平行钢丝拉索在荷载与电化学腐蚀耦合作用下的损伤机理试验研究

作     者：朱子昂 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚国文

授予年度：2018年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：斜拉桥 拉索钢丝 交变荷载 腐蚀试验 损伤机理 有限元仿真 

摘      要：斜拉桥拉索的易腐蚀性和腐蚀后的难以更换性,一直困然着国内外众多学者。因此拉索的腐蚀损伤和防腐研究一直是斜拉桥研究的重点项目。目前,国内外已经开始对对斜拉桥拉索腐蚀进行了大量的研究,但室内加速腐蚀模拟试验主要是无荷载状态或单一静态荷载下的材料腐蚀试验,针对交变荷载状态下的腐蚀试验较少。本文依托国家自然科学基金项目《交变荷载与侵蚀环境耦合作用下斜拉索腐蚀疲劳损伤机理与寿命预测模型研究》(No.51478071)项目,分析了交变荷载对斜拉索的电化学腐蚀影响机理,主要研究工作与结论如下:(1)总结了现代斜拉桥拉索的五种主要构造形式:平行钢筋索、平行(半平行)钢丝索、平行(半平行)钢绞线索、单股钢绞缆、封闭式钢缆。分析了斜拉桥拉索腐蚀损伤主要类型为拉索护套损伤,锚头损伤及拉索钢丝腐蚀损伤,并探究其腐蚀损伤原因。重点分析了拉索钢丝均匀腐蚀、孔蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀四种形式和其相应的损伤机理。(2)开展了拉索静力荷载、交变荷载与电化学腐蚀耦合作用加速试验方法研究。通过反力实验台和自锚式千斤顶对拉索施加静力、交变荷载,交变荷载峰值、谷值、频率通过通过桥梁实际运营过程模拟及参考类似研究确定,电化学腐蚀通过自制电化学腐蚀试验设备施加,且自制的电化学腐蚀试验反应设备能同时连接反力实验台和自锚式千斤顶,实现荷载和电化学腐蚀的耦合。(3)从腐蚀钢丝失重量、腐蚀钢丝拉伸断口、腐蚀钢丝力学性能等方面探究腐蚀对拉索的影响。试验发现拉索腐蚀程度随腐蚀时间而增大,腐蚀对拉索的力学性能下降均有影响。拉索承受的荷载对腐蚀有促进作用,且交变荷载的促进作用大于静态荷载的促进作用。(4)建立腐蚀拉索钢丝和整根拉索有限元模型。分析钢丝均匀腐蚀与孔蚀的不同,结果表明均匀腐蚀程度越大,对钢丝受力越不利。局部腐蚀的模拟分析结果表明随着蚀坑半径的增大,蚀坑处的应力集中现象越严重。整根拉索的有限元模拟表明拉索的腐蚀会使拉索内部钢丝的应力值重分配,使外层钢丝应力增大,内层钢丝应力相对减小。