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腐蝕對在役鋼箱梁橋面板服役性能的影響評價研究

2022-02-16 14:55:50 作者：許睿文，劉鵬，等來源：腐蝕與防護分享至：

正交異性鋼箱梁結構具有自重輕、極限承載能力大、跨度大、施工時間短等優點，多數大、中跨度現代橋梁都采用此結構。但是，由于服役環境、載荷條件與結構形式等綜合因素的耦合作用，鋼箱梁結構時常發生腐蝕、裂紋、疲勞破壞等病害，導致橋梁存在運行安全風險。因此，對含病害在役鋼箱梁的性能與服役安全進行評價成為橋梁領域的關注熱點。

目前，關于鋼箱梁承載能力及疲勞性能的評價結果為橋梁的服役安全提供了大量的試驗數據及研究理論，但隨著鋼箱梁服役時間的延長，不可避免的腐蝕病害會嚴重影響其服役性能，評估實際在役鋼箱梁腐蝕程度對剩余服役性能的影響具有重要的工程應用意義。

橋梁及其鋼箱梁的基本情況介紹

本文研究的橋梁位于我國東南沿海地區，截至取樣時間已服役20年。該橋梁為6車道單跨雙鉸鋼箱加勁懸索橋，寬32m，橋軸線處箱內凈高2.99m，鋼箱梁結構采用正交異性橋面板。鋼箱梁主體結構材料為16Mnq（Q345b）鋼，橋面板厚12mm，下翼板及腹板厚10mm，橋面板U型肋尺寸為320mm×260mm×8mm，間距620mm，鋼箱梁每4m設一道橫隔板，板厚8mm，有吊索處橫隔板厚10mm。鋼橋面板上鋪裝7cm厚的瀝青混凝土。

圖1 鋼箱梁結構標準橫斷面（單位：mm）

該橋梁設計載荷為汽車超20級，應限載荷55噸。由于該橋通車后車流量大，且超載車輛較多。對連續某一時間段通過橋梁的204輛貨車進行統計，結果表明，超載車輛有140輛，占68.6%，超載率大于50%的貨車占比為27%。因此，路面鋪裝的瀝青混凝土容易發生開裂，開裂后雨水沿裂縫進入橋面板，會引發鋼箱梁橋面板的腐蝕。另外，超載車輛對鋼箱梁橋面板尤其是經腐蝕后橋面板的服役安全提出了嚴峻的考驗。

鋼箱梁橋面板在重車載荷下的受力分析

采用ANSYS有限元軟件對重車通過情況下橋面板的受力情況進行分析，采用SHELL63板單元模擬橋面頂板、底板、腹板、U肋、扁鋼以及橫隔板、人洞等構造。鋼板材料彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3。對4個吊桿范圍內的鋼箱梁采用板單元建模，在車輛載荷處細化單元網格以獲得更精確的應力分布。對吊點施加豎向約束，并在順橋向兩端進行對稱約束。

圖2 鋼箱梁三跨有限元模型

統計表明，該大橋主要通過車輛為20噸與55噸重車，載荷布置如圖3所示。可以看出，軸重主要集中在12~14噸，因此采用13噸單軸載荷（單軸兩側雙輪胎）作為分析基準載荷，車輪在重載下與地面的接觸面積取200mm×300mm。

（a） 20t

（b） 55t

圖3 20噸和55噸重車的載荷布置立面圖

橋面板的拉伸強度及疲勞性能

01 測試方法

為了評估服役20年后橋面板的剩余拉伸強度，從服役懸索橋上截取4塊腐蝕較典型的橋面板樣板，其中一塊為帶焊縫樣板，同時取未服役的庫存替補樣板試樣（厚度為14mm）進行對比，從樣板上取樣，用三維形貌儀測量試樣的表面形貌，具體如下：

1號板試樣（F005）

位置：62吊索，里程為K38+448

2號板試樣（F021）

位置：40號吊索，里程為K38+184

3號板試樣（F023，帶焊縫）

位置：38號吊索，里程為K38+160

4號板試樣（庫存替補板）

未服役

保留橋面板的原始表面形貌，從橋面板上取樣制成拉伸試樣和疲勞試樣，每塊樣板上截取4個試樣以保證試驗結果的可重復性。試樣總長150mm，夾持端寬30mm、長50mm，標距段長30mm、寬15mm，典型試樣的形貌如圖4所示。

（a）橋面板試樣上表面形貌

（b）試樣側面

圖4 橋面板拉伸試樣實物圖

02 試驗結果及討論

考慮沖擊載荷，求得異形基頻為7.7Hz，如圖5所示。根據JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》，求得沖擊系數為0.345。分析鋼箱梁橋面板局部應力時，車軸之間的疊加效應可以忽略，采用單軸載荷作用橋面板獲得的計算結果可滿足求解精度。

圖5 結構的一階振型

將單軸載荷（共13噸）施加在鋼箱梁兩個橫隔板中間的重車道路橋面板上，最大載荷出現在U肋頂部，該處最大橫向正應力為83.0MPa，最大橫向壓應力為87.7MPa，如圖6所示，考慮沖擊載荷情況求得橋面板最大承載下的橋面板厚為12mm，最大橫向拉應力為111.6MPa，最大橫向壓應力為118.0MPa，Von Mises應力為105.2MPa。

圖6 單軸載荷下鋼箱梁橫向正應力分布圖

在U肋頂部處出現最大Von Mises應力78.2MPa（見圖7），考慮沖擊系數0.345，應力105.2MPa，Q345b鋼板的屈服應力不低于345MPa，與標準軸重（13噸）作用下的計算結果相比，安全系數為3.28，滿足鋼箱梁的強度設計要求。

圖7 單軸載荷下鋼箱梁Von Mises應力分布圖

對圖4中各試樣腐蝕面（面向瀝青混凝土路面側）的輪廓進行掃描，截取典型截面輪廓線如圖8所示。可以看出，4號未服役橋面板試樣的厚度較均勻，腐蝕程度較輕；相比之下，1~3號橋面板試樣上表面呈現較大的高度差。其中3號試樣的腐蝕最為嚴重，平均厚度僅為6mm。這主要是由于橋面交變載荷引起鋪裝層開裂，該懸索橋服役環境為亞熱帶海洋大氣環境，含Cl-較多的雨水隨裂縫滲入瀝青底部與橋面板上表面接觸，橋面板發生腐蝕病害。

圖8 橋面板試樣的截面厚度輪廓線比較

在w+b LFV 500-T5000型拉伸試驗機上進行拉伸性能測試，拉伸速率為0.01mm/s。為了評估腐蝕程度對橋面板強度的影響，試驗結果均采用當量應力表示試樣的強度，當量應力=實際載荷/[試樣寬度×試樣原始厚度（12mm）]。拉伸試驗所得當量應力與試樣厚度的關系如圖9所示。由試驗結果可知，試樣的當量屈服強度和當量抗拉強度隨試樣平均厚度的減小而降低，兩者基本符合線性關系。這說明鋼箱梁頂板試樣當量應力的降低主要是由于腐蝕引起材料的減薄。

圖9 試樣當量屈服強度和當量抗拉強度隨試樣平均厚度的變化

對于發生腐蝕的橋面板，認為其服役過程中該部位承受的載荷不變。根據鋼箱梁橋面板在重車單軸載荷下的受力計算結果（橫向拉應力111.6MPa，橫向壓應力118MPa），以腐蝕橋面板試樣當量應力幅值為115MPa所對應的實際應力幅值，采用拉壓對稱循環載荷（R=-1）對試樣進行疲勞測試，試驗結果如表1所示，試樣疲勞壽命與厚度的關系如圖10所示。

表1 當量應力幅值為115MPa時試樣的疲勞壽命

圖10 當量應力幅值為115MPa時試樣疲勞壽命隨厚度的變化

可以看出，當試樣厚度為10mm時，試樣具有無限壽命（5×106循環周次未失效）。當厚度為9mm時，隨著試樣厚度的降低，疲勞壽命大幅降低。當試樣平均厚度降低到6mm時，剩余壽命僅約為20000周次。

由于瀝青以及防水層的開裂，懸索橋在長期的服役過程中，橋面板上表面出現嚴重的腐蝕，這對鋼箱梁的安全提出了嚴峻考驗。由圖4和圖8可知，順橋方向不同位置橋面板的腐蝕程度是不同的，總體來看，該懸索橋鋼橋面板的整體腐蝕較為嚴重，最大減薄區域厚度僅為6mm，年均腐蝕速率為0.3mm/a，這是考慮路面鋪裝層完好，不存在滲水及腐蝕條件下的，實際腐蝕時間更短，腐蝕速率更大，因此橋面板存在較高的腐蝕風險。

結論

（1） 13噸重車單軸載荷作用下橋面板的最大應力出現在U肋頂部，考慮沖擊載荷條件，其最大橫向拉應力為111.6MPa，最大橫向壓應力為118MPa；

（2）橋面板上表面腐蝕不均勻，試樣的當量抗拉強度與剩余厚度近似呈線性關系，即腐蝕減薄越大，當量抗拉強度越低；

（3）在當量應力幅值為115MPa條件下，橋面板試樣厚度降低將引起疲勞壽命大幅降低。為保證橋面板的安全性，其腐蝕后的厚度應不低于10mm。

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