多因素耦合作用跨海斜拉桥BFRP拉索力学性能及损伤机理研究

摘"要： 为了研究多因素耦合作用下跨海斜拉桥玄武岩纤维增强复合材料（basalt fiber reinforced polymer，BFRP）拉索的长期服役性能，通过调研我国跨海斜拉桥所处典型地区的海洋气候环境，分析了跨海斜拉桥BFRP拉索长期服役性能的关键影响因素.基于IEC（international electrotechnical commission）多因子耐久试验方法，并结合我国跨海斜拉桥的实际服役环境，提出了一种跨海斜拉桥BFRP拉索的预应力-紫外线-湿热-降水-盐雾多因素耦合耐久性试验方法.基于多因素耦合耐久性试验方法，开展了跨海斜拉桥BFRP拉索的多因素耦合耐久性试验及基本力学性能测试，分析了多因素耦合作用下BFRP拉索的力学性能退化规律，并通过微观结构分析阐述了多因素耦合作用下BFRP拉索的损伤失效机理.实验结果表明：多因素耦合作用能够显著加速BFRP拉索力学性能的退化，且早期性能下降明显，温度对其性能退化的加速作用较大，BFRP拉索弹性模量下降幅度较小且无明显规律.多因素耦合作用主要通过损伤纤维/树脂界面影响BFRP拉索力学性能的退化.

关键词： 跨海斜拉桥；BFRP拉索；多因素耦合耐久性；性能退化；损伤失效

中图分类号：U443.38"""文献标志码：A"""""文章编号：1673-4807（2024）04-065-07

Mechanical property and damage mechanism study of BFRP cables oncross-sea cable-stayed bridge under multi-factor coupled action

YANG Yaqiang， ZHOU Zixian ， GUAN Yanlin， XU Dan， SHEN Hao， JIANG Zonghao

（ School of Architecture and Civil Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

Abstract：Basalt fiber reinforced polymer （BFRP） cables provide an effective way to construe the cross-sea cable-stayed bridges with high performance， long life and light weight， due to their superior mechanical and chemical properties， such as the high strength-to-weight ratio， anti-corrosion properties， fatigue-resistance and high-cost performance. To investigate the long-term service performance of BFRP cables of cross-sea cable-stayed bridges under multi-factor coupled effects， this paper summarizes the key factors affecting the long-term service performance of BFRP cables of cross-sea cable-stayed bridges according to an in-depth investigation of the marine climate environment in typical coastal areas of China. Based on International Electrotechnical Commission （IEC） multi-stress test procedure and service environment of cross-sea cable-stayed bridges， a new method for multi-factor coupled durability test of BFRP cables was proposed （Prestress-Ultraviolet-Temperature-"Humidity Cycles-Precipitation-Salt Fog coupled durability test）. Based on the proposed method， the multi-factor coupled durability tests and basic mechanical properties tests of BFRP cable were conducted. According to the test results， the degradation behavior of mechanical properties of the BFRP cables was analyzed. And the damage and failure mechanism of BFRP cable under multi-factor coupled action were expounded by the microstructure analysis. The results of this study indicate that the multi-factor coupled action can significantly accelerate the degradation of the basic mechanical performance. And the mechanical performance properties decline more pronounced during the early stage. Compared with other factors， the temperature plays a bigger role in accelerating the performance degradation. The elastic modulus of BFRP cable under multi-factor coupled action decreases slightly without distinct regularity. The microstructure of the BFRP cables shows that the multi-factor coupled action has an influence on the mechanical degradation through damaging the interface between the fiber and the matrix.

Key words：long-span cable-stayed bridge，BFRP cables，multi-factor coupled durability，performance degradation，damage failure

随着港珠澳大桥、胶州湾大桥、杭州湾大桥和平潭海峡公铁大桥的建成，跨海斜拉桥的跨径不断增加，自重大、垂度效应明显的传统钢拉索由于受到施工挂索与经济性能的影响将跨海斜拉桥的跨径限制在1 300 m［1］.同时，严酷的海洋气候环境以及复杂的荷载作用导致钢拉索的长期服役性能退化，严重威胁斜拉桥的安全与使用寿命，亟需一种轻质高强、抗疲劳、高耐久的新型材料拉索替代钢拉索建造跨径更大、性能更优的斜拉桥.纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer，FRP），由于具有轻质高强、抗疲劳、高耐久、施工便捷等特点，近30年被广泛地应用于结构加固与修复等土木工程领域中，利用FRP材料制备拉索，是FRP材料最有效的应用方式之一，FRP拉索替代传统钢拉索应用于跨海斜拉桥，能够突破跨海斜拉桥的跨越和耐久瓶颈，实现跨海桥梁结构轻量化、高性能、长寿命的目标［2］.

目前应用于斜拉桥的FRP拉索包括碳纤维复合材料拉索（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）、芳纶纤维复合材料拉索（aramid fiber reinforced polymer，FRP）以及玄武岩纤维复合材料拉索，其中CFRP拉索由于优异的力学与化学性能成为大跨斜拉桥斜拉索的首选［3-4］，但是高昂的材料成本（约为传统钢拉索的13倍）限制了CFRP拉索的大规模应用［5］，AFRP拉索的长期蠕变性能较差，且成本与CFRP拉索接近，亦不适宜在跨海斜拉桥中推广应用［6］.而由天然玄武岩制备而成的BFRP拉索，成本仅为CFRP拉索的1/10～1/6，且生产过程中无二氧化碳等气体排放，具备优异的长、短期力学性能，是一种适用于跨海斜拉桥的新型绿色高性能拉索［7］.既有研究表明，BFRP拉索应用于跨海斜拉桥能够实现多根、大直径、大吨位拉索的锚固［8-10］，降低拉索风致振动的敏感度，实现拉索自身阻尼性能的智能调节［11］，能够满足跨海斜拉桥拉索的基本力学性能要求［12］.

海洋环境下高耐久性是高性能FRP材料的优势所在，但现阶段针对BFRP拉索/筋材耐久性研究大多仅考虑单一环境因素［13］或单一环境因素与荷载两种因素的影响［14-15］，但在跨海斜拉桥实际情况下，BFRP拉索是在盐雾、紫外线、湿热、降水等环境因素与预应力荷载等多因素耦合作用下长期服役，因此仅考虑环境因素或单一环境/荷载因素的耐久性研究并不能反映跨海斜拉桥BFRP拉索的真实耐久性能，需要考虑多因素耦合作用开展BFRP拉索的耐久性研究.文中针对我国跨海斜拉桥拉索服役的复杂环境，通过对跨海斜拉桥地区海洋气候环境的深入调研，总结影响跨海斜拉桥BFRP拉索长期服役性能的关键影响因素，提出了适用于跨海斜拉桥BFRP拉索的多因素耦合耐久性实验方法，设计并开展了多因素耦合作用下BFRP拉索的耐久性试验，通过宏观力学与微观结构分析揭示了多因素耦合作用下BFRP拉索的损伤退化机理，为BFRP拉索跨海斜拉桥的长期服役安全性提供设计依据.

1"我国跨海斜拉桥地区海洋气候环境

目前我国已建成的跨海斜拉桥包括：港珠澳跨海大桥、胶州湾跨海大桥、杭州湾跨海大桥、东海大桥、泉州湾跨海大桥、舟山跨海大桥、嘉绍大桥、南澳大桥、厦漳跨海大桥以及平潭海峡公铁大桥.为了分析不同区域跨海斜拉桥地区的海洋气候环境，选择了高、中、低3个典型纬度区域的跨海斜拉桥为研究对象，由高到低纬分别为：胶州湾跨海大桥、杭州湾跨海大桥和港珠澳跨海大桥［16-21］.上述跨海斜拉桥地区2012年至2020年的气候变化情况如图1，从图中可知，我国跨海斜拉桥所在地区四季温度变化范围为7.01～30.69 ℃；降水量偏大，降水时间较长；光照时间长，紫外线辐射强度范围为2.68～29.55 W/m2；海水浓度变化较小，基本稳定在30.5‰～33.72‰范围内.

我国跨海斜拉桥所在地区平均气温在零度以上且空气湿度较大，在一定温、湿度条件下，水气压力增大，逐步向BFRP材料内部扩散，减弱BFRP材料分子间的作用力，上述湿热情况将对BFRP拉索的耐久性造成重要影响；同时上述沿海地区降水量大、降水时间长，而BFRP材料吸收水分后，纤维与基体间黏合作用减弱，导致BFRP材料的力学性能下降，因此降水对BFRP拉索长期服役性能的影响不容忽视；跨海斜拉桥区域太阳辐射强、紫外线强度高，而BFRP拉索在吸收紫外线后将发生一系列的光催化反应，导致BFRP拉索性能的严重退化，因此紫外线是影响BFRP拉索耐久性能的重要环境因素；海水的激烈扰动、风浪的破碎、海浪的拍岸将在跨海斜拉桥地区形成含盐微小液滴的盐雾，盐雾中的氯离子将破坏纤维/树脂界面的化学键，导致BFRP材料性能的损伤退化，因此盐雾与FRP拉索的耐久性联系密切；此外服役情况下跨海斜拉桥的拉索一直处于高预应力工作状态，高应力将导致BFRP材料微裂纹的生成与扩展，加速海洋环境中水汽、氯离子等对BFRP拉索的侵蚀，因此预应力是影响BFRP拉索耐久性能的关键荷载因素.

2"跨海斜拉桥BFRP拉索多因素耦合耐久性试验方法

基于我国跨海斜拉桥地区海洋气候环境的调研与影响因素分析，影响跨海斜拉桥BFRP拉索耐久性的关键因素包括湿热、降水、紫外线、盐雾以及预应力.在实际服役环境中，跨海斜拉桥BFRP拉索长期工作在湿热-降水-紫外线-盐雾-预应力等多因素的耦合作用下，与单一环境因素作用或单一环境因素-荷载因素协同作用的BFRP材料相比，跨海斜拉桥BFRP拉索的性能退化更加明显，根据单一环境因素或单一环境因素-荷载因素耐久性试验所得的数据对BFRP拉索的性能进行分析，将导致分析结果与实际结果存在一定的偏差，为了提高试验结果与实际情况的相关性，需要设计一种能够模拟多因素耦合作用下跨海斜拉桥BFRP拉索的耐久性试验方法.

文中基于IEC多因子老化试验方法［22］并结合跨海斜拉桥BFRP拉索的实际服役环境，提出一种预应力-紫外线-湿热-降水-盐雾多因素耦合耐久性试验方法.该方法以一天为一个循环周期，一个周期可分为4个、6个、8个或12个阶段.为了更全面兼顾多个影响因子，采用一个循环周期12个阶段的试验方法，每个阶段2 h.实际服役环境下跨海斜拉桥BFRP拉索始终处于受拉状态，BFRP拉索的预应力始终存在，因此整个循环过程中，预应力始终产生作用.温度作为加速因子在整个循环过程中亦一直产生作用.实际气候条件下，太阳辐射时盐雾浓度较低，降水亦不会发生；而跨海斜拉桥地区出现盐雾时，太阳辐射的紫外线无法透射到地球表面；降水时，一般无紫外线辐射，盐雾浓度也相对降低，因此降水、盐雾、紫外线3个影响因素交替对下跨海斜拉桥BFRP拉索产生作用，每个影响因子的作用时间根据实际自然环境的统计结果设定.

根据我国跨海斜拉桥所处典型地区海洋气候环境的调研结果，结合预应力-紫外线-湿热-降水-盐雾多因素耦合耐久性试验方法，跨海斜拉桥BFRP拉索的多因素耦合耐久性试验方案如表1，表中空白阶段表示相关影响因子不发生作用，表1为BFRP拉索多因素耦合耐久性试验的一个周期，各影响因素作用过程为：上午6～8时，太阳开始辐射，紫外线发生作用；8～10时下雨，降水发生作用，紫外线作用停止；10～14时出现盐雾，盐雾发生作用，降水、紫外线停止作用；14～18时，太阳重新开始辐射，紫外线发生作用，盐雾、降水作用停止；18～22时开始降水，盐雾、紫外线不发生作用；22时～翌日6时，盐雾发生作用，紫外线、降水停止；然后开始下一个循环，而整个试验过程中，预应力与温度始终产生作用.

3"跨海斜拉桥BFRP拉索多因素耦合耐久性试验

3.1"跨海斜拉桥BFRP拉索多因素耦合耐久性试验设计

根据文中提出的跨海斜拉桥BFRP拉索多因素耦合耐久性试验方案，选取4 mm的BFRP拉索作为研究对象，基体为乙烯基树脂，纤维体积含量为85%.基于ACI 440.3R-04规范制备试验试件，其形状与尺寸如图2.BFRP拉索多因素耦合耐久性加速试验的试验条件根据我国跨海斜拉桥地区气候环境的调研结果进行设定，由于我国跨海斜拉桥所在地区的海水浓度、紫外线强度以及降水变动幅度较小，盐雾浓度、降水强度及紫外线强度分别设定为调研结果的平均值，试验编组及参数如表2，每组试验不少于3个试件，其中B-1作为对比试件组.

通过多因素耦合老化试验箱如图3（a）进行BFRP拉索的耐久性试验，为实现BFRP拉索预应力的施加与保持，设计如图3（b）张拉装置，通过拧紧螺母为BFRP拉索施加预应力，预应力大小通过应变片测定.

3.2"跨海斜拉桥BFRP拉索多因素耦合耐久性试验结果分析与讨论

BFRP拉索经过不同条件多因素耦合耐久性加速试验后，利用万能试验机分别进行各BFRP拉索试件的基本力学性能试验，其拉伸力学性能试验结果列于表3中，其中拉伸强度与弹性模量的实验结果均为各组试件的平均值.

多因素耦合作用下BFRP拉索的基本力学性能变化曲线如图4，BFRP拉索的试验结果表明：随着多因素耦合作用时间的增加，BFRP拉索的拉伸强度不断下降，如图4（a），尤其在50℃、50%fu应力水平作用下，BFRP拉索的腐蚀损伤加速，在480 h后，BFRP拉索的拉伸强度仅为原强度的64.43%.多因素耦合作用的初始阶段，BFRP拉索拉伸强度下降显著，但随着作用时间的延长，强度下降的趋势逐渐减缓.当BFRP拉索的预应力水平处于50%fu及以下时，温度对BFRP拉索拉伸性能退化的加速作用大于预应力.相比未经历多因素耦合作用的BFRP拉索，多因素耦合作用下BFRP拉索的弹性模量呈现下降趋势，但弹性模量降低不明显，如图4（b），其保留率均在95%以上，而多因素耦合作用下BFRP拉索的弹性模量没有明显的变化规律.

4"BFRP拉索多因素耦合作用损伤退化机理

多因素耦合作用下BFRP拉索的损伤退化机理复杂，需要从微观结构尺度对BFRP拉索进行了分析，利用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）对不同条件多因素耦合耐久性试验的BFRP拉索进行观测，其微观结构如图5.通过对比不同多因素耦合作用下BFRP拉索的微观结构可知，BFRP拉索中玄武岩纤维基本保持完好，不同耦合作用条件下纤维/树脂的界面则发生不同程度的破坏，从而导致BFRP拉索的基本力学性能产生不同程度的退化.

多因素耦合作用下BFRP拉索的损伤退化机理如图6，由于玄武岩纤维的外层有树脂基体的包裹保护，紫外线、水分子、盐雾中的腐蚀氯离子并不会直接作用于玄武岩纤维，而是首先损伤破坏表层的树脂基体.受限于BFRP拉索的制备工艺，BFRP拉索基体中存在初始的微裂纹，预应力作用下微裂纹开始逐步扩展，当树脂基体吸收紫外线后发生光化学反应，树脂基体的分子链被切断、初始黏结被破坏，进而发生脆化，产生新的微裂纹；水分子渗入树脂后，一方面产生塑化作用，减小了树脂分子间力的作用，另一方面引起水解作用，破坏树脂的化学键，在水的作用下，树脂/纤维的黏结强度不断降低，微裂纹逐步产生扩展；盐雾中的氯离子通过微裂纹渗入间隙，破坏链接纤维与树脂的化学键（主要是Si-O-Si链接键），从而引起纤维/树脂界面的剥离，试验温度作为催化因子，加速了上述多因素耦合作用下的物理、化学作用.在预应力、紫外线、湿热、降水、盐雾等多因素的耦合作用下，微裂纹不断生成、扩展、贯通，纤维/树脂界面的粘结强度不断降低，从而引起BFRP拉索基本力学性能的退化与耐久性能的降低.

5"结论

根据我国跨海斜拉桥地区海洋气候环境的调研结果，分析了影响跨海斜拉桥BFRP拉索长期服役性能的关键因素，设计并开展了BFRP拉索的多因素耦合耐久性试验，基于BFRP拉索的基本力学试验与微观结构观测，分析了多因素耦合作用下BFRP拉索的力学性能退化规律及损伤机理，主要得到以下结论：

（1） 我国跨海斜拉桥所在地区海洋气候明显：平均气温高、降水丰沛、紫外线辐射强度大、盐雾浓度高，影响跨海斜拉桥BFRP拉索长期性能的关键因素包括：预应力、湿热、紫外线、降水与盐雾.

（2） 基于IEC多因子老化试验方法并结合跨海斜拉桥实际服役环境，提出了BFRP拉索的预应力-紫外线-湿热-降水-盐雾多因素耦合耐久性试验方法，设计并开展了BFRP拉索的多因素耦合耐久性试验.

（3） BFRP拉索的基本力学性能试验结果表明：多因素耦合作用下，BFRP拉索的拉伸强度下降明显，预应力水平50%fu及以下时，温度对BFRP拉索拉伸性能退化的加速作用大于预应力；BFRP拉索弹性模量降低较小，且无明显规律.

（4） BFRP拉索的微观结构观测表明：多因素耦合作用主要通过损伤纤维/树脂界面影响BFRP拉索力学性能的退化，紫外线、降水、盐雾通过破坏纤维与树脂的化学键产生化学作用，预应力、温度作为加速因子则通过加速微裂纹的产生与扩展产生物理作用.

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（责任编辑：顾琳）