基于缺陷当量处理评估外护套破损的在役拉索剩余寿命的方法   0    0

[0001] 本发明属于桥梁技术领域，具体来说是基于缺陷当量处理评估外护套破损的在役拉索在交变荷载及环境腐蚀耦合作用下剩余寿命的方法。

[0002] 日本、美国较早开展拉索腐蚀方面的试验与理论研究，特别是对海洋性环境中拉索的腐蚀研究。日本Honshu-Shikoku桥梁管理部门对负责的多座斜拉桥和悬索桥开展了营运期间拉索腐蚀破坏情况现场调查，积累了多年现场调查数据，并进行拉索预防性维护方法研究，提出防腐蚀涂料涂覆、通风除湿、静态和动态行为监测等措施。S.G.R.Brown等采用计算机模拟研究表面微结构对桥梁用镀Zn-Al钢丝腐蚀行为影响，提出镀Zn-Al钢丝腐蚀理论模型，但需要进一步通过试验来验证该理论模型。H.R.Hamilton采用海水作为腐蚀介质，对静态张力作用下带有开口的不同拉索腐蚀防护体系开展加速腐蚀试验，对比研究了不同防护体系的防腐效果。S.C.Barton通过人工加速腐蚀试验方法研究镀锌钢丝在NaCl腐蚀介质中的腐蚀行为，重点探讨了静态荷载作用下钢丝腐蚀破裂、氢脆变化情况，获取钢丝样品失重量、氢浓度、延伸率等信息，其腐蚀体系是代表海洋环境的NaCl溶液。I.M.Zin等采用酸雨溶液模拟镀锌钢丝在工业大气中的腐蚀环境，研究镀铬层对钢丝腐蚀电位、极化电阻等腐蚀参数影响，但未考虑荷载对其腐蚀行为影响。W.Liu等提出采用时域反射计、连续声发射技术和磁流变传感技术测量拉索钢丝腐蚀的思路，但目前这些研究仍处于初步阶段，研究对象仅局限于拉索索体本身。Hopwood和Haven通过研究将高强度镀锌钢丝腐蚀分为四个阶段，阶段1：钢丝表面有轻微金属光泽，但可能在局部位置出现肉眼可见白色锈点；阶段2：钢丝表面光泽黯淡，甚至覆盖一层锌腐蚀产物(白色氧化皮)，但没有铁基体腐蚀出现；阶段
3：铁锈出现在钢丝表面，镀锌层基本耗尽；阶段4：红色铁锈替代白色锈蚀产物覆盖于钢丝表面，表面变得粗糙，出现蚀坑。K.Furuya等采用2m长拉索样品在自然环境(温度13～23℃，相对湿度30～100％)中进行暴露试验，根据暴露过程中拉索不同部位温度和相对湿度在
24h内随时间变化曲线，将拉索中镀锌钢丝所处环境划分为4类，研究认为索内水分和高温是形成索内恶劣腐蚀环境的主要原因，其中底端因浸泡在水溶液中而腐蚀最为严重。
K.Suzumura根据K.Furuya得到的拉索内部不同部位环境，分别将桥梁用高强度镀锌钢丝样品置入模拟相应环境的腐蚀装置中，对不同模拟环境中钢丝样品的腐蚀机理进行了分析，重点对试验温度、相对湿度、NaCl溶液浓度等影响因素对腐蚀速率的影响进行了讨论，并估算了相应腐蚀条件下钢丝镀锌层耗尽时间。Suzumura等将镀锌高强钢丝所处的可能环境划分为4类，并得到4种模拟拉索腐蚀环境中高强钢丝的腐蚀速率。

[0003] 由于我国大跨度斜拉桥发展历史不长，人们对拉索腐蚀的认识还不够深入，目前开展的工作主要是桥梁管理部门对斜拉桥拉索腐蚀破坏特征现场检测和数据积累，以及拉索生产厂家在成索前开展的盐雾腐蚀试验等。而对拉索尤其是外护套破损拉索剩余寿命评估还处于初级阶段，同济大学陈惟珍、徐俊等对上海恒丰路立交桥换下的拉索进行了力学试验研究。研究表明拉索与钢丝的强度和韧性随着钢丝腐蚀程度的恶化而显著降低，当钢丝腐蚀程度轻微时，钢丝抗拉强度大于设计强度，延伸率也与设计要求基本吻合；当钢丝严重腐蚀后，钢丝强度与延伸率均远低于设计要求。进一步根据腐蚀钢丝外观形貌，将拉索表层钢丝锈蚀成都划分为8个等级。华南理工大学苏达根等研究了广州海印大桥失效的钢丝锈蚀，发现腐蚀较轻的钢丝力学性能差别不大，而腐蚀较重的钢丝力学性能差别明显。2010年，东南大学缪长青等依据法拉定律和腐蚀损伤相当的原则，提出了编制大跨径桥梁构件加速腐蚀当量环境谱的方法，确定了桥梁结构钢材在不同温度、湿度条件下的当量折算关系函数和方法，研究了温湿度对于桥梁缆索构件腐蚀的影响规律，提出了大跨径桥梁环境谱编制以及当量折算原则。长安大学胡志鹏参照在役汽油管道腐蚀剩余寿命预测的方法和模型，应用“极值推定法”建立桥梁缆索系统的剩余寿命预测方法，开创了国内桥梁缆索系统的剩余寿命预测的先河，但该方法中的关键参数临界腐蚀深度的确定有一定难度。

[0004] 同济大学陈惟珍、徐俊等该方法比较直观、方便，缺点是主观性强，缺乏定量的判断标准。长安大学胡志鹏参照在役汽油管道腐蚀剩余寿命预测的方法和模型，该方法中的关键参数临界腐蚀深度的确定有一定难度。

[0005] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于缺陷当量处理评估外护套破损的在役拉索剩余寿命的方法。

[0006] 本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，基于缺陷当量处理评估外护套破损的在役拉索剩余寿命的方法，包括以下步骤：

[0007] S1通过对在役拉索进行检测，发现外护套破损拉索的点蚀缺陷以及缺陷位置、尺寸；

[0008] S2基于点蚀缺陷的当量处理，应用断裂力学理论求出应力强度因子幅值ΔK；

[0009] S3基于模型试验，求出在交变应力和不同腐蚀环境下的影响因素系数a0、ac、y、c、n，进而定量得出在交变应力和环境腐蚀耦合作用拉索的寿命周期N'，其中，c、n表示材料常数，y为修正系数，a0表示裂纹长度最小值、ac表示裂纹长度最大值。

[0010] 进一步，所述的寿命周期通过以下公式获得：

[0011]

[0012] 进一步，在步骤S3中，对材料做腐蚀疲劳裂纹扩展试验建立试验模型。

[0013] 由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

[0014] 通过本发明能对其点蚀缺陷进行科学的表征，建立钢丝腐蚀损伤细观结构与宏观力学性能响应之间的联系，定量的评价在役拉索的剩余寿命。

[0019] 以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

[0020] 对在役拉索的检测是拉索剩余寿命评价最基础的工作，通过检测工作找出拉索是否存在腐蚀缺陷以及缺陷位置、尺寸，再依据相应的检测维护标准，结合各管线材质、性能、影响参数，对拉索剩余寿命进行综合评价。

[0021] 基于缺陷的当量处理拉索剩余寿命评价理论：所谓缺陷的当量处理，就是用一个典型的裂纹(如贯穿裂纹，或表面椭圆裂纹，或内埋椭圆裂纹)来取代实际的缺陷。现有的各种规范，对于缺陷的当量处理基本上是相似的。无论是处理线弹性断裂还是弹塑性断裂，缺陷的当量处理根据都是线弹性断裂力学。在ASMEⅪ规范中，对于缺陷的当量处理是先用一个矩形来外切形状不规则的实际缺陷，然后再用一个圆或椭圆内切该矩形。此椭圆或半椭圆就作为该缺陷的当量裂纹。具体做法如图2所示。

[0022] 对于临近自由表面的缺陷，由于自由表面的影响是随着余肉厚度(缺陷离自由表面的间距)的减小而增大。因此当余肉厚度小于缺陷宽度的一半时即可作为表面裂纹处理。如图中的缺陷4即属于此种情况。此外，由于相邻缺陷的交互影响也随其间距的减小而增大，因此当其间距小于某一尺寸时即可作为一个缺陷来处理如图3所示。考虑缺陷间相互影响和自由表面影响的基础仍旧是线弹性断裂力学。为了简化计算，本发明把所有缺陷都看成是内部圆片状裂纹。在交变应力和环境耦合作用下,外护套破损的拉索钢丝表面存在大量的蚀坑，本发明对这些蚀坑缺陷进行当量处理，并从偏安全角度考虑，取蚀坑缺陷在垂直于应力方向的最大外形尺寸作为圆片状裂纹的直径。裂纹的长度为点蚀缺陷的深度，将带有点蚀缺陷的高强钢丝简化成具有单边裂纹的有限板，有限板的宽度为钢丝的直径如图3。

[0023] 板宽为W，裂纹长为a，均布拉应力为σ。J.ESrawley等人用边界配位法计算所得的裂纹端部的应力强度因子为：

[0024]

[0025] 当 很小时， 及其高次幂与1.99相比均可略去，于是上式也可以近似地用表示。腐蚀疲劳中的裂纹扩展速率与寿命计算，比无介质腐蚀情况下的纯疲劳问题要复杂得多，在工程处理上，仍然可以近似地把用双对数坐标表示的 关系曲线看成是若干段直线组成的折线，N代表寿命周期。每段直线同样可以用Paris指数规律来描述，Paris指出，既然应力强度因子K是描述裂纹端部应力、应变场强度的参量，那么就有理由认为，K值也是控制裂纹扩展速率 的主要参量，裂纹扩展速率可表示为：其中的ΔK为应力强度因子幅度，其值为ΔK＝Kmax-Kmin。c,n是材料常数可通过实验求得，Kmax表示钢丝达到最大容许应力时分应力强度因子，Kmin表示钢丝达到应力腐蚀阀值。对金属材料，其n＝2～7；而绝大多数金属材料的n＝2～4。

[0026] Paris指数规律只表达了疲劳裂纹的扩展状况，没有考虑在交变应力和环境腐蚀耦合作用下的裂缝扩展机理，因此，若要应用于交变应力和环境腐蚀耦合作用下，预测拉索的剩余寿命，需增加一个修正系数y，y与构件所处的腐蚀环境有关，y是相对于惰性介质环境的腐蚀速度的增加率，不同的腐蚀环境，交变应力和环境腐蚀耦合作用的裂纹扩展速率不同，

[0027] 则在交变应力和环境腐蚀耦合作用的裂纹扩展速率表示为： N'为交变应力和环境腐蚀耦合作用下的寿命周期， 或 因此通过
实验求出在不同腐蚀环境下的a0、ac、y、c、n，进而通过断裂力学求得ΔK，得出在交变应力和环境腐蚀耦合作用拉索的寿命周期N'。参数y为考虑特定环境介质影响作用的腐蚀疲劳裂纹扩展的加速因子，经过在特定的环境介质下的实验数据拟合而得到，c、n由在空气中的腐蚀疲劳试验数据线性回归可以得到。上述的建模方法为处理工程实际问题提供了一个比较明确的思路，就是以空气中的疲劳裂纹扩展速率为基准，引入环境加速因子y，考虑一定的安全系数，进而可给出一种拉索腐蚀疲劳裂纹扩展速率的数学模型为在工程实际中对含缺陷拉索进行定量的寿命评定提供了参考。

[0028] 因此，本发明提供一种基于缺陷当量处理评估外护套破损的在役拉索剩余寿命的方法，包括以下步骤：

[0029] S1通过对在役拉索进行检测，发现外护套破损拉索的点蚀缺陷以及缺陷位置、尺寸；

[0030] S2基于点蚀缺陷的当量处理，应用断裂力学理论求出应力强度因子幅值ΔK；

[0031] S3基于模型试验，求出在交变应力和不同腐蚀环境下的影响因素系数a0、ac、y、c、n，进而定量得出在交变应力和环境腐蚀耦合作用拉索的寿命周期N'。

[0032] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

[0015] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

[0016] 图1为本发明的流程图；

[0017] 图2为缺陷处理的具体表示图,其中a为半圆形缺陷处理具体表示图，b为圆形缺陷处理具体表示图；

[0018] 图3为将带有点蚀缺陷的高强钢丝简化成具有单边裂纹的有限板结构图。