跨海斜拉桥BFRP拉索多因素耦合作用长期性能预测分析

杨亚强,张陈晨,詹 瑒,吴东岳,袁平平,潘志宏

(1.江苏科技大学 土木工程与建筑学院, 镇江 212100)

(2.南京工程学院 建筑工程学院, 南京 211167)

近年来我国重大跨海通道的大规模建设中,跨度大、受力良好、建造成本低的大跨斜拉桥被广泛采用.但随着跨海斜拉桥跨度的增加,传统钢拉索自重大、垂度效应明显、承载效率下降严重等问题凸显.同时海洋腐蚀环境及复杂荷载作用下,钢拉索腐蚀、退化严重,严重威胁海洋桥梁结构的安全和服役性能[1],亟需一种高性能、高耐久、轻量化的新型材料拉索替代传统钢拉索,满足跨海斜拉桥结构性能与长期服役性能的需求.利用轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀的纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)制备大跨斜拉桥拉索,能够发挥FRP材料的性能优势,增大跨海斜拉桥的跨径、提高桥梁的承载效率、延长结构的使用寿命,为实现跨海斜拉桥的轻量化、高耐久、长寿命目标提供了有效的途径[2].碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)由于其优异的力学与化学性能成为跨海斜拉桥拉索制备材料的首选,但是居高不下的材料成本限制了CFRP拉索在大跨斜拉桥中的推广应用[3],为了兼顾跨海斜拉桥的力学性能与经济性能,对其他FRP材料制备斜拉桥拉索的可行性进行了研究,研究结果表明,相比其他FRP材料,玄武岩纤维复合材料(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)取材天然广泛,生产成本较低,同时抗拉强度高、延伸率大、抗疲劳性能优、化学稳定性高、长期性能优异[4],同时生产流程简单、能耗低、污染少,成为最具潜力的跨海斜拉桥拉索制备材料之一.

随着跨海斜拉桥设计使用寿命的增加以及沿海地区海洋环境的不断恶化,FRP拉索的长期性能研究与寿命预测分析成为跨海斜拉桥结构设计与维护的关键.既有研究主要基于人工加速试验数据结合力学退化模型开展FRP材料的长期性能预测[5],目前人工加速试验包括酸溶液腐蚀加速试验、碱溶液腐蚀加速试验、盐溶液腐蚀加速试验、紫外线加速老化试验、干湿老化加速试验、冻融循环加速试验等,常用的寿命预测模型包括Arrhenius模型[6]、Fick模型[7]以及基于强度保留率的时变模型[8]等.当BFRP拉索替换钢拉索应用跨海斜拉桥时,FRP拉索受到预应力的作用,一直处于高应力工作状态,相关研究表明在“高应力”与“盐溶液腐蚀”的协同作用下,BFRP拉索的力学性能退化加剧,预测使用寿命缩短[9].但实际服役环境下,跨海斜拉桥的拉索在长期服役过程中受到盐雾、紫外线、湿热、降水等环境因素与预应力荷载因素的耦合作用,多因素的耦合作用将对BFRP拉索的长期性能与使用寿命产生重大影响,现有的力学性能退化模型无法直接用于分析多因素耦合作用下跨海斜拉桥BFRP拉索的长期性能,需要设计并开展能够模拟跨海斜拉桥实际服役环境的人工加速老化试验,同时利用加速试验数据建立BFRP拉索长期性能的寿命预测模型.

为了合理评估实际服役环境下跨海斜拉桥BFRP拉索的长期性能,文中基于IEC多因子老化试验方法设计并开展了BFRP拉索的多因素耦合耐久加速试验,通过测试多因素耦合作用下BFRP拉索的基本力学性能,分析多因素耦合作用下BFRP拉索的力学性能退化规律,并基于试验结果提出了多因素耦合作用下BFRP拉索的寿命预测模型,对实际服役环境下BFRP拉索的长期性能进行预测评估.

1 BFRP拉索多因素耦合耐久试验

1.1 BFRP拉索多因素耐久试验方法

实际服役情况下,跨海斜拉桥拉索主要承受成桥索力、交通荷载以及外部严酷海洋环境的协同作用,影响因素包括预应力、太阳辐射、空气中腐蚀氯离子、雨水以及湿热催化等.为了准确评估应用于跨海斜拉桥BFRP拉索的长期性能与使用寿命,需要开展能够较全面模拟跨海斜拉桥的真实多因素老化运行条件的人工加速老化试验.IEC多因子老化试验法能够合理考虑多个影响因素[10],模拟实际复杂老化环境,而广泛应用于电气工程元器件的耐久性、可靠性研究中.文中基于IEC(international electrotechnical commission)多因子老化试验法,结合跨海斜拉桥的实际服役环境,设计了BFRP拉索的多因素耦合耐久性试验,如表1.该实验将一天分为12个阶段,作为一个循环周期.实际服役情况下,荷载影响因素索力以及环境加速因素温、湿度始终存在,因此整个循环过程中预应力与温湿度一直发生作用.由于海洋气候的变化,紫外线、盐雾以及降水等环境影响因素则交替发生作用:太阳出现,紫外线发生作用,同时温度随之升高;温度升高到一定程度,海水蒸发出现盐雾,遮挡太阳,紫外线无法透射大气,紫外线停止作用,盐雾开始发生腐蚀老化;雾气不断凝结再加上空气中的水分子凝聚,然后开始降水,紫外线与盐雾停止作用,只有雨水发生作用;然后紫外线、盐雾与雨水继续交替发生作用.一个循环结束后,进入下一个循环.

1.2 BFRP拉索试验试样、设备与试验方案

现阶段FRP拉索由FRP筋材按照一定的方式排列组合而成,因此FRP拉索的长期性能通常通过FRP筋材的耐久性试验评估预测[11].选取常用的直径4 mm的BFRP筋材作为研究对象开展多因素耦合耐久性试验,试验用筋材中玄武岩纤维体积含量大于80%,参照ACI 440.3R-04规范制作试验试样[12],如图1.

图1 BFRP拉索试样台

采用多因素耦合老化试验箱中开展BFRP拉索的多因素耦合耐久试验,如图2(a).该试验箱综合配备紫外线、喷洒淋头(可喷洒盐雾与雨水)以及加热保温装置,能够在保持环境温湿度的条件,模拟紫外线、盐雾与降水的作用.为了能够保持BFRP拉索的索力,设计并制作了拉索张拉架,如图2(b).

图2 BFRP拉索试件及多因素耦合老化试验箱

为研究BFRP拉索多因素耦合作用下基本力学性能退化的规律,分别开展了不同老化作用时间下的多因素耦合耐久性试验,如表2.根据ACI 440.3R-04规范的要求,每组试验均包括3个及以上的有效数据.

表2 多因素耦合耐久性加速试验编组及参数

2 多因素耦合作用下BFRP拉索力学性能试验结果

利用万能试验机逐次开展BFRP拉索的基本力学性能试验,测试多因素耦合作用下BFRP拉索的拉伸强度以及弹性模量等力学性能指标,相应试验结果列于表3中,多因素耦合作用下BFRP拉索基本力学性能的变化曲线如图3.由图可知,多因素耦合老化作用下BFRP拉索的抗拉强度退化明显,最大降幅可达35.57%.整个多因素耦合作用过程中,初始阶段(耦合作用老化120 h)BFRP拉索的降幅最大,最大降幅为32.54%.之后的老化过程中,BFRP拉索抗拉强度的降低幅度很小,变动范围在1.70%与1.98%之间.多因素耦合作用下BFRP拉索的弹性模量整体呈下降趋势,但下降较小,降低幅度均小于6%,变化规律却不明显.随着多因素耦合作用时间的增加,BFRP拉索的断裂应变呈现逐渐下降的趋势.

表3 多因素耦合试验BFRP拉索基本力学性能试验结果

图3 多因素耦合作用下BFRP拉索基本力学性能的退化曲线

3 多因素耦合作用下BFRP拉索长期性能预测

退化模型是根据实验室中短期人工加速条件下试验数据评估实际使用条件下结构退化程度与使用寿命的理论基础,目前FRP材料长期性能预测常用的退化模型包括Arrhenius模型[6]、Fick模型[7]以及Eyring模型[12]等,其中Arrhenius模型由于理论清晰、方法简单,广泛应用于FRP材料的长期性能预测分析中.

然而受限于温度单一加速因子的情况,Arrhenius模型无法对多因素作用下结构的退化程度与使用寿命进行预测评估,针对多因素耦合作用下BFRP拉索的长期性能问题,文中采用改进的Arrhenius残余强度衰减模型[13]对多因素耦合作用下BFRP拉索的长期性能进行预测.该模型基于强度保留率试验结果与老化作用时间的对数线性关系,通过人工加速试验结果预测多因素耦合作用下BFRP拉索的长期性能,如:

Y=alg(t)+b

(1)

式中:Y为强度保留率,%;a和b为试验结果拟合的回归常数.

根据残余强度衰减模型分析BFRP拉索多因素耦合耐久试验结果,可得BFRP拉索的强度保留率与老化作用时间对数的拟合曲线,如图4.从图中可知各组数据大致呈平行关系,证明不同温度作用下BFRP拉索的损伤退化机理一致,符合改进Arrhenius模型应用条件,可以应用该模型对多因素耦合作用下BFRP拉索的长期性能进行预测.由BFRP拉索的强度保留率与老化作用时间对数的拟合关系,通过回归分析得到Arrhenius残余强度衰减模型中的常数a、b列于表4中.

表4 多因素耦合作用下BFRP拉索残余强度衰减模型的拟合系数

图4 多因素耦合作用下BFRP拉索的残余强度衰减模型

根据35 ℃、50 ℃条件下BFRP拉索残余强度的衰减模型及拟合关系式,可以得到多因素耦合作用于BFRP拉索一定时间后不同温度对应的强度保留率,表5中分别列出了多因素耦合作用于BFRP拉索1、5、10、20、30及50 a时不同温度(开氏温度,K)所对应的强度保留率,以实验开氏温度的倒数(1 000/K)为横坐标,以强度保留率为纵坐标,绘制多因素耦合作用一定时间后BFRP拉索的强度保留率与温度的关系图,如图5.

表5 BFRP拉索多因素耦合作用特定时间不同温度对应强度保留率

图5 BFRP拉索多因素耦合作用一定时间强度保留率与温度关系曲线

从图5中可知多因素耦合作用一定时间时,BFRP拉索的强度保留率与温度呈线性关系,利用线性关系式2对上述结果进行拟合(式2中A,B为拟合回归参数),可以得到多因素耦合作用一定时间时BFRP拉索的强度保留率与温度的关系式参数,如表6.

表6 BFRP拉索不同老化时间下的强度保留率预测结果

(2)

根据拟合得到的关系式,可以分析得到BFRP拉索在一定多因素耦合作用时间时某一温度所对应的强度保留率,表6列出了30 ℃时多因素耦合作用1、5、10、20、30、50 a时BFRP拉索的强度保留率,分析结果表明,跨海斜拉桥BFRP拉索服役1 a时,强度保留率降幅最大(约20.64%),之后强度保留率虽然随着服役时间的增加逐渐减小,但降幅却大幅缩减.上述结论与BFRP拉索多因素耦合人工加速老化试验结果一致,证明残余强度衰减模型能够较准确地对BFRP拉索的长期性能.预测结果还表明跨海斜拉桥50 a实际服役条件下,BFRP拉索的拉伸强度约为初始拉伸强度的71.42%,因此BFRP拉索应用跨海斜拉桥能够有效提升海洋环境下大跨桥梁的长期性能.

4 结论

通过BFRP拉索的多因素耦合耐久加速试验与基本力学性能试验,讨论了多因素耦合作用下BFRP拉索的力学性能变化规律,基于Arrhenius残余强度衰减模型评估了实际服役环境下BFRP拉索的长期性能,主要得到以下结论:

(1) 基于IEC多因子老化试验方法,将多因素耦合耐久试验分为12个阶段,根据跨海斜拉桥实际服役环境,设计了BFRP拉索多因素耦合耐久性试验方案.

(2) 不同多因素耦合条件下BFRP拉索的基本力学性能试验结果表明:多因素耦合老化作用下BFRP拉索的抗拉强度退化明显,且初始阶段BFRP拉索的降幅最大;而BFRP拉索的弹性模量与断裂应变均随作用时间的增加而下降,但弹性模量的降幅较小.

(3) 根据残余强度衰减模型与人工加速试验结果,分析得到了多因素耦合作用下BFRP拉索长期性能预测关系式,评估了某一温度不同多因素耦合作用时间下BFRP拉索的强度保留率,结果表明,实际服役环境下50年内BFRP拉索的强度保留率大于71%.