大氣腐蝕對白洋長江大橋鋼結構影響研究

朱文，周長泉，李聰，曾志遠，何雄君

(1.湖北省路橋集團有限公司，湖北 武漢 430056；2.湖北交投建設集團有限公司；3.武漢理工大學 交通學院)

在大跨鋼桁梁懸索橋的建造和設計中，腐蝕將降低鋼材的物理力學性能,進而導致鋼結構承載性能與抗震性能的退化,如何評估腐蝕鋼結構的耐久性問題已成為鋼結構領域的一項難題。自美國鋼桁梁懸索橋建造和控制系統發展100多年來，發生了多起因鋼結構的嚴重腐蝕導致的穩定系統失效，從而引起災難性的橋梁事故，因此，大氣腐蝕對大跨徑鋼結構橋梁的危害不容忽視。

近幾十年來，已有許多學者對這方面進行了研究。Larrabee-Cobum等在美國對270種鋼材進行了長達15.5年腐蝕研究，得出合金元素與大氣腐蝕因素等對鋼結構腐蝕影響的規律；Legault和Leckie等依據Larrabee等的長達15.5年270種鋼的大氣暴露數據，得到了腐蝕速率與鋼化學成分的定量關系；Kucera等在瑞典及捷克對鋼材進行了長達8年的暴露試驗；B.Chen等對一大型空間的鋼結構腐蝕情況進行了空間腐蝕承載損傷評估和可靠性監測；王國民等探索了埋入式平行鋼絲斜拉索梁端錨固區病害特征和機理，得出梁端錨頭和鋼絲等鋼結構在潮濕狀態比干燥狀態損傷嚴重；陳露等對于鋼結構濱海大橋輸電塔的承載能力進行了安全可靠性研究，利用有限元統計理論模型進行了可靠性分析，并且初步給出了安全可靠性評定的理論和方法；徐偉華分別對冪函數統計模型、極值統計模型理論、灰色系統數學理論、人工神經網絡等方法的可靠性進行了研究與隨機分析；楊波等根據已有的相關科學技術研究成果，提出了一種抗力隨時變連續衰減的波函數。

但是，以上研究主要集中在對當前使用狀態下鋼結構的腐蝕影響以及腐蝕規律的研究、不同大氣腐蝕試驗方法及其相關性、大氣腐蝕下鋼材和鋼構件的力學性能等，很少涉及對未來腐蝕鋼結構安全使用狀態的評估和安全使用預后。白洋長江大橋是一座鋼桁梁懸索橋，由于橋梁周圍化工廠擴建，環境污染嚴重，鋼結構的腐蝕是較為突出的問題。因此，有必要對白洋長江大橋在運營期內，承載力退化與大氣腐蝕之間的關系進行研究，考慮腐蝕對鋼結構截面積的損失影響，建立相應的有限元腐蝕模型，以便于對運營期間橋梁結構的受力行為進行準確評估。

1 工程概況

白洋長江公路大橋作為湖北省西部骨架高速公路網中一條規劃縱線的過江快速通道，它的建設和實施將在湖北鄂西地區形成最后一條直接溝通長江南北岸的雙向長江快速通道。大橋為一座主跨1 000 m的雙塔單跨懸索橋，主纜邊跨分別為276、269 m。懸索橋橫向的吊索標準間距為36 m，吊索與主纜在一個豎直平面內。主纜吊索順橋向間距15 m，主塔最近的橫向吊索距主塔交點中心線20 m，跨中最短吊索長度小于5 m。白洋長江公路大橋的橫向吊索主跨矢高與主塔的橫縱向吊索跨比，一般采用1/9.5，主纜中跨矢高為100 m，大橋立面如圖1所示。

圖1 橋梁立面圖(單位：m)

2 大氣腐蝕預測模型

鋼材的大氣腐蝕是因為鋼材長期暴露在惡劣的大氣環境中而自然發生的化學現象。在收集目前宜都地區的氣候特性及大橋環境后，考慮大氣腐蝕對于宜都地區鋼結構截面和力學參數影響時，采用冪函數形式的腐蝕數學模型，計算式為式(1)～(3)。另外考慮到腐蝕的隨機性，同時假設鋼結構構件截面均勻腐蝕。

D=Atn

(1)

A=A(0)+A(i)Y(i)

(2)

n=n(0)+n(i)Y(i)

(3)

式中：D為鋼材的腐蝕深度(mm)；t為鋼材在大氣中暴露時間(年)；A(0)和n(0)為常數；A(i)和n(i)為因子i的系數；Y(i)為因子i的數量。當因子為鋼的化學成分時，Y(i)為鋼的化學成分百分比含量。當因子為環境因素時，Y(i)為環境因子的平均值或累積量，如平均溫度。因子也可以是某個因素的乘方或某幾個因素的乘積，每個影響因素的系數值如表1所示。

經調取宜都地區歷年氣候統計資料得知：年平均相對濕度為81%，平均溫度為18 ℃，年平均降雨量為1 216 mm左右，年日照時間為1 883 h，二氧化硫含量平均為0.46 mg/(100 cm2·d)，氯離子含量為0.011 mg/(100 cm2·d)。鋼材為Q345D，其化學成分含量依據標準GB/T 1591—2008取值。

考慮到Q345D鋼的一些元素含量在某一范圍，為了求得相對不利的腐蝕結果，因此，對于某些有利于鋼結構腐蝕的部分鋼材成分取限值，對于一些抑制鋼結構腐蝕的部分鋼材成分數值取平均值或者取零值。依據文獻可計算出宜都地區A為0.06，n為0.65，得到宜都地區腐蝕深度與時間的關系如式(4)所示：

D=0.06t0.65

(4)

表1 影響因素的系數值

3 腐蝕構件的剩余截面分析

圖2為鋼桁架局部示意圖，通過分析可以得到大氣腐蝕對其構件(腹桿和弦桿)截面損失的計算公式，如表2中式(5)、(6)所示。

考慮到大氣腐蝕對鋼結構的時間效應，根據式(4)～(6)可以計算鋼結構中腹桿、弦桿截面積在100年內的變化，計算結果如表3所示。其中，鋼桁架的上下弦桿、上下橫梁均為弦桿截面形式，豎腹桿、斜腹桿均為腹桿截面形式。數據表明：在100年時，弦桿截面腐蝕損失達到了12%，腹桿截面腐蝕損失已經達到了15.2%。

圖2 鋼桁架截面局部示意圖

表2 大氣腐蝕對構件截面面積的影響計算式

表3 不同年限的腐蝕后構件截面面積

4 鋼結構懸索橋整體結構分析

4.1 全橋Midas/Civil模型

建立白洋長江大橋的有限元模型并進行靜力分析。Midas/Civil軟件中的懸索梁單元是使用最常用的一種模擬單元。因此，懸索橋上的鋼桁梁、橋塔以及懸索梁桁架上的橋墩使用Midas/Civil軟件中的懸索梁單元進行模擬。鋼桁架懸索橋的整個結構采用4種材料。主纜、吊桿的材料根據實際性能進行定義，橋塔和橋墩采用C50，鋼桁梁采用Q345D，材料參數見表4。白洋長江大橋Midas/Civil有限元模型如圖3所示。全橋共包含2 594個節點，5 543個單元。橋梁模型考慮了恒載、活荷載、風荷載、溫度荷載、制動力荷載以及相應荷載組合，建立了3種荷載組合(表5)。

4.2 大氣腐蝕對全橋應力影響分析

在Midas/Civil有限元模型中，輸入表3中每10年一個階段的腹桿和弦桿的截面積數據，其中，鋼桁架的上下弦桿、上下橫梁均為弦桿截面形式，豎腹桿、斜腹桿均為腹桿截面形式，可以得到表5中3種靜力荷載組合下，100年內全橋整體結構應力狀態。在荷載組合1和最不利荷載組合作用下，上弦桿、下弦桿、上橫梁、下橫梁、豎腹桿、斜腹桿在運營期間的應力變化如圖4～9所示。

表4 材料參數

表5 3種荷載組合

圖3 白洋長江大橋全橋模型

圖4 上弦桿應力變化圖

圖5 下弦桿應力變化圖

圖6 上橫梁應力變化圖

圖8 豎腹桿應力變化圖

圖9 斜腹桿應力變化圖

由圖4～9可知:① 上弦桿的拉應力和壓應力曲線在組合1和最不利組合下隨年限變化不明顯，組合1中上弦桿的拉應力、壓應力在100年時分別增加了8.0%、9.0%，最不利組合中上弦桿的拉應力、壓應力在100年時分別增加了7.2%、7.1%；② 組合1中下弦桿的拉應力、壓應力在100年時分別增加了7.5%、10.4%，最不利組合中下弦桿的拉應力、壓應力在100年時分別增加了5.4%、7.4%；③ 組合1中上橫梁的拉應力、壓應力在100年時分別增加了9%、11.0%，最不利組合中上橫梁的拉應力、壓應力在100年時分別增加了11.1%、10.9%；④ 組合1中下橫梁的拉應力、壓應力在100年時分別增加了12.3%、11.1%，最不利組合中下橫梁的拉應力、壓應力在100年時分別增加了11.7%、13.2%；⑤ 組合1中豎腹桿的拉應力、壓應力在100年時分別增加了18.0%、16.5%，最不利組合中豎腹桿的拉應力、壓應力在100年時分別增加了24.1%、16.5%；⑥ 組合1中斜腹桿的拉應力、壓應力在100年時分別增加了15.2%、25.4%，最不利組合中，斜腹桿的拉應力、壓應力在100年時分別增加了14.7%、23.0%。

通過對以上有限元模擬結果分析，可以得到：在組合1和最不利荷載組合中，下弦桿、上橫梁、下橫梁、豎腹桿、斜腹桿的拉應力和壓應力變化曲線較上弦桿趨勢明顯，其中，豎腹桿、斜腹桿應力曲線增加趨勢最大。整體來說，大氣腐蝕提高了全橋的應力等級，使橋梁在服役過程中，向越來越不利于自身安全狀態的應力方向發展。

5 結論

通過建立宜都地區大氣腐蝕預測模型，以及Midas/Civil有限元模型，研究了白洋長江大橋鋼結構在運營100年期間受大氣腐蝕影響下，全橋結構應力變化規律，得到以下結論：

(1)根據宜都地區的氣候和大氣狀況，得到了相應的大氣腐蝕預測模型，根據腐蝕預測模型得到了100年白洋長江大橋鋼桁梁的弦桿和腹桿截面變化數據，數據表明：在100年時，弦桿截面腐蝕程度達到了12%，腹桿截面腐蝕的程度達到了15.2%。

(2)通過分析模型計算結果得知：上弦桿的拉應力和壓應力曲線，在組合1和最不利荷載組合下隨腐蝕年限增加的變化不明顯，雖然鋼結構應力在增加，但增加趨勢比較小，說明大氣腐蝕對上弦桿的應力變化影響較??；豎腹桿和斜腹桿的應力變化受大氣腐蝕影響最大。

(3)大氣腐蝕對鋼構件的截面積損失影響較大，從而造成運營期間結構整體應力水平增加，對橋梁的安全狀態產生威脅，因此大氣腐蝕問題不容忽略。建議在橋梁設計及運營期間加強鋼結構防腐蝕設計和表面防護涂層管養意識，以延長橋梁的正常使用壽命。