论桥梁钢索失效的力学机制及断索肇因

《论桥梁钢索失效的力学机制及断索肇因》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、基于失效分析（‘材料诊断学’），对桥梁钢索承受的作用、断索的力学机制等研究后，认为：桥梁钢索的破断，为随机载荷与随机介质及其某些耦合下的腐蚀疲劳、应力腐蚀、机械疲劳、氢脆等的共同行为;非简单的载荷作用，单一的锈蚀所致;失效的特点，为低应力、脆断;何时破断并不知道。据此，分析了新近发生的桥梁钢索破断实例，诠释其肇因。　　钢索骤断毁桥一再发生，表明：基于桥梁钢索破断行为的研究，认为排除骤断的技术措施;现代索结构桥梁抵抗意外垮塌的能力（robustness）等，均是尚待研究的课题。　　桥梁拉索骤断的失效机制，亦涵盖服役拉索的健康检测、监测及其耐久性评估。　

2、　关键词：钢索；吊杆；失效机制；孔雀河大桥；公馆大桥;鲁棒性　　钢索骤断毁桥，屡屡发生，迄今没有杜绝：在中国，自四川宜宾小南门大桥吊杆钢索破断以来，技术研究风起云涌，投入巨资，凡十余年。　　然而，2011年4月12日凌晨，新疆孔雀河大桥还发生了拱桥吊杆骤断，局部桥道垮塌(图1);接着，7月14日，福建武夷山公馆大桥，再度发生了类似的吊杆骤断毁桥事例(图2)，三个月垮二桥。　　桥梁钢索还会骤断吗？会的。因为，现行的技术尚不能排除拉索骤断的危险。　　基于失效分析（所谓材料诊断学）[3]，对桥梁钢索的破断，在论述其承受的作用及失效力学机制后;进而以图1所示

3、，近期发生的断索实例为对象，诠释其破断的肇因，并检核拉索破断力学机制论述的实践支持度。　　这里主要从桥梁拉索的力学行为上，研究其断裂的机制，并不涉及钢材失效的微观破坏问题。　　1桥梁钢索承受的作用及其力学行为　　桥梁钢索破断的各种内外部因素及其相互的交替、耦合联系，如图3框图所示，也是桥梁钢索失效分析的基础与纲要。路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网　　图1：新疆孔雀河大桥一对吊杆破断三跨桥道垮塌2011.4.12　　图2：福建武夷山公馆大桥吊杆破断桥道垮塌2011.7.14　　1.1桥梁钢索承受的作用　　桥梁钢索的功能，在于承受外界的作用：包括载荷环境

4、及介质环境的作用，是钢索破断的外部条件。　　1.1.1载荷环境，桥梁钢索的载荷环境，如所熟知，包括：恒载，如结构自重等;活载，如车辆、人群、风、雨流等的机械力作用。　　1.1.2介质环境,桥梁钢索的介质环境，主要讨论介质环境对钢索材料的腐蚀作用及其与载荷的某些耦合。路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网　　图3：桥梁钢索断裂失效分析框图外层与中心纲丝断裂的不同机制　　图4：钢索钢丝的破断非单一行为图5：外层与中心钢丝之不同断裂　　金属腐蚀，包括介质环境对材料的化学效应（无电子转移）与电化学效应（有电子转移）所导至的破坏：截面削弱、热点应力状态恶化，材料强度

5、蜕变。　　图3框图显示：桥梁钢索所承受的作用及其对钢丝的影响，钢材的力学行为以及钢索截面上不同钢丝的相应破断，图4、图5为相应的断索实例。　　由此可知，对桥梁钢索非仅因介质腐蚀而破断；在设计保证下，也不仅是载荷作用的断裂。　　现就桥梁钢索在各种外部环境的共同或耦合作用下的力学行为、发生的条件及规律，简述如次，以为研究其破断肇因的基础。　　1.2机械疲劳　　所谓‘疲劳’，ASTM（美国材料与试验协会）在ASTME206-72[4]中的标准定义为：在扰动应力作用下，经足够多次的循环后，形成局部损伤或整体破断的过程。　　当不存在环境介质参与，仅机械力作用时

6、，为机械疲劳。其失效表现为低应力的脆断，即远低于材料静力强度的脆性断裂[1]。材料的疲劳强度与静力破断强度之比，约为0.45～0.50。统计表明，在动力扰动下的失效，（80～95）%为疲劳断裂。　　1.3应力腐蚀　　应力腐蚀，为静拉伸和相关介质作用下，材料加速断裂[3]，主要为静力行为。有以下特征。　　1.3.1介质的选择性，所谓‘相关介质’路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网是指：与某些合金材料相对应的、能导至其在静拉伸下发生加速断裂的介质，譬如雨水、海水、氯化物溶液、硫化氢溶液之对于高强钢。　　对于一种材料，不是所有的介质都会导致其应力腐蚀：有的非腐

7、蚀性介质，却能引起其应力腐蚀，譬如纯水对于高强钢或铝合金;腐蚀性介质甚至腐蚀性强的介质，也不一定都能导致应力腐蚀。　　1.3.2应力腐蚀的损伤过程，图5之a)为恒力作用下，传统实验的应力腐蚀曲线[3]。由图可知，材料不发生应力腐蚀的条件是σ＜σscc，其中σscc为发生应力腐蚀的最低应力值。　　图6b）为断裂力学试验，获得的应力强度因子与裂纹扩展速度的关系曲线：可知，当应力强度因子K1＜K1scc时，应力腐蚀裂纹扩展速度极小，实用上可视为不发生。　　其中应力强度因子K1=σα[πa]1／2，σ为裂纹尖端应力，a为裂纹长度，α为几何参数。　　K1scc

8、即为应力腐蚀的强度因子门槛值，亦郡断裂韧性;当取σ=σf(破断应力)时，由上式可求得K1scc。　　由图6b