【钢桥构件腐蚀病害和结构疲劳性能国内外研究现状的文献综述5500字】

钢桥构件腐蚀病害和结构疲劳性能国内外研究现状的文献综述大量既有钢桁梁桥在设计之初并未充分考虑结构的疲劳性能，SilverBridge垮塌事故后，钢桥的腐蚀疲劳问题开始受到高度重视。既有钢桁梁桥服役期出现的一系列重大事故，使得其腐蚀疲劳疲劳性能、腐蚀发展过程和疲劳寿命愈发受到关注，国内外学者针对这一问题开展一系列研究，本小节的研究内容主要从以下三点进行开展：（1）腐蚀对钢结构疲劳性能；（2）腐蚀坑发展及其模拟方法研究；（3）钢桥腐蚀疲劳寿命评估。腐蚀对钢结构疲劳性能的影响研究现状既有钢桁梁桥的腐蚀病害问题调查结果表明REF_Ref531694832\r\h\#''[0''[15-REF_Ref533533653\r\h\#''0''16,REF_Ref41208847\r\h\#''0]''26]：由于早期钢材耐腐蚀性差，并且在连接处存在间隙，导致钢桥构件经常发生腐蚀和腐蚀疲劳开裂。实桥腐蚀可归纳为两种形式：均匀腐蚀和局部腐蚀。均匀腐蚀是指钢桥构件在没有涂层保护后，整个构件表面暴露在腐蚀环境中，且每个部位的腐蚀速率都非常接近，均匀腐蚀会导致钢材表面均匀变薄，从而导致其静力力学性能的降低，以及增大了名义应力从而降低其疲劳寿命；局部腐蚀是指当钢材表面的某些区域暴露于腐蚀环境时发生的腐蚀。局部腐蚀主要发生在钢材的表面的特定区域。它可以进一步分为：点蚀，缝隙腐蚀，应力腐蚀REF_Ref39907891\r\h[27]。点蚀是实桥最常见的局部腐蚀，由于点蚀的作用，其表面产生很大的应力集中效应，从而导致其疲劳性能急剧降低。常见的腐蚀形态如下REF_Ref74139395\h图13所示。（a）均匀腐蚀（b）点蚀（c）应力腐蚀（d）缝隙腐蚀图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s13实桥常见腐蚀形态实桥腐蚀不仅导致钢结构静力力学性能劣化，还会削弱钢桥构件截面引起实际应力增大以及应力集中，从而加速其疲劳性能劣化，严重影响桥梁在使用过程中的安全性和耐久性，对于在腐蚀对钢结构疲劳影响的方面这一问题，吸引了大批国内外学者的关注。Fisher等REF_Ref532290193\r\h[28]和ZuraskiREF_Ref22583354\r\h[29]对既有钢桁梁桥纵梁构造细节进行了疲劳实验研究，结果表明：腐蚀在导致其疲劳抗力显著退化的同时，会显著增大疲劳抗力的离散性；董盛REF_Ref73128561\r\h[30]基于一座服役50多年的既有钢桁梁桥，运用考虑腐蚀时变效应的S-N曲线，分析了腐蚀对钢桁梁桥疲劳性能的影响。结果表明：腐蚀加速了疲劳损伤累积，考虑了腐蚀效应，其疲劳寿命严重降低，且结构体系层面疲劳失效路径发生迁移。姬立星REF_Ref73131015\r\h[31]以Q235以腐蚀钢材为研究对象，进行了预腐蚀实验，基于考虑腐蚀效应后的各阶段的钢构件腐蚀表面形貌，运用基于名义应力法考虑腐蚀效应的S-N曲线对其疲劳寿命进行研究。结果表明：随着钢构件腐蚀发展，其疲劳性能将极大地降低，在进行疲劳寿命评估时应当计入腐蚀的影响。刘嘉等REF_Ref531695356\r\h[33]基于断裂力学对列车荷载作用下铁路钢桥节点横梁连接处在腐蚀环境作用下形成疲劳裂纹后的疲劳裂纹扩展寿命进行研究。结果表明：腐蚀对疲劳裂纹扩展速率有非常大的影响，在相同初始裂纹长度下铁路钢桥节点横梁处有腐蚀疲劳裂纹扩展寿命比无腐蚀疲劳裂纹扩展寿命显著降低，腐蚀增大了裂纹扩展速率从而减小了疲劳裂纹扩展寿命；揭志羽等REF_Ref531695366\r\h\#"[0"[34-REF_Ref531695370\r\h\#"0]"35]针对复杂应力场交互作用下焊接接头的疲劳性能问题，提出了在预腐蚀条件下基于连续损伤力学模拟人工腐蚀焊接接头疲劳寿命评估方法。结果表明：腐蚀将显著加速疲劳损伤的发展过程，进行钢构件疲劳寿命评估时应当充分考虑腐蚀的劣化效应。现阶段研究表明：既有钢桁梁桥构件上存在多种腐蚀类型，腐蚀不仅使钢桥构件静力力学性能的劣化，在腐蚀环境下，其表面会产生大量的腐蚀坑，在腐蚀坑处会有很大的应力集中，在疲劳荷载作用下易产生疲劳裂纹，由于腐蚀的介质的影响加速了裂纹扩展速率，极大地加速其疲劳损伤的劣化过程，最终造成结构疲劳失效，使疲劳寿命严重减少。因此在进行钢桥疲劳寿命评估时应当明确腐蚀的影响，充分考虑腐蚀对疲劳的劣化作用。腐蚀坑发展及其模拟方法研究相关研究表明：典型的腐蚀坑发展过程可分为4个阶段:表面膜破裂、腐蚀坑生长、坑至裂纹转变和裂纹扩展REF_Ref73178605\r\h[36]。如REF_Ref73119864\h图14所示，在钢材表面涂层没发生破坏时，为无损状态，当涂层发生破坏时为有损状态。腐蚀疲劳分析的总体目的是在宏观裂纹出现之前预测材料的内部损伤，在大多数情况下，腐蚀疲劳寿命的预测是由腐蚀坑的生长和腐蚀坑到裂纹的转变决定的。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s14腐蚀坑发展过程目前对于腐蚀坑形成疲劳裂纹机理国内外学者提出很多理论，主要包括REF_Ref73178951\r\h\#''[0''[37-REF_Ref73178953\r\h\#''0]''39]：（1）点蚀加速疲劳裂纹形成理论：由于金属表面电化学势能不均匀导致发生电化学反应从而形成腐蚀坑，由于腐蚀坑存在较大的应力集中效应，最终导致腐蚀疲劳裂纹的形成。（2）活化腐蚀理论：疲劳荷载作用下金属滑移带发生错位导致其表面电化学势能不均匀。滑移带错位变形区域为阳极和未发生滑移带变形区域为阴极形成电化学电池，阳极不断溶解，腐蚀坑逐渐变大，在疲劳荷载作用下最终形成疲劳裂纹。（3）保护膜溶解钝化理论：在腐蚀介质作用下，易钝化的金属会形成保护膜，在疲劳荷载及腐蚀介质作用下，钝化膜会发生破坏，从而发生腐蚀，后面又会发生钝化修护了保护膜，重复这个过程直到腐蚀疲劳裂纹形成。（4）吸附理论：活性颗粒吸附在金属表面，金属表面能降低，从而减弱了腐蚀的作用。其中点蚀坑加速腐蚀疲劳裂纹形成理论是常用研究腐蚀疲劳的理论之一。由于腐蚀坑形成及生长受自身材料本身属性，环境等因素影响，以及腐蚀过程比较随机且复杂，所以使腐蚀坑呈现的形状各式各样，大部分实际观测到的形状多为不规则的如REF_Ref73125314\h图15所示，学者对点蚀形状的简化做了大量研究，目前采用最多的是：半椭球形、圆柱形、圆锥形、球冠状。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s15腐蚀坑各种类型的形貌点蚀的发展规律是相对随机和不可预测的，因此通常采用随机方法来描述坑生长特征，基于统计的腐蚀坑生长模型通常是根据实验记录数据建立的REF_Ref73182803\r\h[40]。JiangREF_Ref73183167\r\h[41]对用于桥梁的腐蚀高强度钢丝的疲劳性能进行了实验研究。在六个腐蚀等级下对钢丝进行了三维轮廓测量和疲劳测试。结果表明：实验点蚀深度服从正态分布，位置参数均随腐蚀程度的增加而增加；疲劳试验结果表明：腐蚀会导致锈蚀钢丝的疲劳寿命大大降低；ValorREF_Ref73183331\r\h[42]开发并验证了一种能够模拟点蚀的随机模型。坑的产生被建模为非均匀的泊松过程，模拟腐蚀坑开始的诱导时间被模拟为威布尔过程，认为指数分布和威布尔分布是腐蚀坑生长的可能分布，使用马尔可夫过程模拟了腐蚀坑的生长。随着世界范围内计算机水平的提升，数值模拟成为研究腐蚀坑特征的另一种有效的重要方法。ChenREF_Ref73182589\r\h[43]建立了进场动力学模型，预测具有微观结构异质性的材料（例如缺陷，界面，夹杂物和晶界）中的凹坑形状和损伤轮廓。HuREF_Ref73182482\r\h[44]运用ALE自适应网格技术运用有限元研究了在加速腐蚀过程在疲劳荷载作用下铝板上单个腐蚀坑生长腐蚀疲劳过程。研究表明：形状因子越大腐蚀疲劳寿命越短，腐蚀后期腐蚀坑由于产生大量损伤，其腐蚀坑周围应力发生重分布。郑宇倩REF_Ref73182331\r\h[45]使用元胞自动机法，模拟出腐蚀后的随机初始形貌，探讨了在预腐蚀情况下钢丝疲劳性能和实验加速腐蚀情况下钢丝腐蚀疲劳耦合的腐蚀疲劳性能，结果表明：预腐蚀情况下，腐蚀不规则尖角对锈蚀钢丝的疲劳性能影响很大；对于腐蚀疲劳耦合情况下，腐蚀初期，疲劳损伤累积比较小，以腐蚀占主导地位，腐蚀后期疲劳损伤累积很大，以疲劳为主导地位。CuiREF_Ref73182226\r\h[46]提出了一种预测溶蚀驱动的点蚀和应力腐蚀开裂的公式，还提出了以相场法建立了一个以位移、相场和溶解离子浓度为自由度的数值框架。现阶段研究表明：腐蚀坑发展存在多个阶段，腐蚀疲劳寿命主要是以腐蚀坑生长和坑转化为裂纹过程占主导。腐蚀形貌在腐蚀坑生长过程比较随机且各式各样，可以简化成半椭球形、圆柱形、圆锥形、球冠状。腐蚀坑由于发展相对随机和不可预测，相关学者发展了随机模拟方法和数值模拟的两种类型的方法来模拟腐蚀坑的发展。钢结构疲劳寿命评估方法目前在进行钢结构疲劳寿命评估时，选取合适的方法是准确评估结构疲劳寿命的最重要一环。国内外学者主要是基于传统的S-N曲线评估方法和断裂力学方法来开展钢结构疲劳寿命评估REF_Ref39598494\r\h\#''[0''[47-REF_Ref39598464\r\h\#''0]''48]，近年来连续损伤力学方法研究逐渐受到广泛的关注。（1）S-N曲线评估方法基于S-N曲线的评估方法主要有名义应力法、热点应力法、等效结构应力法、应力场强法等。名义应力法由于应用简单，目前我国钢桥结构桥梁规范REF_Ref39598604\r\h[49]以及、AASHTOREF_Ref39598564\r\h[50]、BS5400REF_Ref39598570\r\h[51]、EUROCODE3REF_Ref39598576\r\h[52]均通过名义应力法来评估钢结构桥梁疲劳寿命。考虑钢材腐蚀效应后由于其表面形貌不规则，相关学者提出了考虑腐蚀效应S-N曲线来评估钢结构的疲劳剩余寿命。AlbrechtREF_Ref73190712\r\h[53]基于S-N曲线提出了确定腐蚀疲劳后钢结构剩余疲劳寿命方法，此方法考虑了由于腐蚀引起的截面削弱导致的名义应力增加，以及考虑腐蚀坑导致的应力集中，以及腐蚀环境引起裂纹扩展速率的增加，以此三个影响系数对S-N曲线相应的折减来进行剩余寿命的评估。（2）断裂力学评估方法钢结构由于内部不可避免存在初始缺陷，以及在腐蚀和荷载作用下其表面会出现疲劳裂纹，对于钢结构疲劳裂纹扩展机理以及裂纹扩展寿命方法引发了国内外学者极大的关注。20世纪中期，断裂力学被引入到疲劳研究中，G.R.Irwin提出了使用裂纹强度因子来表征线弹性体裂尖应力强度，建立以应力强度因子为参量的线弹性断裂力学。之后，Paris基于断裂力学方法提出裂纹扩展规律的Paris公式，在这个基础上发展了损伤容限法，这使疲劳裂纹扩展寿命预测得到飞速发展。由此断裂力学的基本框架已经建成，跟传统的S-N曲线评估方法不同的是，断裂力学研究含有初始裂纹或者初始缺陷的构件在外部疲劳荷载和环境因素等作用下，研究裂纹尖端的应力应变场，以及初始裂纹扩展到临界裂纹尺寸的疲劳扩展寿命。近年来，国内外学者在使用断裂力学进行钢桥疲劳寿命评估方面取得了很多成就。Kwon等REF_Ref73195457\r\h[54]基于断裂力学的裂纹扩展模型、疲劳可靠度模型和检测概率模型对于疲劳荷载作用下老龄钢桥的寿命进行预测，为桥梁疲劳寿命评估、疲劳裂纹监测、桥梁维修检测时间的确定提供了新方法；王春生等REF_Ref39598365\r\h\#''[0''[3-REF_Ref39598874\r\h\#''0''4,REF_Ref39599011\r\h\#''0''55-REF_Ref73195093\r\h\#''0]''57]基于概率断裂力学以及实桥的荷载数据，对既有老龄铆接钢桁梁桥构件和结构体系的疲劳寿命进行评估，并且建立了基于概率断裂力学的疲劳可靠度模型。在考虑腐蚀效应后，由于影响腐蚀疲劳裂纹扩展因素太多，使得运用断裂力学考虑评估腐蚀裂纹扩展相当不方便，一些学者直接应用引入腐蚀疲劳扩展修正系数来进行扩展寿命评估。战昂REF_Ref73193916\r\h[58]基于一座腐蚀严重的老龄铆接钢桁桥通过运用线弹性断裂力学引入腐蚀修正系数来评估其发生腐蚀疲劳裂纹后的节点板剩余寿命，结果发现腐蚀疲劳寿命仅有8.34年。WangREF_Ref73131423\r\h[59]等运用线弹性断裂力学来对一座老龄钢桥的腐蚀疲劳寿命进行评估，引入了腐蚀修正系数来考虑腐蚀对裂纹扩展的影响。结果表明：对比没考虑腐蚀效应的疲劳裂纹扩展，腐蚀显著加速疲劳裂纹扩展，缩短了钢桥疲劳寿命，进行疲劳寿命评估应当考虑腐蚀的影响。（3）连续损伤力学评估方法由于断裂力学只能考虑钢结构出现初始裂纹后的疲劳裂纹扩展寿命，连续损伤力学作为一个新兴的力学研究分支，可以考虑裂纹出现之前的钢结构疲劳裂纹萌生寿命，近年来得到了广泛关注。1958年，KachanovREF_Ref39945381\r\h[60]等引入有效应力和连续性变量来描述材料受损过程中的材料性能变化过程；Chaboche和Lemaitere等REF_Ref39945389\r\h\#''[0''[61-REF_Ref39945397\r\h\#''0]''62]在用连续介质力学与热力学的观点在前人基础上进一步完善了损伤力学的基本概念和方法，扩展了连续损伤力学的应用。损伤力学的发展为疲劳寿命评估提供了新的工具，从损伤力学角度出发，疲劳损伤被认为是在循环荷载作用下发生不可恢复的塑性应变或者微塑性应变的不可逆的能量耗散过程。基于连续损伤力学理论，各国学者以损伤变量为基础建立疲劳损伤演化理论模型并开展实际工程的疲劳应用研究。李兆霞REF_Ref73186888\r\h[63]等基于连续损伤力学理论建立了相应的高周疲劳损伤演化模型，对香港青马大桥开展了疲劳损伤分析和寿命预测。黄云REF_Ref39945448\r\h[64]使用连续损伤力学模型开展了港珠澳大桥正交异性钢桥面板Ｕ肋与横隔板焊缝的疲劳萌生寿命评估，通过试验验证了其方法的有效性。孙宾REF_Ref73185359\r\h[65]通过建立可描述疲劳微裂纹细宏观结合的多尺度损伤力学的数学模型对钢桥疲劳微裂纹的萌生与扩展过程进行了研究，对昂船洲大桥疲劳寿命进行预测，并验证了在预测钢结构疲劳寿命时该方法的可行性。对于腐蚀疲劳层面，国内外学者主要是运用连续损伤力学基于预腐蚀方面进行研究。苟义龙等REF_Ref531695347\r\h[66]通过连续损伤力学建立耦合疲劳损伤方程，使用全耦合的连续损伤力学方法结合ABAQUSUMAT子程序对人工预腐蚀构件的疲劳裂纹萌生寿命进行了研究，结果表明：通过实验和有限元模拟证明，连续损伤力学结合有限元模拟能够有效预测预腐蚀疲劳萌生寿命。参考文献吴冲.现代钢桥[M].北京:人民交通出版社,2006.陈艾荣,阮欣.桥梁维护、安全与运营管理技术与挑战[M].北京:人民交通出版社,2013.陈惟珍.铆接桁架桥承载安全分析[J].中国公路学报,2000,13(4):53-56.王春生.铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估[M].上海:同济大学出版社,2007.王春生,刘鑫,俞欣,等.基于无损探测信息的既有钢桥构件疲劳可靠度更新评估[J].土木工程学报,2010,43(8):81-87.史永吉,杨妍曼,李之榕,等.铁路“老龄”铆接钢桥剩余寿命评估[J].中国铁道科学,1994,15(1):66-81.LichtensteinAG.Thesilverbridgecollapserecounted[J].JournalofPerformanceofConstructedFacilities,1993,7(4):249-261.LittleRG.Controllingcascadingfailure:Understandingthevulnerabilitiesofinterconnectedinfrastructures[J].JournalofUrbanTechnology,2002,9(1):109-123.周修南,刘圣根,牛虹.圣水大桥倒塌的教训[J].钢结构,1997,0(1):21-27.HaoS.I-35Wbridgecollapse[J].JournalofBridgeEngineering,2009,15(5):608-614.藤原博,菅野照造.鋼橋の塗膜劣化と塗膜下腐食との相関性に関する研究[J].土木学会論文集,1996,537:167-181.名取暢,西川和廣,村越潤,等.鋼橋の腐食事例調査とその分析[J].土木学会論文集,2001,668:299-311.FisherJW.Fatigueandfractureinsteelbridges:casestudies[M].NewYork:JohnWiley&Sons,Inc,1984.SakaiM,HasebeT,MimaH,etal.Investigationintocorrosionofsurfacetreatedweatheringsteelbridgesformorethan30years[J].ZairyotoKankyo,2012,61(4):161-165.ImamBM,RighiniotisTD.Fatigueevaluationofrivetedrailwaybridgesthroughglobalandlocalanalysis[J].JournalofConstructionalSteelResearch,2010,66(11):1411-1421.LiuZ,HebdonMH,CorreiaJAFO,etal.Fatigueassessmentofcriticalconnectionsinahistoriceyebarsuspensionbridge[J].JournalofPerformanceofConstructedFacilities,2018,33(1):04018091-1-04018091-9.D’AnielloM,PortioliF,FiorinoL,etal.Experimentalinvestigationonshearbehaviourofrivetedconnectionsinsteelstructures[J].EngineeringStructures,2011,33(2):516-531.ColletteQ,SireS,VermesWJ,etal.Experimentalinvestigationsonhot-drivenstructuralrivetsinhistoricalFrenchandBelgianwrought-ironstructures(1880s–189