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拉索锚固系统作为缆索承重体系桥梁的重要构件在近年来的桥梁检测中发现了大量病害,频繁发生的桥梁断索事故经调查后发现也与锚固系统内拉索钢丝的腐蚀损伤密切相关。我国早期修建的拉吊索桥梁,受当时技术、经济水平的限制,在锚固系统设计、制造、安装等方面存在诸多缺陷,给桥梁结构安全埋下了极大的隐患,而随着使用年限的增加,这些问题逐渐暴露出来,给国家和社会造成了严重的经济损失和恶劣的社会影响。为此,本文在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)及国家重点研发计划课题“城市快速路桥梁超限荷载监测预警系统与安全风险控制技术(No.2017YFC0806001)的支持下,围绕斜拉桥及吊杆拱桥的拉索锚固系统,进行了盐雾环境作用下拉索锚固系统腐蚀损伤试验研究。主要研究工作和取得的结论如下:
1、总结分析了桥梁缆索锚固系统的腐蚀环境、病害及检测评定方法。基于锚固系统所处的大气及应力腐蚀环境,对锚固系统常见病害及其成因进行了归类总结,分析了损伤锚固系统内存在的2类腐蚀环境;总结了锚固系统的主要检测评定方法,分析了其中的不足之处。
2、开展了平行钢丝拉索冷铸墩头锚固系统的整体铜盐加速醋酸盐雾试验(CASS试验),并在试验后对其进行解剖分析,揭示了锚固系统内部及外部腐蚀程度及分布特征,研究了冷铸墩头锚固系统的可靠性。
3、开展了锚固系统内拉索钢丝CASS试验,揭示了2类腐蚀环境下锚固区段钢丝腐蚀损伤机理与锈蚀模式。模拟锚固系统内拉索钢丝及其所处的2类腐蚀环境,对拉索节段进行了不同试验周期的CASS试验。基于不同腐蚀程度拉索钢丝表现出的腐蚀外观形貌,将拉索的腐蚀损伤过程分为4个阶段,并以此为依据将钢丝的锈蚀程度划分为6个等级。
4、通过试验研究与实桥检测对比分析,揭示了锚固区段拉索钢丝的腐蚀空间分布特征。剥除拉索表面PE护套及聚酯纤维带,将拉索钢丝散开,基于钢丝锈蚀分级对钢丝进行锈蚀等级评定后绘制拉索截面腐蚀程度空间分布云图;同时,结合MATLAB等图像处理软件对腐蚀钢丝图像进行灰度处理,得出了拉索钢丝的腐蚀空间分布特征,并通过与实桥检测结果对比,验证了试验结论的正确性。
5、开展了锈蚀拉索钢丝力学性能试验研究,通过对锈蚀拉索钢丝进行拉伸试验和断口形貌分析,揭示了钢丝表面腐蚀分布与钢丝强度、延性、断裂特征之间的关系。
6、提出了锚固系统拉索腐蚀损伤演化模型。基于多孔介质中的粒子扩散机理和拉索钢丝的间隙结构特征,分析了腐蚀因子在拉索钢丝间的扩散模式,应用Fick定律建立了拉索腐蚀因子扩散模型,并结合经典的钢丝锈蚀量计算模型,建立了拉索钢丝直径损失量计算模型。
7、结合实体工程开展了锚固系统拉索腐蚀损伤演化模型应用研究。介绍了拉索钢丝锈蚀损伤计算模型在拉索锚固系统实际检测评定工作中的应用流程,并以一工程案例为对象,利用MATLAB计算了一段时间内锚固系统内拉索腐蚀因子浓度分布及直径损伤量分布,得出了拉索锈蚀损伤的演化过程。
1、总结分析了桥梁缆索锚固系统的腐蚀环境、病害及检测评定方法。基于锚固系统所处的大气及应力腐蚀环境,对锚固系统常见病害及其成因进行了归类总结,分析了损伤锚固系统内存在的2类腐蚀环境;总结了锚固系统的主要检测评定方法,分析了其中的不足之处。
2、开展了平行钢丝拉索冷铸墩头锚固系统的整体铜盐加速醋酸盐雾试验(CASS试验),并在试验后对其进行解剖分析,揭示了锚固系统内部及外部腐蚀程度及分布特征,研究了冷铸墩头锚固系统的可靠性。
3、开展了锚固系统内拉索钢丝CASS试验,揭示了2类腐蚀环境下锚固区段钢丝腐蚀损伤机理与锈蚀模式。模拟锚固系统内拉索钢丝及其所处的2类腐蚀环境,对拉索节段进行了不同试验周期的CASS试验。基于不同腐蚀程度拉索钢丝表现出的腐蚀外观形貌,将拉索的腐蚀损伤过程分为4个阶段,并以此为依据将钢丝的锈蚀程度划分为6个等级。
4、通过试验研究与实桥检测对比分析,揭示了锚固区段拉索钢丝的腐蚀空间分布特征。剥除拉索表面PE护套及聚酯纤维带,将拉索钢丝散开,基于钢丝锈蚀分级对钢丝进行锈蚀等级评定后绘制拉索截面腐蚀程度空间分布云图;同时,结合MATLAB等图像处理软件对腐蚀钢丝图像进行灰度处理,得出了拉索钢丝的腐蚀空间分布特征,并通过与实桥检测结果对比,验证了试验结论的正确性。
5、开展了锈蚀拉索钢丝力学性能试验研究,通过对锈蚀拉索钢丝进行拉伸试验和断口形貌分析,揭示了钢丝表面腐蚀分布与钢丝强度、延性、断裂特征之间的关系。
6、提出了锚固系统拉索腐蚀损伤演化模型。基于多孔介质中的粒子扩散机理和拉索钢丝的间隙结构特征,分析了腐蚀因子在拉索钢丝间的扩散模式,应用Fick定律建立了拉索腐蚀因子扩散模型,并结合经典的钢丝锈蚀量计算模型,建立了拉索钢丝直径损失量计算模型。
7、结合实体工程开展了锚固系统拉索腐蚀损伤演化模型应用研究。介绍了拉索钢丝锈蚀损伤计算模型在拉索锚固系统实际检测评定工作中的应用流程,并以一工程案例为对象,利用MATLAB计算了一段时间内锚固系统内拉索腐蚀因子浓度分布及直径损伤量分布,得出了拉索锈蚀损伤的演化过程。