桥梁拉吊索用不锈钢钢丝腐蚀性能研究及桥梁拉索时变可靠度评估

摘要

拉吊索腐蚀是桥梁设计和施工必须考虑的重要方面之一，特别是跨海大桥。目前，拉吊索所用材料大多数为高强碳素钢丝或钢绞线，材料在桥梁实际运营中长期处于高应力状态，对外界环境侵蚀比较敏感。随着桥梁使用年限的增长，拉吊索逐步暴露出防腐层老化、锈蚀、断丝等问题，需要花费大量人力财力进行更换，否则可能会导致索断裂、引起桥梁垮塌等事故。为提高桥梁拉吊索的使用寿命，降低维护和更换成本，需要开发新型拉吊索材料。本文结合交通运输部科技项目“全寿命不锈钢钢丝索开发研究”和国家基础性项目（973项目）“特大跨桥梁安全性设计与评定的基础理论研究”，对不锈钢钢丝的耐腐蚀性能进行了研究，并对用不锈钢钢丝作桥梁拉索时的时变可靠度进行了分析。本文主要内容和结论如下:
　　(1)对拉吊索腐蚀环境及腐蚀类型进行了讨论，分析了拉吊索各种类型腐蚀的机理及影响因素。
　　(2)对零应力的普通镀锌单根钢丝及施加0、20％、30％和40％四个水平应力的单根不锈钢钢丝，分7d、20d和40d进行中性盐雾试验，测量钢丝的质量损失率，分析得到不同钢丝的截面面积损失系数;研究了零应力普通镀锌钢丝和不同应力水平下不锈钢钢丝的荷载-变形曲线，对拉伸后的钢丝进行了扫描电镜分析。研究表明，零应力下，普通镀锌钢丝的重量损失率为不锈钢钢丝的30倍以上，不锈钢钢丝的防腐性能远好于普通镀锌钢丝。不锈钢钢丝的重量损失率随着施加应力的增加而增加，高应力下的不锈钢钢丝更容易腐蚀。短期内腐蚀对钢丝的极限强度影响不大;随着腐蚀的增加，普通镀锌钢丝和不锈钢钢丝的拉伸断口呈现脆性增加的趋势，普通镀锌钢丝的断口形貌由微裂纹向长宽裂纹发展，而不锈钢钢丝由于腐蚀程度较轻，只是出现了微裂纹。
　　(3)利用ANSYS有限元建立了某斜拉桥的结构分析模型，建立了桥梁在自重和随机车辆荷载作用下的斜拉索索力概率模型，分别假定将本文研究的普通镀锌钢丝和不锈钢钢丝作为桥的斜拉索，考虑本文试验研究得到的截面面积损失系数建立斜拉索的功能函数，采用一次二阶矩方法计算得到了普通镀锌钢丝拉索和不锈钢钢丝拉索的时变可靠指标。分析表明，采用普通镀锌钢丝时可靠指标随时间下降的速度较快，而采用不锈钢钢丝时可靠指标随时间下降的速度较慢。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 斜拉桥和悬索桥的发展

1．1．2 拉吊索腐蚀及危害

1．1．3 研究的意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 拉吊索腐蚀研究

1．2．2 拉吊索防腐技术研究

1．2．3 拉吊索可靠度评估研究

1．3 存在的问题

1．4 本文主要研究内容

2 拉吊索腐蚀及腐蚀类型

2．1 概述

2．2 大气腐蚀

2．2．1 大气腐蚀的电化学过程

2．2．2 影响大气腐蚀的因素

2．3 腐蚀类型

2．3．1 均匀腐蚀

2．3．2 电偶腐蚀

2．3．3 小孔腐蚀

2．3．4 缝隙腐蚀

2．3．5 晶间腐蚀

2．3．6 应力腐蚀

2．3．7 腐蚀疲劳

2．4 不同类型腐蚀的区别和联系

2．4．1 孔蚀与缝隙腐蚀

2．4．2 应力腐蚀与腐蚀疲劳

2．5 本章小结

3 不锈钢钢丝腐蚀性能试验研究

3．1 概述

3．2 试验方案

3．2．1 试验材料

3．2．2 持续加荷

3．2．3 试验仪器

3．3 试验过程

3．3．1 中性盐雾试验

3．3．2 拉伸试验

3．3．3 扫描电镜观察(SEM)

3．4 试验结果分析

3．4．1 持续荷载

3．4．2 质量损失率

3．4．3 荷载-变形曲线

3．4．4 断口形貌

3．5 本章小结

4 斜拉桥拉索时变可靠度评估

4．1 概述

4．2 结构可靠度和可靠指标

4．3 结构可靠指标的计算

4．3．1 随机变量服从正态分布的情况

4．3．2 随机变量不服从正态分布的情况

4．4 斜拉桥及有限元模型

4．5 拉索时变可靠度计算

4．6 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢