浅析镀锌平行钢丝拉索损伤机理

朱子昂

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400000)

浅析镀锌平行钢丝拉索损伤机理

朱子昂

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400000)

斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一，斜拉桥较大的跨越能力得益于斜拉索将主梁和桥面重量以及可变荷载荷载直接传递到主塔上，由此受力机理可知，斜拉索是一座斜拉桥所有构件中的重中之重。索系统由于长期暴露于自然环境中，极易受到腐蚀，鉴于斜拉桥拉索腐蚀的危害性，开展斜拉桥腐蚀损伤机理的研究就很有必要。本文以细观损伤力学为研究手段，并结合断裂力学强度准则，论述分析了境腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀各自的损伤理论，详细研究了疲劳腐蚀的特征、现存主要理论及其内在机理，对拉索损伤研究有重要的意义。

镀锌;平行钢丝;拉索损伤机理

一、引言

斜拉桥主要由主梁、索塔、和斜拉索三大部分组成。斜拉索作为斜拉桥的主要承重结构，被人们称作“生命索”。虽然斜拉桥的跨度在随着科学技术的进步不停的增大，但是人们对斜拉桥拉索的腐蚀问题了解的却远远不够深入。目前，在国内外大跨径斜拉桥中的拉索主要采用平行镀锌高强钢丝拉索，即在拉索表面镀一层不小于300g/m2的锌，利用原电池原理延缓钢丝内部基质的腐蚀。在斜拉索经过若干年的服役期后，由于各种原因进入拉索内部的腐蚀性介质会首先与锌反应而逐渐消耗镀锌层，最终会首先在镀锌层薄弱区域接触到拉索基质铁，从而进一步腐蚀拉索，造成拉索损伤。

二、基于细观损伤力学的有效模量分析

细观损伤一般指孔洞、微裂纹、夹杂物、脆性相等材料内部的不均匀性。对这些影响细观损伤的成核机制、演化规律以及它们对材料力学行为的影响是损伤力学研究的课题。细观损伤力学是从材料的细观结构出发，对受损的微观机制加以区分，通过物理和机械过程微观结构变化的研究来了解材料的破坏，并通过体积平均化的方法从细观分析结果导出材料的宏观力学性质。细观损伤力学的研究尺度介于连续介质损伤力学与微观力学之间，使用连学介质力学和材料力学的一些方法，对上述两种尺度之间的细观结构如微孔洞、微裂纹、晶界等进行力学描述。细观损伤力学一方面忽略了过于复杂的微观物理损伤，另一方面包含了不同材料的细观损伤的损伤变量的几何和物理特征，为损伤变量和演化方程提供了一个更清晰的物理背景的。

平行钢丝在损伤后其内部表现为晶格间滑移错动，导致钢丝某些性能的不均匀性；外部损伤表现为在钢丝表面存在较多的蚀坑，钢丝横截面积减少并损失部分重量。由于钢丝腐蚀仅会发生在钢丝表面，故内部的晶格错动并不会受到外界腐蚀环境的影响；而局部的晶格错动会导致钢丝表面电化学性不均匀性，从而会加速钢丝表面的化学腐蚀。由此可知，宏观的腐蚀包含了疲劳致损伤，而钢丝内部的细观损伤却仅仅由疲劳应力导致；而钢丝的宏观损伤可由一些简单的实验观测手段获得。因此，把分析钢丝的表观损伤作为研究其腐蚀疲劳机理的一种手段合理、可行。

三、环境腐蚀

在腐蚀性介质中，镀锌钢丝的表面层将首先与腐蚀性介质发生氧化还原反应，并最终使所镀锌涂层和内部基质中离子的形式与其他物质结合，以产生腐蚀产物，从而改变平行钢丝的表面形状和机械性能。拉索的腐蚀都是由最初肉眼不可见得微小点蚀开始的。这些点蚀的形成可分为点蚀的成核和点蚀的生长两个阶段过程。蚀核能够在光滑的金属表面形成，更易在含夹杂物、钝化膜破裂和物质内部晶体缺陷处形成。多数情况下，形成的蚀核长至一定的临界尺寸(一般孔径大于30um)时，便会出现宏可见的蚀坑。当介质中含有一定量氯离子，由于存在原电池反应，钢丝表面镀锌层“变薄”点会首先形成点蚀。随着阳极的金属介质被不断腐蚀，最终蚀核发展成蚀坑。钢丝锈蚀本质上是以金属为阳极的腐蚀原电池反应。

四、应力腐蚀

应力腐蚀是处于腐蚀环境中的材料在受到持续稳定的应力后产生滞后裂纹甚至滞后断裂的现象。在单纯应力作用下材料处于安全使用状态，随着时间的积累，腐蚀程度逐渐严重，导致材料的应力集中效应明显，严重降低其安全性能和使用寿命。应力腐蚀是大气环境中普遍存在的一种损伤失效形态，它具有以下一些特征：

①必须有足够大的应力参与

②应力腐蚀破裂只有在特定的合金—环境中才会发生，并非任意金属材料在任何腐蚀环境中都会产生应力腐蚀损伤[43]。

③发生应力腐蚀时，材料的裂纹扩展速度一般在10-3-10-6mm/min范围，这一速度远大于没有应力时的环境腐蚀速度，又远小于单纯的力学因素引起的断裂速度。

应力腐蚀发生的三个主要理论是：晶粒边界的优先溶解(即阳极溶解)；晶界吸收氢原子，使晶间结合力下降导致开裂；钝化膜破膜理论。不过对于高强度合金(如平行钢丝)，应力腐蚀机理主要为阳极溶解型开裂己被广泛接受。

五、腐蚀疲劳

腐蚀疲劳是由交变应力(周期应力)和腐蚀环境的共同作用引起的结构件提前开裂或断裂失效的现象。拉索的腐蚀疲劳除了具有常规疲劳的特征以外，还具有一些与环境因素相关的特殊性质。影响腐蚀疲劳的众多因素中，包括冶金、材料、环境、应力、时间、温度等，其中任何一个因素的变化都会对腐蚀疲劳的结果产生影响。与应力腐蚀和环境腐蚀相比，金属的腐蚀疲劳没有环境方面的选择性，几乎所有的金属在任何腐蚀环境中都不可避免地会发生疲劳腐蚀。

腐蚀疲劳的机理根据腐蚀环境的不同可分为气相腐蚀疲劳机理和液相腐蚀疲劳机理。气相腐蚀疲劳又称干腐蚀疲劳，是指在干燥的气体介质中发生的疲劳现象。液相腐蚀疲劳又称湿腐蚀疲劳，是指金属在电解质溶液尤其是在含水的溶液介质中发生的疲劳现象。对腐蚀疲劳过程的认识可以从两个方面加以理解：一是环境中的腐蚀介质如何加速了裂纹的萌生和扩展；二是循环应力又如何促进腐蚀过程的发展。相关研究也表明循环应力和腐蚀介质对拉索的损伤并不是简单线性叠加关系，而是存在相互促进的耦合作用。腐蚀介质、交变应力对材料的交互作用在过程各个阶段所起作用是不同的。目前对腐蚀疲劳的机理仍有不少争论，比较流行的观点是点蚀、选择性电化学侵蚀、保护膜破裂、介质吸附和氢致开裂等。

六、结束语

斜拉索作为斜拉桥的重要构件，由于长期暴露于自然环境中，加之动态荷载效应的交替作用，必然会产生损伤。而当损伤积累到一定程度时，则会对其它相邻构件产生影响，威胁斜拉桥结构的安全运营。为了保证斜拉桥结构运营期间的安全，因此有必要对斜拉索腐蚀疲劳损伤机理进行研究，开展腐蚀损伤拉索性能评价方法研究，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。

[1]王文涛.斜拉桥换索工程[M].人民交通出版社,2006

[2]温文峰.缆索高强钢丝腐蚀疲劳性能研究[D].江苏:河海大学,2008

[3]乔利杰,王燕斌,诸武扬.应力腐蚀机理[M].科学出版社,1993

[4]苏达根,韩大建,谭哲东等.斜拉桥拉索钢丝腐蚀失效研究[J].华南理工大学学报:自然科学版,2008(8)

[5]缪长青,孙传智,陈亮.大跨桥梁缆索构件环境腐蚀当量关系研究[J].水利与建筑工程学报,2010,8(006):5-7

朱子昂(1991-)，男，汉，陕西省西安市，硕士在读，重庆交通大学土木工程学院，研究方向：桥梁工程。