鋼結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、剛度大、韌性好、施工方便以及優(yōu)良的焊接性能被廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)。腐蝕和疲勞開裂是鋼橋最主要的兩種病害形式(圖1)。我國每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占當(dāng)年國內(nèi)生產(chǎn)總值的1%~5%,全世界每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)7 000億美元[1]。鋼材腐蝕不僅造成經(jīng)濟(jì)和資源的損失,而且還帶來很多的安全問題。美國40%橋梁都是由鋼材建造的,惡劣的環(huán)境和不適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)導(dǎo)致許多橋梁腐蝕退化[2]。在日本早年統(tǒng)計的104座懸索橋斷橋事故中,有19例與暴露于環(huán)境中的鋼材銹蝕有關(guān)[3]。鋼橋中各類焊接結(jié)構(gòu)(尤其是正交異性鋼橋面板)的構(gòu)造形式復(fù)雜,運營后不久容易出現(xiàn)疲勞裂紋,最早的英國Seven橋,之后德國Sinntal和Haseltal兩座橋以及中國虎門大橋都在通車使用后不久出現(xiàn)了疲勞裂紋[4]。腐蝕疲勞比單獨的腐蝕或疲勞現(xiàn)象更為復(fù)雜和不利,會加速材料性能劣化。國內(nèi)外學(xué)者在金屬腐蝕疲勞損傷規(guī)律和腐蝕疲勞退化機(jī)理等方面做了許多研究工作。影響鋼橋腐蝕疲勞的因素眾多,比如腐蝕環(huán)境、循環(huán)荷載、焊接殘余應(yīng)力等,這些都是目前鋼橋腐蝕疲勞研究的熱點。 

圖  1  鋼橋常見病害

Figure  1.  Common diseases to steel bridges: (a) corrosion; (b) fatigue cracking

1.   鋼橋腐蝕類型和規(guī)律

鋼橋表面涂裝劣化使鋼材裸露在大氣環(huán)境中繼而發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng),是鋼材腐蝕的主要原因。鋼橋腐蝕類型主要分為四種：均勻腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕和腐蝕疲勞。均勻腐蝕是指腐蝕均勻地發(fā)生在金屬表面,使得截面厚度均勻減小,鋼橋整體應(yīng)力增大。點蝕破壞集中在鋼橋局部位置,會引起應(yīng)力集中,加速疲勞裂紋形成?？p隙腐蝕主要是由于焊縫內(nèi)積水不易排出而導(dǎo)致的。腐蝕疲勞是指在循環(huán)荷載作用下,鋼橋在腐蝕介質(zhì)中的破壞。腐蝕疲勞往往具有更嚴(yán)重的后果,腐蝕和疲勞的聯(lián)合作用會顯著降低鋼橋的疲勞壽命。 

影響鋼橋腐蝕主要因素有環(huán)境因素、材料因素和人為因素。其中環(huán)境因素包括溫度、濕度、pH、氯離子、二氧化硫等,材料因素主要是指材料的化學(xué)組成及機(jī)械加工等,人為因素包括橋面系漏水、鋼箱梁通風(fēng)差、涂裝質(zhì)量問題等[5]。鋼橋所處的環(huán)境不同,因此腐蝕情況一般也不同。對鋼材大氣暴露腐蝕試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn),大氣腐蝕深度與時間存在冪指數(shù)關(guān)系[6]如式(1)所示。 

式中：D為腐蝕深度(mm)；t為暴露時間(a)；b和n為擬合常數(shù)。一般環(huán)境中n為0.4~0.5,濕熱海洋環(huán)境中n可高達(dá)0.7~1.5。在紹興和青島大氣環(huán)境中鋼箱梁內(nèi)外側(cè)腐蝕深度擬合常數(shù)如表1所示[7-8]。 

2.   鋼橋腐蝕疲勞壽命預(yù)測方法

目前,鋼橋腐蝕疲勞壽命評估方法主要有兩種：基于疲勞曲線的應(yīng)力法和基于裂紋擴(kuò)展速率公式的斷裂力學(xué)法。 

2.1   應(yīng)力法

ALBRECHT等[9]最早開始對鋼橋腐蝕疲勞進(jìn)行系統(tǒng)研究,通過不同腐蝕情況下A588耐候鋼焊接接頭疲勞試驗發(fā)現(xiàn),腐蝕能夠顯著降低疲勞壽命。其原因主要有以下三點：厚度變薄導(dǎo)致名義應(yīng)力增大；蝕坑處應(yīng)力集中；疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大[10]。此后,他們還對A588耐候鋼焊接梁和蓋板梁的腐蝕疲勞行為進(jìn)行研究[11],得到3種不同的腐蝕疲勞失效模式：裂紋從蝕坑處形成(圖2)；裂紋從邊緣的缺陷處形成；裂紋從焊接缺陷處形成(圖3)。 

圖  2  裂紋從蝕坑處形成

Figure  2.  Crack forming from pit

圖  3  裂紋從焊接缺陷處形成

Figure  3.  Crack forming from weld defect

韓曉東[12]研究了不同NaCl含量腐蝕溶液對節(jié)段鋼箱梁疲勞性能的影響,發(fā)現(xiàn)疲勞強(qiáng)度在BS5400英國橋梁規(guī)范中D類曲線之上。DENG等[13]研究了截面均勻銹蝕和過載對鋼梁腐蝕疲勞損傷的影響。GKATZOGIANNIS等[14]對比分析了鋼構(gòu)件室內(nèi)腐蝕和實際腐蝕條件之間的相關(guān)性,并在不同腐蝕條件下對母材和焊縫進(jìn)行了軸向拉伸和彎曲疲勞試驗,給出相應(yīng)的疲勞曲線。 

HAN等[15]在模擬海水中對G20Mn5QT鋼對接焊縫進(jìn)行疲勞試驗,并根據(jù)斷裂形貌分析腐蝕疲勞機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)應(yīng)力水平小于190 MPa時,疲勞壽命急劇下降,當(dāng)應(yīng)力水平超過240 MPa時,腐蝕疲勞強(qiáng)度與未腐蝕疲勞強(qiáng)度接近；高應(yīng)力水平下內(nèi)部缺陷形成疲勞裂紋,低應(yīng)力水平下則在蝕坑處形成疲勞裂紋。 

為了考慮腐蝕的影響,一些學(xué)者對現(xiàn)有疲勞曲線進(jìn)行了修正,并通過試驗數(shù)據(jù)驗證模型的有效性。BANDARA等[16]提出了考慮腐蝕損傷影響的全壽命范圍疲勞曲線,該曲線包括高周和低周疲勞。AGHOURY等[17]基于材料特性、應(yīng)力和環(huán)境腐蝕性提出了腐蝕疲勞應(yīng)變壽命模型,其表達(dá)式為 

式中：b′和c′分別為腐蝕環(huán)境修正指數(shù)；Δε為應(yīng)變幅；σmax為最大正應(yīng)力；σ'f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；ε'f為疲勞延性系數(shù)；E為彈性模量；Nf為疲勞壽命。 

ADASOORIYA等[18-19]對鐵路橋梁腐蝕構(gòu)件的剩余疲勞壽命進(jìn)行了評估,考慮了材料損傷隨時間變化以及對應(yīng)力歷程的影響,得到腐蝕環(huán)境全壽命范圍疲勞曲線,并考慮了加載次序的損傷準(zhǔn)則。此外,他們還提出了未銹蝕結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的三線性疲勞曲線和銹蝕結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的雙線性疲勞曲線模型(圖4)。圖中,在恒定振幅的循環(huán)應(yīng)力加載下,對應(yīng)的疲勞極限和疲勞壽命(循環(huán)次數(shù))為ΔσD和Nf, CAFL；在波動振幅的循環(huán)應(yīng)力加載下,對應(yīng)疲勞極限和疲勞壽命為ΔσL和Nf, VAFL；下標(biāo)cor表示銹蝕,LCF表示低周疲勞。 

圖  4  未銹蝕結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和銹蝕結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞曲線

Figure  4.  Fatigue curves of uncorroded and corroded constructional details

對于未銹蝕結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),應(yīng)力幅和循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系如式(3)所示。 

根據(jù)歐洲規(guī)范[20],當(dāng)Δσ≥ΔσD時,m=3；當(dāng)ΔσD≥Δσ≥ΔσL時,m=5。 

對于銹蝕結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),其應(yīng)力幅和循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系如式(4)~(7)所示。 

當(dāng)Δσcor≥ΔσD, cor時： 

當(dāng)Δσcor≤ΔσD, cor時： 

為了研究局部點蝕導(dǎo)致的應(yīng)力集中對疲勞強(qiáng)度的影響,SHARIF等[21]引入新的概念即疲勞缺口系數(shù)kf來研究結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的疲勞問題。將疲勞缺口系數(shù)定義為結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)B的疲勞強(qiáng)度σr, B和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)X的疲勞強(qiáng)度σr,X的比值(表2)。同理,可定義腐蝕疲勞缺口系數(shù)kfc為 

式中：σr,X和(σr,X)c分別為不腐蝕和腐蝕試件疲勞強(qiáng)度。腐蝕疲勞缺口系數(shù)主要與腐蝕深度、暴露時間、最大粗糙度和粗糙度標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)。腐蝕疲勞缺口系數(shù)需要針對特定結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)在某個環(huán)境中進(jìn)行疲勞試驗得到,環(huán)境和材料發(fā)生變化,腐蝕疲勞缺口系數(shù)也將發(fā)生變化。 

揭志羽等[22-23]將蝕坑加工為半橢球或半球體缺口,全面系統(tǒng)研究了不同蝕坑深度斜焊縫十字接頭的疲勞問題,提出了腐蝕疲勞影響系數(shù)的概念,考慮蝕坑尺寸和應(yīng)力幅的影響,給出不同蝕坑深度的疲勞曲線以及腐蝕疲勞影響系數(shù)表達(dá)式。吳阿明[24]研究了蝕坑形狀、尺寸、數(shù)目和間距對橋梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的影響,結(jié)果表明蝕坑形狀和尺寸是主要影響因素,而蝕坑數(shù)目和間距的影響較小。 

2.2   斷裂力學(xué)法

王玉鵬[25]給出了海洋環(huán)境中鋼橋腐蝕模型,并采用斷裂力學(xué)法對不同腐蝕時間的正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測。研究表明,均勻腐蝕對鋼橋面板的影響很小,應(yīng)考慮其他腐蝕類型的影響。因此,點蝕對疲勞性能的影響成為研究的重點方向。為了方便數(shù)值模擬分析,對蝕坑進(jìn)行等效,方法有兩種：蝕坑等效為裂紋,不考慮裂紋的萌生[26]；蝕坑等效為缺口,考慮裂紋在缺口處的萌生和擴(kuò)展[27]。 

NOVAK[28]研究了四種類型鋼中腐蝕疲勞裂紋的形成過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn),腐蝕疲勞裂紋形成沒有明顯的門檻值。劉海龍[4]采用斷裂力學(xué)對腐蝕鉚接鋼板橋疲勞壽命進(jìn)行評估,并基于有限元方法計算應(yīng)力強(qiáng)度因子,分析了腐蝕對疲勞裂紋形成和擴(kuò)展的影響。JIE等[29]建立了含不同蝕坑類型斜焊縫十字接頭疲勞裂紋擴(kuò)展公式,給出擴(kuò)展參數(shù)與蝕坑深度之間的關(guān)系,并通過疲勞試驗結(jié)果驗證其準(zhǔn)確性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),焊趾處為疲勞裂紋源,蝕坑的存在只改變了焊趾附近的應(yīng)力應(yīng)變場,當(dāng)蝕坑深度小于1 mm時,可以不考慮蝕坑的影響。ZHANG等[30]對免涂裝橋梁耐候鋼的腐蝕疲勞進(jìn)行評估,將腐蝕疲勞分成兩個階段：蝕坑形成過程和疲勞裂紋擴(kuò)展過程,并比較了HPS70W和14MnNbq鋼腐蝕疲勞的差異性,同時對應(yīng)力幅、應(yīng)力比、腐蝕環(huán)境和日平均交通量等敏感性參數(shù)進(jìn)行了研究。XU等[31]建立了焊接接頭腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率的預(yù)測公式,對腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了分析,并考慮了加載頻率、焊接殘余應(yīng)力和有效應(yīng)力比對腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),裂紋擴(kuò)展初期腐蝕起主要作用,隨著裂紋不斷擴(kuò)展,循環(huán)荷載逐漸成為裂紋擴(kuò)展的主要影響因素。由于腐蝕的產(chǎn)生具有不確定性,而斷裂力學(xué)需要定量分析裂紋尺寸的發(fā)展過程,蝕坑形狀、尺寸、位置均會對結(jié)果產(chǎn)生重要的影響,因此還需要在這方面進(jìn)行深入探討。 

綜上,在鋼橋腐蝕疲勞壽命預(yù)測過程中,應(yīng)從以下三個方面考慮腐蝕損傷對鋼橋疲勞性能的影響：截面削弱導(dǎo)致名義應(yīng)力增大；蝕坑處應(yīng)力集中；疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大。均勻腐蝕對鋼橋疲勞性能的影響較小,應(yīng)著重考慮點蝕對疲勞性能的影響。 

疲勞曲線應(yīng)根據(jù)具體的腐蝕狀況進(jìn)行修正。蝕坑形狀和尺寸都對疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響,而蝕坑數(shù)量和間距的影響相對較小。 

分別采用疲勞缺口系數(shù)和腐蝕疲勞缺口系數(shù)表征焊接和腐蝕對應(yīng)力集中的影響,通過比較它們之間的大小來判斷疲勞裂紋形成位置。當(dāng)疲勞缺口系數(shù)大于腐蝕疲勞缺口系數(shù)時,疲勞裂紋可能在焊趾或者焊根處形成；當(dāng)腐蝕疲勞缺口系數(shù)大于疲勞缺口系數(shù)時,疲勞裂紋則在蝕坑處形成。 

為了方便計算,蝕坑一般等效為形狀規(guī)則的裂紋或缺口。 

3.   鋼橋腐蝕疲勞可靠度

一些學(xué)者基于可靠度理論對腐蝕疲勞問題進(jìn)行了研究。NOWAK等[32]基于可靠度理論分析了腐蝕和疲勞作用下鋼梁橋結(jié)構(gòu)的性能變化。葉肖偉等[33]提出了橋梁結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞可靠度評估模型,并基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)對概率疲勞壽命進(jìn)行了分析,建立截面尺寸退化函數(shù),表達(dá)式為 

式中：η(t)為面積損失率；B為結(jié)構(gòu)厚度；ε和為分別名義應(yīng)變和有效應(yīng)變；A和分別為初始截面面積和剩余截面面積?？紤]腐蝕影響后的有效應(yīng)力幅S可表示為 

疲勞曲線退化公式為 

式中：Sn為名義應(yīng)力幅；C(t)和C0分別為腐蝕時間t和腐蝕前材料參數(shù)；φ(t)為環(huán)境退化函數(shù)。研究結(jié)果表明,不能忽視鋼材銹蝕對焊接節(jié)點疲勞可靠度的影響。 

ZHANG等[34]基于可靠度方法對退化橋梁腐蝕疲勞壽命進(jìn)行了評估,并考慮了腐蝕速率、車輛類型、車速和道路表面狀況的影響。結(jié)果表明,疲勞壽命降低超過60%,道路表面狀況的影響大于腐蝕。張振浩等[35]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對斜拉橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)腐蝕疲勞可靠度進(jìn)行研究,建立疲勞抗力時變模型和顯式功能函數(shù),得到疲勞可靠度指標(biāo)隨時間變化規(guī)律。 

以上研究中只考慮了平均蝕坑深度對截面厚度的影響,未考慮蝕坑應(yīng)力集中的影響。HOSSEINI等[36]基于可靠度研究了腐蝕對鋼橋疲勞性能退化的影響,考慮了腐蝕對疲勞影響的兩個主要方面：應(yīng)力集中系數(shù)(蝕坑)和應(yīng)力增大系數(shù)(均勻銹蝕)。LI等[37]建立高強(qiáng)鋼絲退化時變概率模型,考慮了環(huán)境腐蝕和循環(huán)荷載組合作用,基于鋼絲腐蝕加速試驗建立了蝕坑深度時變概率模型,通過健康監(jiān)測系統(tǒng)評估了斜拉索循環(huán)應(yīng)力,采用蒙特卡羅法模擬高強(qiáng)鋼絲腐蝕疲勞過程。基于可靠度理論分析腐蝕環(huán)境中鋼橋疲勞可靠度需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,確定各個參數(shù)的概率分布模型,根據(jù)可靠度時變規(guī)律,給出合適的檢測和維修加固時間?；诳煽慷壤碚摰母g疲勞壽命評估方法考慮了幾何形狀、材料特性、環(huán)境因素、計算模式和荷載類型的不確定性,與實際情況符合較好。圖5為分別基于應(yīng)力法和斷裂力學(xué)法并考慮了均勻腐蝕和點蝕共同影響的鋼橋腐蝕疲勞可靠度評估流程。 

圖  5  考慮環(huán)境腐蝕的鋼橋疲勞可靠度評估流程

Figure  5.  Fatigue reliability assessment process for steel bridges considering environmental corrosion

4.   結(jié)束語

國內(nèi)外學(xué)者對于鋼橋腐蝕和疲勞問題進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗研究,并初步建立了考慮腐蝕損傷的疲勞壽命預(yù)測方法和可靠度分析理論,得到以下結(jié)論。 

（1）腐蝕深度與時間存在冪指數(shù)關(guān)系,鋼橋所處的環(huán)境不同,腐蝕情況一般也不同；點蝕坑形狀和尺寸是影響鋼橋疲勞性能的主要因素。 

（2）疲勞曲線需要考慮腐蝕損傷的修正,焊接和腐蝕導(dǎo)致的應(yīng)力集中可以分別通過疲勞缺口系數(shù)和腐蝕疲勞缺口系數(shù)來表征。 

（3）為了方便計算,基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命預(yù)測方法通常將蝕坑等效為形狀規(guī)則的裂紋或者缺口。 

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果,將來研究的重點主要包括以下兩個方面：從多尺度角度(宏觀和微觀)研究腐蝕疲勞損傷機(jī)理全過程,系統(tǒng)分析環(huán)境因素、材料因素和力學(xué)因素對鋼橋腐蝕疲勞的影響,重點關(guān)注高性能耐候鋼橋的腐蝕疲勞退化機(jī)理；建立鋼橋腐蝕疲勞損傷演化模型,提出考慮焊接殘余應(yīng)力、環(huán)境腐蝕等多因素影響的鋼橋疲勞可靠度分析方法。

文章來源——材料與測試網(wǎng)