的两根主缆要承受桥梁的全部载荷，是悬索 河海大学顾士学位论文 桥最主要的承重构件，且其在整个大桥的使用期内是不能更换的。悬索桥主缆由预制的 平行钢丝索股组成，由于处在跨越江河湖海的环境下，易受大气和雨水腐蚀，又为主承 重构件，因此必须对主缆进行特殊防护。 1 2 111 我国悬索桥主缆的防护 我国大多数悬索桥主缆的防护体系方案为：钢丝在出厂前进行镀锌处理，主缆成形 后涂覆腻子并缠绕钢丝，然后涂装复合涂层体系。各桥的差别在于腻子材料的选用和外 层涂料系统组成的差异上 热浸镀锌层：锌的电极电位比铁低，锌层对钢基起阴极保护作用，能大大提高主缆 钢丝的防腐蚀能力。 腻子：主缆紧缆和安装索夹后，在钢丝表面上均匀涂抹防锈腻子，使腻子覆盖在主 缆的粗糙表面，嵌填主缆钢丝缝从而形成平滑保护层，防止水从外部进入。防腐密封腻 子是一种不流动、高可塑性的密封填充材料，一般以聚氨酯或合成橡胶为基料，构成主 要成膜物质，以亚麻仁油、桐油等植物油构成次成膜和增塑物质，填充料则多为锌粉或 一些对裸钢起阴极保护作用的金属粉【2 】。 缠丝：主缆直径和跨度大，固采用缠丝涂装的保护方式。缠丝除有增加钢丝问摩擦 阻力，使其均匀受力的作用外，还可对主缆钢丝起密封保护作用。传统的缠丝材料为直 径为4 m m 的软退火高强钢丝，最近有些桥梁采用s 形截面的钢丝作为缠丝材料【 。把s 形 钢丝均匀地以螺旋状缠绕在主缆平行钢丝上，使得相邻两根钢丝之问的缝隙最小，并在 表面形成封闭的平面，由此提高了保护层的气密性和水密性，并能使保护层具有一定的 耐压能力。 外涂装：外涂装的主要作用是防水，是一种复合涂层体系，也称重防腐体系它由 高性能的底层涂层、具有与底层和面层都有良好结合力及防腐性能的中间层以及具有良 好耐候性、抗周围介质作用的面层构成【2 1 重防腐涂层要考虑涂层的配套性，即是否能 发挥各涂层应有功能：底层应具有良好防腐性和与底材的附着性能；中涂层除发挥屏蔽 作用外，尚应加强与底层、面层间的结合力：面层应具有耐候和抗外界腐蚀介质的性能。 1 2 1 1 2 国外悬索桥主缆的防护 在全世界范围内，大多数悬索桥使用的是以下防腐方法：漆线包裹法、合成覆盖层 2 第一章绪论 法及缠绕s 形钢丝和除湿法。 ( 1 ) 漆线包裹法【4 】 这种方法最早由约翰罗伯灵于1 9 世纪4 0 年代提出。此法实质上有两部分，包括一种 防腐漆或涂料，以及应用在钢丝横截面外层的经退火处理的塑性包裹物。在这种方法中， 内部的涂层、镀锌的包裹线以及包裹线上的漆层共同提供了对并行主缆的防腐保护。这 种方法的理念与其它防腐方法一样，目的是使深入主缆的湿气量最少。在美国，许多悬 索桥使用红色铅漆作为防腐层，如布鲁克林( b r o o k l y n ) 大桥( 1 8 8 3 年建成) 、威廉斯 堡( w i l l i a m s b u r g ) 大桥( 1 9 0 3 年建成) 、旧金山奥克兰海湾大桥( 1 9 3 6 年建成) 、金门 ( g o l d e ng a t e ) 大桥( 1 9 3 7 年建成) 以及切萨皮克( c h e s a p e a k e ) 大桥( 1 9 7 3 年建成) 。 令人遗憾的是，在近年来的检测中，这些桥梁中的大部分都出现了主缆腐蚀的迹象。检 查发现这些铅漆因日久而干结开裂，干裂的漆层不仅无法防止湿气渗入到主缆( 主缆包 裹层下的水分由两部分组成：主缆架设过程中积聚的湿气以及在使用过程中从外部环境 渗入的额外湿气) ，而且象海绵结构一样为湿气提供了存储器。因此，此时被损坏的漆 层所发挥的功效与应用它的初衷背道而驰，并且还引起了主缆表面钢丝突出的腐蚀问 题。 ( 2 ) 合成覆盖层法【4 】 此方法起源于2 0 世纪6 0 年代初期，由伯利恒钢铁厂和杜邦化学实验室的工程师们 提出，曾有替代漆线包裹法的设想。这种方法采用连续的几层材料均匀地包裹在主缆的 外层。其中两种较普遍的合成覆盖层法包括：利用弹性氯丁橡胶作覆盖物的方法以及使 用丙稀酸树脂作涂层的方法。弹性氯丁橡胶包裹法于1 9 9 4 年用于日本明石海峡( a k a s h i k a i k y o ) 大桥，以及在1 9 9 8 年用于彩虹( r a i n b o w ) 大桥。丙稀酸树脂涂层法在1 9 6 5 年用于加利福尼亚比德韦尔吧( b i d w c l lb a r ) 大桥，以及在1 9 6 8 年新英格兰纽波特 ( n e w p o n ) 桥上也得到了应用。这两种方法的典型特征是：它们都由连续的防腐材料 层组成( 在液化的氯丁橡胶包裹层或聚酯薄膜，以及丙烯酸树脂材料包裹物的外层，再 涂抹一层海帕伦漆) 。但由于这些方法在现场应用中劳动强度很大，因而在悬索桥的建 设中未能得到广泛应用。 ( 3 ) 缠绕s 形钢丝和除湿法【4 5 l 这种主缆防腐体系最早用于日本的明石海峡大桥，它包括s 形绕线包裹和干燥除湿 这两个系统。 s 形绕线包裹系统：s 形绕线包裹系统由应用于包裹主缆横截面外层的联锁线组成。 河海大学硕士学位论文 s 形绕线的相交部分具有s 形状，按螺旋状缠绕主缆，这种联锁机制，使得存在于包裹线 连续环问的间隙最小，从而提高保护层的气密性和水密性，还能使保护层具有一定的耐 压能力。因此若使用缠绕s 形钢丝和干燥除湿的防腐体系，在给主缆输气除湿后，可以 使得其湿气量降至最低 干燥除湿系统：为解决主缆在包裹之前的建造过程中由于在空气中暴露而吸收湿 气，以及在后期从锚结点和约束点等位置渗入湿气的问题，日本提出了为主缆干燥除湿 的防腐方法，即往主缆输入经过处理的干燥空气来除湿。明石海峡大桥用这种方法使主 缆的相对湿度维持再4 0 以下，满足防腐的要求。 1 2 1 2 锚碇处的防腐 悬索桥有自锚和地锚之分，地锚分为重力锚、岩洞锚和岩孔锚。在锚碇中，主缆进 入锚室或岩洞之前必须先经过散索鞍座或喇叭形索套，将原来捆紧的主缆截面散开，变 成以一股一股的钢丝索股为单元，与锚杆连接，然后逐股分开锚固于锚梁上。 在锚碇处，腐蚀问题更易出现。锚碇处的丝股和锚杆是悬索桥主缆系统的最低部分， 很易积水，钢丝未加缠绕而暴露在外，因此是悬索桥最薄弱的环节。 在锚碇的锚杯工程中，既可用热铸锌，也可灌注聚脂树脂。在重铸锚杯工程时，应 控制好热铸锌的温度，温度既要足够高，以确保全部进入锚杯，又不能过高而引起钢丝 束的损伤。在这两种目的互不相容的情况下，为避免在锚杯中出现孔洞，允许纤细的钢 丝束由于锌的高温而突然进入塑性范围。灌聚脂树脂的好处是易于实施，它不需要特殊 的初始热处理，更重要是，为了阻止未镀锌钢丝束的电化学反应，钢丝不能直接接触锌， 只能灌聚脂树脂。有关这种树脂处理的方法在有效使用期限内的耐久性和可靠性的问题 己被提出。哥伦比亚大学的c a r l e t o n 材料强度实验室，作了各种实验，使树脂锚杯系统 有所发展。这种系统成功地应用于布鲁克林桥的主缆及吊索，并且第一次在威廉斯堡桥 主缆丝股的连接上采用该方法。这个系统的实施会受到长期的监测。对于锚杆的破坏， 其主要原因是混凝土表面有水，在这个固定位置采用表面喷漆，对锚杆的防腐明显是无 效的。而维修或加强锚杆的费用常常非常昂贵，并需要安装一替代的承载系统。用固定 主缆来减轻锚杆腐蚀的方法很有效，这种方法成功地应用于曼哈顿桥。 4 第一章绪论 1 2 1 t 悬索桥吊索的防腐 吊索索体是以钢丝绳、钢绞线或平行钢丝柬构成，所用钢丝直径较小，在恶劣的环 境下，容易生锈、腐蚀、直至断裂。国内外有许多光面钢丝缆索生锈腐蚀、直至断裂失 效的实例。目前在吊索索体防腐蚀中应用较多的，一是采用特殊涂料涂装形成外保护层； 二是采用高密度聚乙烯( p e ) 套管密封形成保护套【6 l 。 早期吊索主要是以柔性较好的钢丝绳作索体，且主要应用套筒锚具，特点是结构简 单，制作方便。在这种情况下，索体采用的是与主缆防护类似的涂料涂装的保护方式， 涂料涂装方案( 除没有腻子，缠丝工序外) 与主缆方案相同。在吊索的防护体系中，热 塑高密度聚乙烯( p e ) 套筒是目前应用较多的一种防腐蚀方法。p e 材料的良好性能使 索体与p e 之间有较紧密的附着性，具有良好的抗拉、抗延伸和抗冲击等机械力学特性。 吊索被认为是一种可替换结构，故防腐重视程度较少，在营运过程中会暴露和反映 出一些问题：雨水等渗入锚固护筒可能造成锚具及索体腐蚀；索体与锚具之间存在一个 未能密封的白j 隙，保留了空气或其他污染源进入索体的通道；各种热塑套、橡胶套，还 有p e 套的使用寿命有限等。虽然应用了一些防护措施，但只要索体，锚具的长效防腐和 索体与锚具之间的密封问题不彻底解决，就会存在腐蚀破坏的隐患，吊索就不可能与主 缆同寿命，吊索的完全密封防腐，是目前实际应用中的一个难题。 吊索防腐问题已经开始引起专业人士的重视，有些悬索桥在成桥以后，对吊索结构 增加了一些特殊的改进措施，有的在接长筒口与索体之白j 用p e 热塑防护帽阻断水流；有 的在接长筒内填充油脂阻断水渗入；或在锚固防护简口用玻璃钢制模密封等。其中一些 措施已初见效果。其他已探讨和尝试过的密封方法还有：用橡胶自粘带、热收缩带、醋 酸乙烯带等密封接长筒和索体；采用专用真空电缆接头密封连接结构：向索体内注入性 能稳定的防腐填空物等。目前这些方法尚在试验之中。在日本，已推出了可密封套筒锚 具和索体的n s 锚具技术和在p e 套内填充油脂( 室外高温不熔) 的钢绞线吊索，但这两 款索结构均未用于悬索桥。 吊索锚具为金属制品，目前，主要采用的是涂装、镀锌、镀锌后涂装等防腐蚀方法， 且实施工艺基本相同。由于近年来锚具加工后通常增加了镀锌本体保护，在涂装层处理 时，宜选用具有特殊附着性能的涂料作为底漆，以提高涂装层与锚具的附着力。 河海大学硕士学位论文 1 2 2 斜拉桥拉索体系的防护方法 1 2 2 1 斜拉索的防护方法 斜拉索防护层的作用是隔绝受载的钢丝( 钢绞线) 与外界腐蚀性环境之间的接触， 避免钢丝( 钢绞线) 锈蚀和断裂。斜拉桥拉索分为：平行钢丝索、平行钢绞线索、封闭 式钢缆。 平行钢丝索：将若干根钢丝，平行并拢，扎紧，穿入聚乙烯套管，在张拉结束后注 入水泥等灌浆材料防护。 平行钢绞线索：索中的钢绞线可以平行捧列，也可以集中后再加轻度扭绞，形成半 平行捧列。 封闭式钢缆：以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 外层使，绞裹断面为z 形的钢丝，相邻各层的捻向相反，最后得到一根粗大的铜缆。这 种钢缆水分不易侵入。 目前应用最广泛的是平行钢丝束拉索和平行钢绞线拉索。对于平行钢丝、钢绞线索 的防腐措施的更进一步改进是向引入更多防腐层和达到完全使用工厂制索的方向发展。 平行钢丝束拉索有双层防护体系1 7 , s l ： ( 1 ) 单根钢丝镀锌； ( 2 ) 整索外热挤p e 防 护套。 平行钢绞线拉索一般采用有四层防护的体系：( 1 ) 单根钢丝镀锌或涂环氧树脂： ( 2 ) 单根钢绞线p e 内灌入油脂或石蜡；( 3 ) 单根钢绞线热挤p e 防护套；( 4 ) 整索外 包p e 防护套。 为增加拉索的防护效果，将总管中的空隙部分用浆体加以填充。常用的灌浆材料有； ( 1 ) 水泥浆，如美国昆西桥；( 2 ) 石蜡，如法国诺曼底大桥；( 3 ) 环氧树脂沥青， 如比利时邦纳安桥；( 4 ) 聚丁二烯与聚胺脂混合液，如同本岩黑岛、柜石岛大桥。另 外由于黑色p e 管的热膨胀系数大约是水泥浆和钢材的6 倍，因此常在p e 管上缠绕浅色胶 带如p v f 带、p e 带、氯丁橡胶带或白色的t e d l a 胶带，以控制温度变化和减小导致p e 管 损坏的不均匀应力。 如果钢丝、钢绞线外包一层在工厂压注了诸如黄油。石蜡或树脂等永久性防腐剂的 p e 套管，则拉素完全工厂预制是可以实现的( 如弗雷西奈钢绞线式斜拉素1 9 1 ) 。这些防 腐剂一方面必须保证足够的柔性，以便允许整跟索能成卷并散卷。另一方面，它们也必 6 第一章绪论 须在由于太阳直射引起温度升高时保持有足够的刚度以便在没有其它防腐剂时也能提 供有效的防腐能力。单根钢绞线直接挤压填充了黄油的p e 套管后，这样单根钢绞线就 可用于诸如无粘着后张法薄板及地锚等情况中。对于斜拉桥而言，它曾用于芬兰的罗瓦 涅米“兰伯杰克坎德尔”桥，法国的诺曼底桥和香港的汲水门桥。 另一个可能的发展趋势是使用利用聚氨酯增强性的水泥浆组成的柔性防腐剂来防 腐 1 2 2 2 锚具的防护 斜拉桥上的锚具，目前常用的有四种：热铸锚；镦头锚；冷铸镦头锚；夹片群锚【l o l 。 平行钢丝束锚具用冷铸锚，主要有h i a m 型和d i n a 型i l i 】。其特点是将钢丝端部镦 头锚固，在内腔为圆锥形的锚筒内注入环氧树脂配料，以使拉索荷载通过粘结力和楔块 压力逐步向锚筒筒壁传递，而镦头基本不受荷载。冷铸镦头锚填料由环氧树脂、铁砂、 矿粉、固化剂和增韧剂按一定比例配制而成。各种原材料需进行严格的检验，不得含有 腐蚀钢材的任何成份。尤其是铁砂必须经过除锈、防锈处理，处理后的铁砂用清水冲洗 干净，并用p h 试剂进行检验，达到中性后，放置干燥箱内进行干燥处理【四。平行钢绞 线锚具用夹片群锚，主要有强力( s t r o n g h o l d ) 、弗雷西奈( f r e y s s i n e t ) 、迪维达格 ( d y w i d a g ) 、和v s l 等4 种体系。其中强力和遮维达格体系的设计思路是：疲劳是由 失片锚固处应力集中引起的，为改善其抗疲劳性能，将恒载和活载分别由夹片和锚筒承 受，夹片只承受恒载和小部分活载。为使锚筒承受活载索力，在其内灌注粘结剂。而弗 雷西奈与v s l 体系的设计思路是：拉索的薄弱环节在锚头处。为此弗雷西奈体系在锚固 长度范围内设置了除夹片锚固以外的第二弹性支点，v s l 贝i j 在p e 套筒内灌注水泥砂浆以 形成刚性索。 安装完成后对锚具外部一般采用涂料涂装防护，选用高质量的涂料，分层对锚具进 行涂装，同时用高性能密封胶对端盖、连接筒口等进行密封。锚具一般都采用表面镀锌， 冷铸锚和夹片锚多为电镀锌，在镀层上涂料涂装要考虑底层处理，选用性能合适的底漆。 1 2 2 3 斜拉索的减振 斜拉桥拉索由于钢度相对较小，在车辆、风雨等载荷作用下，极易发生振动。斜拉 索风振主要有3 种形式【1 3 j ：涡激振动、流驰振和“风一雨激励振动”简称雨振。斜拉索振 7 河海大学碗士学位论文 动会导致索端接头部位疲劳，在索锚结合处产生疲劳裂纹，破坏索的防腐系统，严重的 造成拉索失效。索的振动还会造成行车不适正因为拉索风振的严重危害，研究其抑振 措施显得尤为必要，其措施有以下几种： ( 1 ) 在拉索两端的接口部位设置粘弹性高阻尼材料减振块，当拉索稍有振动，减 振块受到挤压并吸收能量，发挥减振作用，达到保护斜拉索的目的，必要时也可在拉索 之问设置分隔索夹，使几根拉索互为约束不易起振，或可以安装阻尼减振器。 ( 2 ) 空气动力抑振措施【1 4 l 。通过对拉索表面进行加工来控制空气动力的作用。研 究表明：采用螺旋形突缘方式只要选择合适的旋转方向及突起高度，而平行突缘则选择 合适的突缘根数及布置位置均可取得良好的抑振效果。在拉索表面设v 型槽、u 型槽或 改变表面粗糙度，提高雷诺系数，强制排水以阻碍水线形成，则对防止雨振和涡激振动 有效。另外还可以在套筒上加螺旋形铁箍，以干扰水的下流。 ( 3 ) 拉索相互连接措施【”i 拉索相互连接后。振动频率变化不大，但阻尼可大幅 度增加。事实上，拉索相互连接除可增大模态阻尼外，还可增大其广义质量。从而显著 增大其质量阻尼参数达到抑振的目的。不足之处是不能消除拉索面外的振动。 ( 4 ) 安装阻尼减振器【1 6 叫帅。主要有油压阻尼器及粘性剪切阻尼器( v s d ) 两种。 其中油压阻尼器的效果较好，但面内面外抑振必须安装正交的两个减振器，较为昂贵， 而且油的阻尼特性随温度的升高而减小，影响阻尼效果。粘性剪切阻尼器( v s d ) 的原 理为；在固定于桥面的容器中注入高粘性的阻尼材料，而将固定于拉索上的插板插入粘 性体中，利用插板运动时与容器侧壁间的粘性体产生的剪切变形，吸收并耗散拉索振动 能量，从而抑制拉索振动。其优点为：( 1 ) 既可抑制面内振动又可抑制面外振动；( 2 ) 安装便捷，美观耐用；( 3 ) 安装在人行道栏杆外侧。高度不超过栏杆不影响桥梁美 观。 1 3 典型的桥梁缆索病害案倒 迄今为止，世界上已建成了超过3 0 0 座的斜拉桥。斜拉索是斜拉桥的主要受力构件， 但同时，由于拉索布置在梁体外部、并长期处在高应力作用下，其截面尺寸又小，故对 腐蚀非常敏感。近3 0 年来，已有多座斜拉桥出现了事故，这些桥梁包括委内瑞拉的马 拉开波( m a r a c a i b o ) 桥，德国的科尔布兰特( k o h l b r a n de s t u a r y ) 桥，美国的p k 桥以 及国内的海印大桥和新五桥等【1 9 , 2 0 1 这些出现病患的拉索寿命均未超过2 0 年，相对全 桥1 0 0 年的设计寿命，拉索的寿命显得太短。国际桥梁专家在经过两年的时问考察了世 8 第一章绪论 界范围内半数以上的斜拉桥后，认为除非桥梁缆索腐蚀得以阻止，否则，许多斜拉桥有 突然垮掉的危险( w a t s o na n ds t a f f o r1 9 8 8 ) 。悬索桥的主缆由众多镀锌高强钢丝所构成， 主缆钢丝受损或受腐蚀而断裂的问题严重。美国的华盛顿桥和纽约威廉斯堡 ( w i l l i a m s b u r g ) 悬索桥等早期修建的悬索桥的主缆都在锚碇处发生严重的腐蚀疲劳而 不得不进行大量的修复工作【2 1 捌。1 9 6 7 年投入使用的法国阿坤廷( a q u i t a i n e ) 大桥由于 发生腐蚀更换过主缆，日本的悬索桥修建的时间相对不长，然而，在几座悬索桥完工后 不到l o 年时间，也发现了主缆高强钢丝腐蚀的现象【2 3 】。 原联邦德国于1 9 7 4 年建成的科尔布兰特( k o h l b r a n d ) 桥。其在世界桥梁史技术上 的重要意义在于首次在这样大的桥梁上采用了空间相互倾斜的索面和单索斜拉体系以 及悬浮支承的主梁。桥梁在交付运营约两年后，在定期巡查时，在下锚固区内的拉素上 发现钢丝断裂。随后的检测中发现的问题涉及8 8 根拉索及其锚头。由于斜拉索腐蚀严 重，在该桥建成的第三年就被迫更换了全部的斜拉索，耗资达6 0 0 0 万美元，是原来造 价的四倍。图1 1 为德国科尔布兰特( k o h l b r 柚d ) 桥斜拉索的断裂形貌。 图1 1 德国k o h l b r a n d 桥的拉索发生腐蚀疲劳而断裂 f i g 1 1t h es t e e lw i r e so f k o h l b r a n db r i d g ef r a c t u r e db e c a u s eo f c f 委内瑞拉的马拉开波( m a r a c a i b o ) 桥建于1 9 6 2 年间，是世界上著名的预应力混凝 土斜拉桥。由于当时的技术水平，拉索没有进行镀锌，钢丝用亚麻油作为防锈剂，缠丝 后表面涂上红丹底漆和云母甲板漆。涂漆层经不住风雨的侵蚀，上横粱上锚头处的罩盖 率先损坏，使得钢索在与上锚箱的接口处发生锈蚀，而总共的1 9 2 根钢索中也有2 5 根 严重锈蚀。但是，主要损坏还是钢索穿过上横梁锚头入口处。这里主要是由于聚集雨水 的关系，受到盐份及空气的化学污染，从而形成电介腐蚀。1 9 7 9 年2 月2 1 日。有一根 拉索由于腐蚀而突然断裂。从此开始了桥梁的换索工程，换索从1 9 2 根变成了3 8 4 根， 9 河海大学硕士学位论文 新钢索全部进行镀锌处理，并采用了含有铅质的酚醛树脂糊膏进行钢索防护。当时，整 个换索工程耗时两年、耗资5 0 0 0 万美元方完成，但工程师们预测不久的将来仍需换索 广东的九江大桥例，在运营了十多年后，对主跨斜拉桥进行了全面检测。经检查发 现：近7 0 的拉索p e 护层有不同程度的损坏，严重的已有剥落现象，并有大量钢丝锈渣， 个别p e 护套内甚至有水流出，最严重的拉索断丝数量己达三分之一，且两端锚头锈蚀严 重，索力与设计索力有较大偏离。1 9 9 7 年又对大桥进行了详细的检测，发现部分索锈蚀 严重，1 9 9 8 年对其中1 1 根锈蚀严重的索实施了更换，2 0 0 0 年第二次更换了8 7 根锈蚀较严 重的索。 美国在1 9 0 3 年修建了世界上第一座现代化长跨度悬索桥威廉斯堡( w i l l i a m s b u r g ) 桥 1 2 2 1 ，由于当时技术和造价的原因，没有对钢丝进行镀锌处理，而代之以亚麻油和石墨来 涂覆钢丝，建成后仅7 年就发现钢丝锈蚀断裂。1 9 2 2 年将缆索补缠镀锌钢丝。但是到了 1 9 3 4 年，发现主缆内有水从锚碇处流出。1 9 4 4 年，从塔顶向缆索内注入4 0 0 加仑的亚麻 油，1 9 6 8 年又注入鱼油和矿物酒清。但是所有这些措施都没有能够阻止锈蚀的发展。在 1 9 9 2 年，被迫进行为期3 年的主缆维护工作，耗资7 3 0 0 万美元。 g e n e r a lu s 格兰特桥。该桥位于俄亥俄州朴次茅斯的俄亥俄河上，建于1 9 2 7 年。由 于主缆严重腐蚀，1 9 4 0 年用预拉的镀锌螺旋钢丝取代原有的非镀锌钢丝，但结果并不理 想。1 9 7 8 年又用新的镀锌钢丝更换主缆，象在惠灵桥中描述的一样，再在主缆上包裹 u s x ( u n i t e ds t a t e ss t e e lc o r p o r a t i o n ) 弹性包裹系统。 1 9 6 7 年投入使用的阿坤廷( a q u i t a i n e ) 大桥，横穿波尔多市纪龙德河河口，是法国 继坦卡维尔( t a n c a r v i l l e ) 大桥之后的最长悬索桥。但经1 9 9 8 年底的监测显示其主缆出 现严重的锈蚀。所以决定更换该桥的主缆，同时将桥面加宽到2 x 3 个车道并附设中央隔 离带。 对于悬索桥和斜拉桥来说，缆索系统作为桥梁的主要承重构件，造价约占全桥造价 的2 5 一3 0 ，一旦发生病害，其带来在社会上及经济上的损失是不可想象的。从现有 桥梁缆索的状况来看，尽管建设者都对缆索系统的腐蚀防护和抗疲劳性能高度重视，但 传统的缆索防护方法的效果不是很理想，桥梁的缆索往往在建桥后不久就会因为发生腐 蚀或疲劳而破坏，在悬索桥主缆的锚碇处和斜拉索p e 护套发生损坏的地方，受腐蚀环 境影响的高强钢丝经常发生腐蚀疲劳而导致缆索失效。因此了解桥梁缆索的防腐方法， 分析其腐蚀失效的原因，并对缆索高强钢丝主要的失效形式腐蚀疲劳行为进行研 究，探讨其机理，使我们全面而深入的了解桥梁缆索的失效问题，是我们进一步提高缆 索的防腐能力和耐久性能的基础，也能指导我们更有效的进行缆索的防护工作。 i o 第一章绪论 1 4 金属材料腐蚀疲劳机理及腐蚀疲劳的影响因素 腐蚀疲劳( c o r r o s i o nf a t i g u e ) 是指工程结构或构件在循环载荷和腐蚀环境的协同、 交互作用下产生脆性断裂而提前失效的现象。按腐蚀介质的不同，腐蚀疲劳分气相腐蚀 疲劳和液相腐蚀疲劳( 湿腐蚀疲劳) 。气相腐蚀疲劳过程中气相腐蚀介质对金属材料的 作用属于化学腐蚀：而在液相腐蚀疲劳过程中，液相腐蚀介质对金属材料的作用属于电 化学腐蚀。本课题研究的桥梁缆索高强钢丝的腐蚀疲劳属于液相腐蚀疲劳( 以下简称腐 蚀疲劳) 。 1 4 1 腐蚀疲劳机理 在腐蚀疲劳过程中存在两种基本的损伤形式瞵】：1 循环应力引起的微区金属反复滑 移，形成滑移带，造成疲劳损伤；2 由腐蚀介质与金属通过电化学反应引起腐蚀损伤。 这两种损伤共存时，二者不是简单的叠加，而是双方之间的交互作用。 常见的腐蚀疲劳机理有四种【2 5 】：1 点蚀加速裂纹形成理论：在腐蚀疲劳初期，金属 表面固有的电化学性不均匀和疲劳损伤导致滑移形成所造成的电化学性不均匀，腐蚀的 结果在金属表面形成点蚀坑，产生应力集中，导致裂纹过早形成；2 形变活化腐蚀理论： 循环应力下滑移带的形成使金属电化学性不均匀，滑移带集中的变形区域与未变形区域 组成腐蚀电池，变形区为阳极，未变形区为阴极，阳极不断溶解而形成疲劳裂纹；3 保 护膜破裂理论：对于易钝化的金属，腐蚀介质首先在金属表面形成钝化膜，在循环应力 的作用下，表面钝化膜遭到破坏，而在滑移台阶处形成无膜的微小阳极区，在四周大面 积有膜覆盖的阴极区作用下，阳极区快速溶解，直到膜重新修复为止，重复以上滑移一 膜破一溶解一成膜的过程，便逐步形成腐蚀疲劳裂纹：4 吸附理论：金属与环境界面吸 附了活性物质，使金属表面能降低，从而改变了金属的机械性能。 1 4 2 腐蚀疲劳的影响因素 在腐蚀环境中材料的疲劳性能比在空气中的疲劳性能低很多，而且往往没有疲劳极 限。腐蚀疲劳断裂没有明显的宏观塑性变形，疲劳裂纹多起源于材料表面的腐蚀坑或表 面缺陷，裂纹源往往数量较多。腐蚀疲劳寿命的影响因素包括力学、环境、材料等，任 河海大学颈上学位论文 何一个因素的变化都会影响到构件的腐蚀疲劳性能 2 6 1 。 ( 1 ) 力学因素 丑应力循环参数：当应力交变频率f 很高时，腐蚀的作用不显著，以机械疲劳为主。 当f 很低时，又与静载作用相似；只有在某一交变频率下最容易发生腐蚀疲劳。在产生 腐蚀疲劳的应力交变频率范围内，频率越低，裂纹扩展越快。 b 疲劳加载方式：一般来说，加载方式的影响按下面顺序排列：扭转疲劳 旋转弯 曲疲劳 拉压疲劳。 c 应力循环波形：与纯疲劳不同，应力循环波形对腐蚀疲劳有一定影响，其中方波、 负锯齿波影响小，而正弦波、三角波或正锯齿波影响较大。 正应力集中：表面缺口处引起的应力集中，容易引发裂纹，故对腐蚀疲劳初始影响 较大。但随疲劳周次增加，对裂纹扩展的影响减弱。 ( 2 ) 环境因素 乱温度：一般来说，随温度什高，材料的耐腐蚀疲劳性能下降。而对纯疲劳性能影 响较小。 b 介质的腐蚀性：介质的腐蚀性越强，腐蚀疲劳强度越低。但腐蚀性过强时，形成 疲劳裂纹的可能性减少，反而使裂纹扩展速度下降。一般在p h 1 2 时，与纯疲劳寿命相同。添加氧化 剂，可以提高可钝化金属的腐蚀疲劳强度。在水溶液中除氧处理可以提高低碳钢的疲劳 强度，甚至与空气中的相同。 c 外加电流：阴极极化可使裂纹扩展速度明显降低，甚至接近空气中的疲劳强度； 但阴极极化进入析氢电位区后，对高强钢的腐蚀疲劳性能会产生有害作用。对处于活化 态的碳钢而言，阳极极化加速腐蚀疲劳，但对在氧化性介质中使用的碳钢，特别是不锈 钢来说，阳极极化可提高腐蚀疲劳强度，有的甚至比在空气中还高。 ( 3 ) 材料因素 乱材料耐蚀性：耐蚀性较高的金属，如钛、铜及其合金、不锈钢等，对腐蚀疲劳的 敏感性较小；耐蚀性较差的金属，如高强铝合金、镁合金等，对腐蚀疲劳的敏感性较大。 因而只是那些改善材料耐蚀性的合金化才是有益。对不锈钢来说，较好的耐点蚀性能使 其在海水中的腐蚀疲劳性能也较好，故增加c r 、n i 、m o 等元素含量是有益的。 b 组织结构：碳钢、低合金钢提高强度的热处理可以提高疲劳极限，但对腐蚀疲劳 行为的影响较小，甚至有降低腐蚀疲劳强度的倾向。对不锈钢来说，某些提高强度的处 第一章绪论 理可以提高腐蚀疲劳强度，敏化处理则是有害的。细化晶粒可以提高钢在空气中的疲劳 强度，对腐蚀疲劳也可以起到类似的效果。 c 表面状态：表面残余应力为压应力时，耐腐蚀疲劳性能较表面残余拉应力为好； 施加保护涂层可以改善材料的腐蚀疲劳性能。 1 5 腐蚀疲劳裂纹扩展 1 5 1 腐蚀疲劳寿命分析 光滑构件的腐蚀疲劳寿命n f 估算可分两段进行，即腐蚀疲劳裂纹起始寿命n i 和腐 蚀疲劳裂纹扩展寿命n | 。腐蚀疲劳起始寿命用局部应变法估算1 2 7 ，腐蚀疲劳裂纹扩展 寿命采用断裂力学法估掣”, 2 9 l 。 时同 图1 2 腐蚀疲劳寿命分析方法 f i g 1 2 a n a l y s e m e t h o do f c f l i f e 腐蚀疲劳裂纹形成寿命对应的初始裂纹长度a 。值应该大到足以应用断裂力学原理来 验证，一般情况下。缸三o 2 5 m m 。预测的破坏时间( t t f ) 应等于腐蚀疲劳裂纹起始时 间( t t c i ) 和腐蚀疲劳裂纹扩展时问( t f c g ) 之和( 如图1 2 示) 。 当构件在腐蚀环境中形成裂纹以后，往往还具有相当一部分剩余寿命，即腐蚀疲劳 裂纹扩展寿命。就光滑试件而言，在空气中，疲劳裂纹形成寿命占总寿命的9 0 2 9 1 ， 而在腐蚀介质中的疲劳则有很大的不同，有人认为，裂纹起始期占的比例远远小于裂纹 扩展期 3 0 l ，所以对于大多数构件来说，实际的安全使用期以腐蚀疲劳裂纹扩展寿命为主。 河海大学硕士学位论文 1 5 2 腐蚀疲劳裂纹扩展过程 试验研究结果表明，在这个阶段可能存在以下6 种过程对裂纹扩展起作用叨： ( 1 ) 裂尖金属的阳极溶解。 ( 2 ) 金属一环境界面反应生成有害化学物质吸附在裂尖表面，并通过扩散进入裂 尖塑性区，加速裂纹扩展，如氢脆。 ( 3 ) 反应产物向裂尖区的输送和反应产物由裂尖向外转移。 ( 4 ) 疲劳开裂导致重复形成新鲜金属表面。 ( 5 ) 循环应力导致裂尖表面钝化膜破裂。 ( 6 ) 在裂纹张开期间形成的腐蚀产物堆积，随后既影响裂尖微区环境，又影响裂 纹的闭合过程。 蚤 i x k f l l c f6 妯 k 嘣i - r )m 鼬州t - r ) 州t - r ) k 蚶厶mm c c l t - r ) k 叫t - r ) 类型a类型b 类型c 图1 3 腐蚀疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子关系的分类 f i g 1 3c l a s s i f i c a t i o nb e l w e e , i ic o r r o s i o nf a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t ea n ds t r e s si n t e n d i t yr a n g e 在循环载荷的作用下，裂尖金属内反复滑移是造成腐蚀疲劳裂纹损伤的主要因素， 腐蚀疲劳裂纹扩展速率( d a d n ) c f 仍可以表示为裂尖应力强度因子幅k 的函数， ( d a d n ) c f 随a k