交变应力状态下拉索环境腐蚀损伤实验研究

摘要

随着桥梁技术的不断发展以及桥梁跨径的不断提升，斜拉桥因为其出众的跨越能力和简洁的受力形式正成为大跨径桥梁的主流桥型之一。斜拉索是斜拉桥的主要受力结构，其耐久性将直接影响全桥安全。由于缆索结构长期承受交变载荷并暴露于自然环境中，特别是含大量SO42-、Cl-、NO3-等腐蚀性介质的大气污染环境，极易发生腐蚀破坏，轻则影响桥梁安全和使用寿命，重则造成重大安全事故和经济损失。国内外对缆索结构的腐蚀研究多局限在静力荷载下的应力腐蚀，这些研究与拉索长期在交变荷载下腐蚀的实际服役情况相去甚远，而针对拉索在交变应力和环境腐蚀耦合作用下的实验更是鲜有比较系统的实验研究。因此，开发在交变应力下拉索腐蚀实验的实验方法，开展交变应力下的拉索腐蚀实验，探究拉索在交变应力下的腐蚀规律，对于延长拉索使用寿命、改进拉索防腐蚀设计和避免重大安全事故的发生具有重要理论意义与工程应用价值。
　　本文依托国家973课题“桥梁结构行为演化理论与安全监测方法研究”和交通运输部应用基础研究项目“交变应力状态下斜拉桥拉索环境腐蚀损伤机理与性能评价方法研究”，主要研究内容如下:
　　①收集国内外有关拉索腐蚀的研究资料，总结斜拉索腐蚀研究的发展现状，比较各种研究方法的优缺点，明确研究思路。
　　②在总结和借鉴以往拉索腐蚀实验的基础上提出一种交变应力下拉索环境腐蚀实验方法。
　　③进行交变应力下拉索腐蚀实验，并对实验结果进行和分析，探究拉索在交变应力下的腐蚀规律。
　　本文的主要研究结果:
　　①收集、总结国内外有关拉索腐蚀的实验研究的方法，在此基础之上提出了一种研究交变应力下拉索腐蚀的实验方法。
　　②通过交变应力下钢绞线的腐蚀实验发现:1）交变应力下的钢绞线腐蚀速度比无应力和静态应力下腐蚀速度更快，腐蚀的起源是钢绞线表面的蚀坑;2）腐蚀初期钢绞线塑性变形是降低钢绞线延性的主要因素;3）低频交变荷载下荷载峰值要达到应力腐蚀门槛值后可以大幅度加速腐蚀;4）低频交变荷载下钢绞线的腐蚀符合腐蚀疲劳中的保护膜破裂理论，交变荷载频率通过影响“破膜—溶解—成膜”的周期来影响腐蚀速度。
　　③根据实验结果，对失去外部保护后的钢绞线斜拉索的腐蚀机理进行了初步的阐述，对交变应力下拉索的腐蚀实验方法进行了探讨，并对不足之处进行了总结，提出了优化的方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 金属腐蚀概述

1．2．1 金属应力腐蚀

1．2．2 金属腐蚀疲劳

1．3 拉索腐蚀研究状况分析与评价

1．3．1 国外斜拉桥拉索腐蚀研究及其进展

1．3．2 国内斜拉桥拉索腐蚀研究及其进展

1．4 本文主要研究内容

第二章 拉索环境腐蚀实验方法

2．1 环境腐蚀实验

2．1．1 天然环境暴露实验

2．1．2 人工加速模拟盐雾环境试验

2．2 斜拉索环境腐蚀实验

2．2．1 高强钢丝和钢绞线电化学腐蚀实验

2．2．2 斜拉索人工加速盐雾腐蚀实验

2．2．3 高强钢丝腐蚀疲劳实验

2．3 本章小结

第三章 交变应力下的拉索腐蚀疲劳实验方法研究

3．1 实验设备与材料

3．1．1 实验设备

3．1．2 实验材料

3．2 实验原理

3．2．1 对环境腐蚀的模拟和加速

3．2．2 交变荷载与静力荷载的施加

3．2．3 交变荷载与环境腐蚀的耦合

3．3 实验

3．3．1 无应力、静态应力、交变应力下钢绞线腐蚀实验

3．3．2 腐蚀与应力共同作用下钢绞线延性影响因素实验

3．3．3 交变荷载峰值对腐蚀速度影响实验

3．3．4 交变荷载频率对腐蚀速度影响实验

3．3．5 钢绞线单向拉伸实验

3．5 实验评价方法

3．6 本章小结

第四章 拉索应力腐蚀与腐蚀疲劳损伤机理研究

4．1 不同应力状态对钢绞线腐蚀影响

4．1．1 实验现象的观察分析

4．1．2 腐蚀失重对比分析

4．1．3 力学性能数据对比分析

4．2 腐蚀与应力共同作用下钢绞线延性影响因素

4．2．1 腐蚀失重对比分析

4．2．2 力学性能数据对比分析

4．3 交变荷载峰值对腐蚀的影响

4．3．1 腐蚀失重对比分析

4．3．2 力学性能数据对比分析

4．4 交变荷载频率对腐蚀的影响

4．4．1 腐蚀失重对比分析

4．4．2 力学性能数据对比分析

4．5 实验结果总结与讨论

4．5．1 不同应力状态下钢绞线的腐蚀机理

4．5．2 腐蚀与应力共同作用下钢绞线延性影响因素

4．5．3 交变荷载峰值对腐蚀的影响

4．5．4 交变荷载频率对腐蚀的影响

4．6 低频交变应力下钢绞线斜拉索腐蚀机理初探

4．7 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 进一步工作的展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果