腐蚀对在役钢箱梁桥面板服役性能的影响评价研究

2022-02-16 14:55:50 作者：许睿文，刘鹏，等来源：腐蚀与防护分享至：

正交异性钢箱梁结构具有自重轻、极限承载能力大、跨度大、施工时间短等优点，多数大、中跨度现代桥梁都采用此结构。但是，由于服役环境、载荷条件与结构形式等综合因素的耦合作用，钢箱梁结构时常发生腐蚀、裂纹、疲劳破坏等病害，导致桥梁存在运行安全风险。因此，对含病害在役钢箱梁的性能与服役安全进行评价成为桥梁领域的关注热点。

目前，关于钢箱梁承载能力及疲劳性能的评价结果为桥梁的服役安全提供了大量的试验数据及研究理论，但随着钢箱梁服役时间的延长，不可避免的腐蚀病害会严重影响其服役性能，评估实际在役钢箱梁腐蚀程度对剩余服役性能的影响具有重要的工程应用意义。

桥梁及其钢箱梁的基本情况介绍

本文研究的桥梁位于我国东南沿海地区，截至取样时间已服役20年。该桥梁为6车道单跨双铰钢箱加劲悬索桥，宽32m，桥轴线处箱内净高2.99m，钢箱梁结构采用正交异性桥面板。钢箱梁主体结构材料为16Mnq（Q345b）钢，桥面板厚12mm，下翼板及腹板厚10mm，桥面板U型肋尺寸为320mm×260mm×8mm，间距620mm，钢箱梁每4m设一道横隔板，板厚8mm，有吊索处横隔板厚10mm。钢桥面板上铺装7cm厚的沥青混凝土。

图1 钢箱梁结构标准横断面（单位：mm）

该桥梁设计载荷为汽车超20级，应限载荷55吨。由于该桥通车后车流量大，且超载车辆较多。对连续某一时间段通过桥梁的204辆货车进行统计，结果表明，超载车辆有140辆，占68.6%，超载率大于50%的货车占比为27%。因此，路面铺装的沥青混凝土容易发生开裂，开裂后雨水沿裂缝进入桥面板，会引发钢箱梁桥面板的腐蚀。另外，超载车辆对钢箱梁桥面板尤其是经腐蚀后桥面板的服役安全提出了严峻的考验。

钢箱梁桥面板在重车载荷下的受力分析

采用ANSYS有限元软件对重车通过情况下桥面板的受力情况进行分析，采用SHELL63板单元模拟桥面顶板、底板、腹板、U肋、扁钢以及横隔板、人洞等构造。钢板材料弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3。对4个吊杆范围内的钢箱梁采用板单元建模，在车辆载荷处细化单元网格以获得更精确的应力分布。对吊点施加竖向约束，并在顺桥向两端进行对称约束。

图2 钢箱梁三跨有限元模型

统计表明，该大桥主要通过车辆为20吨与55吨重车，载荷布置如图3所示。可以看出，轴重主要集中在12~14吨，因此采用13吨单轴载荷（单轴两侧双轮胎）作为分析基准载荷，车轮在重载下与地面的接触面积取200mm×300mm。

（a） 20t

（b） 55t

图3 20吨和55吨重车的载荷布置立面图

桥面板的拉伸强度及疲劳性能

01 测试方法

为了评估服役20年后桥面板的剩余拉伸强度，从服役悬索桥上截取4块腐蚀较典型的桥面板样板，其中一块为带焊缝样板，同时取未服役的库存替补样板试样（厚度为14mm）进行对比，从样板上取样，用三维形貌仪测量试样的表面形貌，具体如下：

1号板试样（F005）

位置：62吊索，里程为K38+448

2号板试样（F021）

位置：40号吊索，里程为K38+184

3号板试样（F023，带焊缝）

位置：38号吊索，里程为K38+160

4号板试样（库存替补板）

未服役

保留桥面板的原始表面形貌，从桥面板上取样制成拉伸试样和疲劳试样，每块样板上截取4个试样以保证试验结果的可重复性。试样总长150mm，夹持端宽30mm、长50mm，标距段长30mm、宽15mm，典型试样的形貌如图4所示。

（a）桥面板试样上表面形貌

（b）试样侧面

图4 桥面板拉伸试样实物图

02 试验结果及讨论

考虑冲击载荷，求得异形基频为7.7Hz，如图5所示。根据JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》，求得冲击系数为0.345。分析钢箱梁桥面板局部应力时，车轴之间的叠加效应可以忽略，采用单轴载荷作用桥面板获得的计算结果可满足求解精度。

图5 结构的一阶振型

将单轴载荷（共13吨）施加在钢箱梁两个横隔板中间的重车道路桥面板上，最大载荷出现在U肋顶部，该处最大横向正应力为83.0MPa，最大横向压应力为87.7MPa，如图6所示，考虑冲击载荷情况求得桥面板最大承载下的桥面板厚为12mm，最大横向拉应力为111.6MPa，最大横向压应力为118.0MPa，Von Mises应力为105.2MPa。

图6 单轴载荷下钢箱梁横向正应力分布图

在U肋顶部处出现最大Von Mises应力78.2MPa（见图7），考虑冲击系数0.345，应力105.2MPa，Q345b钢板的屈服应力不低于345MPa，与标准轴重（13吨）作用下的计算结果相比，安全系数为3.28，满足钢箱梁的强度设计要求。

图7 单轴载荷下钢箱梁Von Mises应力分布图

对图4中各试样腐蚀面（面向沥青混凝土路面侧）的轮廓进行扫描，截取典型截面轮廓线如图8所示。可以看出，4号未服役桥面板试样的厚度较均匀，腐蚀程度较轻；相比之下，1~3号桥面板试样上表面呈现较大的高度差。其中3号试样的腐蚀最为严重，平均厚度仅为6mm。这主要是由于桥面交变载荷引起铺装层开裂，该悬索桥服役环境为亚热带海洋大气环境，含Cl-较多的雨水随裂缝渗入沥青底部与桥面板上表面接触，桥面板发生腐蚀病害。

图8 桥面板试样的截面厚度轮廓线比较

在w+b LFV 500-T5000型拉伸试验机上进行拉伸性能测试，拉伸速率为0.01mm/s。为了评估腐蚀程度对桥面板强度的影响，试验结果均采用当量应力表示试样的强度，当量应力=实际载荷/[试样宽度×试样原始厚度（12mm）]。拉伸试验所得当量应力与试样厚度的关系如图9所示。由试验结果可知，试样的当量屈服强度和当量抗拉强度随试样平均厚度的减小而降低，两者基本符合线性关系。这说明钢箱梁顶板试样当量应力的降低主要是由于腐蚀引起材料的减薄。

图9 试样当量屈服强度和当量抗拉强度随试样平均厚度的变化

对于发生腐蚀的桥面板，认为其服役过程中该部位承受的载荷不变。根据钢箱梁桥面板在重车单轴载荷下的受力计算结果（横向拉应力111.6MPa，横向压应力118MPa），以腐蚀桥面板试样当量应力幅值为115MPa所对应的实际应力幅值，采用拉压对称循环载荷（R=-1）对试样进行疲劳测试，试验结果如表1所示，试样疲劳寿命与厚度的关系如图10所示。

表1 当量应力幅值为115MPa时试样的疲劳寿命

图10 当量应力幅值为115MPa时试样疲劳寿命随厚度的变化

可以看出，当试样厚度为10mm时，试样具有无限寿命（5×106循环周次未失效）。当厚度为9mm时，随着试样厚度的降低，疲劳寿命大幅降低。当试样平均厚度降低到6mm时，剩余寿命仅约为20000周次。

由于沥青以及防水层的开裂，悬索桥在长期的服役过程中，桥面板上表面出现严重的腐蚀，这对钢箱梁的安全提出了严峻考验。由图4和图8可知，顺桥方向不同位置桥面板的腐蚀程度是不同的，总体来看，该悬索桥钢桥面板的整体腐蚀较为严重，最大减薄区域厚度仅为6mm，年均腐蚀速率为0.3mm/a，这是考虑路面铺装层完好，不存在渗水及腐蚀条件下的，实际腐蚀时间更短，腐蚀速率更大，因此桥面板存在较高的腐蚀风险。

结论

（1） 13吨重车单轴载荷作用下桥面板的最大应力出现在U肋顶部，考虑冲击载荷条件，其最大横向拉应力为111.6MPa，最大横向压应力为118MPa；

（2）桥面板上表面腐蚀不均匀，试样的当量抗拉强度与剩余厚度近似呈线性关系，即腐蚀减薄越大，当量抗拉强度越低；

（3）在当量应力幅值为115MPa条件下，桥面板试样厚度降低将引起疲劳寿命大幅降低。为保证桥面板的安全性，其腐蚀后的厚度应不低于10mm。

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