摘要
悬索桥跨越能力大，造型优美，是特大跨桥梁的首选桥型之一。山区悬索桥多采用隧道式锚碇，由于地下水资源丰富，锚室内经常存在围岩渗水和江水倒灌的现象，锚室内湿度较高，主缆索股所处的服役环境较为恶劣。在腐蚀环境与荷载耦合作用下，主缆索股易受到腐蚀疲劳损伤，危及悬索桥安全运营，因此研究悬索桥主缆索股的腐蚀疲劳损伤机理与长期性能，对保障悬索桥运营安全具有重要的理论意义与工程应用价值。本文在国家自然科学基金“随机荷载与环境耦合作用下斜拉索锚固系统腐蚀疲劳损伤机理与长期性能研究”（No.52178273）支持下，围绕服役条件下悬索桥主缆索股的腐蚀疲劳损伤行为与长期性能开展研究。主要研究工作和结论如下： （1）通过开展主缆索股钢丝的恒电流加速腐蚀实验，研究了高强镀锌钢丝和防腐涂层镀锌钢丝的腐蚀损伤模式及演化机理，揭示了防腐涂层对腐蚀损伤的抑制作用机理，分析了锈蚀钢丝力学性能和疲劳寿命的退化规律，并通过Weibull理论对钢丝疲劳实验结果进行了统计分析，建立了钢丝在不同腐蚀程度下不同失效概率的Pf-S-N曲线。实验研究发现镀锌钢丝腐蚀损伤演化过程分为五个阶段：阶段Ⅰ—钢丝完好阶段；阶段Ⅱ—镀锌层腐蚀，钢丝表面生成白色产物；阶段Ⅲ—铁基质开始腐蚀，生成黄色腐蚀产物；阶段Ⅳ—铁基质中度腐蚀，生成红色腐蚀产物；阶段Ⅴ—钢丝表面布满红色腐蚀产物，有蚀坑产生。防腐涂层钢丝腐蚀损伤演化过程表现为钢丝表面防腐涂层老化、破损，之后发生与镀锌钢丝相同的腐蚀历程。镀锌钢丝、防腐涂层钢丝最大失重率分别为3.31%、2.29%，对应的屈服荷载分别下降了4.73%、2.38%，极限荷载分别下降了4.83%、2.36%。防腐涂层对钢丝腐蚀损伤的抑制作用较为明显。 （2）通过Abaqus有限元仿真分析，模拟了带蚀坑锈蚀钢丝的空间应力分布规律，揭示了蚀坑大小和深度对应力集中效应的影响。研究发现蚀坑深度决定了钢丝应力集中的程度，相同深度的蚀坑尺寸越小应力集中效应越明显。锈蚀钢丝Fe-safe有限元模拟结果表明：蚀坑刚刚产生时，钢丝疲劳寿命迅速下降，但随着腐蚀程度的加深，钢丝寿命下降趋势逐渐减缓，钢丝疲劳寿命下降的敏感程度随着腐蚀损伤的增加逐渐变小。进一步在有限元数值分析结果基础上，基于断裂力学理论建立了锈蚀钢丝的疲劳寿命预测模型。 （3）通过Abaqus有限元仿真分析，结合锈蚀钢丝力学性能与Pf-S-N曲线，研究了锚固区段锈蚀索股和拉杆的空间应力分布规律和疲劳寿命，揭示了锚固区段主缆索股及拉杆腐蚀疲劳损伤模式与演化机理，发现索股锚头上方位置为疲劳寿命最低、最容易发生腐蚀疲劳损伤断裂的区域。通过对比分析拉杆锈蚀部位对空间应力分布及疲劳寿命的影响规律，发现拉杆螺栓下方和中部内侧的腐蚀损伤对拉杆疲劳寿命影响较大。 （4）通过层次分析法建立了悬索桥主缆锚固区段索股的长期性能指标体系，决定悬索桥锚固区段索股长期服役安全的关键指标为：力学性能（钢丝抗拉强度、钢丝腐蚀疲劳性能），防护性能（涂层附着力、涂层老化性能）。基于国内外桥梁长期性能研究、实验模拟结果及桥梁定期检测、健康监测、专项检测等方法，初步建立了悬索桥主缆锚固区段长期性能监测评估方法，为悬索桥安全运营提供了技术保障。
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