論橋梁鋼索失效的力學(xué)機(jī)制及斷索肇因

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1、基于失效分析（‘材料診斷學(xué)’），對(duì)橋梁鋼索承受的作用、斷索的力學(xué)機(jī)制等研究后，認(rèn)為：橋梁鋼索的破斷，為隨機(jī)載荷與隨機(jī)介質(zhì)及其某些耦合下的腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕、機(jī)械疲勞、氫脆等的共同行為;非簡(jiǎn)單的載荷作用，單一的銹蝕所致;失效的特點(diǎn)，為低應(yīng)力、脆斷;何時(shí)破斷并不知道。據(jù)此，分析了新近發(fā)生的橋梁鋼索破斷實(shí)例，詮釋其肇因。　　鋼索驟斷毀橋一再發(fā)生，表明：基于橋梁鋼索破斷行為的研究，認(rèn)為排除驟斷的技術(shù)措施;現(xiàn)代索結(jié)構(gòu)橋梁抵抗意外垮塌的能力（robustness）等，均是尚待研究的課題?！　蛄豪黧E斷的失效機(jī)制，亦涵蓋服役拉索的健康檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及其耐久性評(píng)估?！?/p>

2、　關(guān)鍵詞：鋼索；吊桿；失效機(jī)制；孔雀河大橋；公館大橋;魯棒性　　鋼索驟斷毀橋，屢屢發(fā)生，迄今沒(méi)有杜絕：在中國(guó)，自四川宜賓小南門大橋吊桿鋼索破斷以來(lái)，技術(shù)研究風(fēng)起云涌，投入巨資，凡十余年?！　∪欢?011年4月12日凌晨，新疆孔雀河大橋還發(fā)生了拱橋吊桿驟斷，局部橋道垮塌(圖1);接著，7月14日，福建武夷山公館大橋，再度發(fā)生了類似的吊桿驟斷毀橋事例(圖2)，三個(gè)月垮二橋。　　橋梁鋼索還會(huì)驟斷嗎？會(huì)的。因?yàn)椋F(xiàn)行的技術(shù)尚不能排除拉索驟斷的危險(xiǎn)?！　』谑Х治觯ㄋ^材料診斷學(xué)）[3]，對(duì)橋梁鋼索的破斷，在論述其承受的作用及失效力學(xué)機(jī)制后;進(jìn)而以圖1所示

3、，近期發(fā)生的斷索實(shí)例為對(duì)象，詮釋其破斷的肇因，并檢核拉索破斷力學(xué)機(jī)制論述的實(shí)踐支持度?！　∵@里主要從橋梁拉索的力學(xué)行為上，研究其斷裂的機(jī)制，并不涉及鋼材失效的微觀破壞問(wèn)題?！　?橋梁鋼索承受的作用及其力學(xué)行為　　橋梁鋼索破斷的各種內(nèi)外部因素及其相互的交替、耦合聯(lián)系，如圖3框圖所示，也是橋梁鋼索失效分析的基礎(chǔ)與綱要。路橋求職路橋招聘路橋英才網(wǎng)英才網(wǎng)　　圖1：新疆孔雀河大橋一對(duì)吊桿破斷三跨橋道垮塌2011.4.12　　圖2：福建武夷山公館大橋吊桿破斷橋道垮塌2011.7.14　　1.1橋梁鋼索承受的作用　　橋梁鋼索的功能，在于承受外界的作用：包括載荷環(huán)境

4、及介質(zhì)環(huán)境的作用，是鋼索破斷的外部條件。　　1.1.1載荷環(huán)境，橋梁鋼索的載荷環(huán)境，如所熟知，包括：恒載，如結(jié)構(gòu)自重等;活載，如車輛、人群、風(fēng)、雨流等的機(jī)械力作用。　　1.1.2介質(zhì)環(huán)境,橋梁鋼索的介質(zhì)環(huán)境，主要討論介質(zhì)環(huán)境對(duì)鋼索材料的腐蝕作用及其與載荷的某些耦合。路橋求職路橋招聘路橋英才網(wǎng)英才網(wǎng)　　圖3：橋梁鋼索斷裂失效分析框圖外層與中心綱絲斷裂的不同機(jī)制　　圖4：鋼索鋼絲的破斷非單一行為圖5：外層與中心鋼絲之不同斷裂　　金屬腐蝕，包括介質(zhì)環(huán)境對(duì)材料的化學(xué)效應(yīng)（無(wú)電子轉(zhuǎn)移）與電化學(xué)效應(yīng)（有電子轉(zhuǎn)移）所導(dǎo)至的破壞：截面削弱、熱點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)惡化，材料強(qiáng)度

5、蛻變。　　圖3框圖顯示：橋梁鋼索所承受的作用及其對(duì)鋼絲的影響，鋼材的力學(xué)行為以及鋼索截面上不同鋼絲的相應(yīng)破斷，圖4、圖5為相應(yīng)的斷索實(shí)例?！　∮纱丝芍?，對(duì)橋梁鋼索非僅因介質(zhì)腐蝕而破斷；在設(shè)計(jì)保證下，也不僅是載荷作用的斷裂。　　現(xiàn)就橋梁鋼索在各種外部環(huán)境的共同或耦合作用下的力學(xué)行為、發(fā)生的條件及規(guī)律，簡(jiǎn)述如次，以為研究其破斷肇因的基礎(chǔ)?！　?.2機(jī)械疲勞　　所謂‘疲勞’，ASTM（美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)）在ASTME206-72[4]中的標(biāo)準(zhǔn)定義為：在擾動(dòng)應(yīng)力作用下，經(jīng)足夠多次的循環(huán)后，形成局部損傷或整體破斷的過(guò)程。　　當(dāng)不存在環(huán)境介質(zhì)參與，僅機(jī)械力作用時(shí)

6、，為機(jī)械疲勞。其失效表現(xiàn)為低應(yīng)力的脆斷，即遠(yuǎn)低于材料靜力強(qiáng)度的脆性斷裂[1]。材料的疲勞強(qiáng)度與靜力破斷強(qiáng)度之比，約為0.45～0.50。統(tǒng)計(jì)表明，在動(dòng)力擾動(dòng)下的失效，（80～95）%為疲勞斷裂?！　?.3應(yīng)力腐蝕　　應(yīng)力腐蝕，為靜拉伸和相關(guān)介質(zhì)作用下，材料加速斷裂[3]，主要為靜力行為。有以下特征?！　?.3.1介質(zhì)的選擇性，所謂‘相關(guān)介質(zhì)’路橋求職路橋招聘路橋英才網(wǎng)英才網(wǎng)是指：與某些合金材料相對(duì)應(yīng)的、能導(dǎo)至其在靜拉伸下發(fā)生加速斷裂的介質(zhì)，譬如雨水、海水、氯化物溶液、硫化氫溶液之對(duì)于高強(qiáng)鋼。　　對(duì)于一種材料，不是所有的介質(zhì)都會(huì)導(dǎo)致其應(yīng)力腐蝕：有的非腐

7、蝕性介質(zhì)，卻能引起其應(yīng)力腐蝕，譬如純水對(duì)于高強(qiáng)鋼或鋁合金;腐蝕性介質(zhì)甚至腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)，也不一定都能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。　　1.3.2應(yīng)力腐蝕的損傷過(guò)程，圖5之a(chǎn))為恒力作用下，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力腐蝕曲線[3]。由圖可知，材料不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的條件是σ＜σscc，其中σscc為發(fā)生應(yīng)力腐蝕的最低應(yīng)力值。　　圖6b）為斷裂力學(xué)試驗(yàn)，獲得的應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋擴(kuò)展速度的關(guān)系曲線：可知，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子K1＜K1scc時(shí)，應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速度極小，實(shí)用上可視為不發(fā)生?！　∑渲袘?yīng)力強(qiáng)度因子K1=σα[πa]1／2，σ為裂紋尖端應(yīng)力，a為裂紋長(zhǎng)度，α為幾何參數(shù)?！　1scc

8、即為應(yīng)力腐蝕的強(qiáng)度因子門檻值，亦郡斷裂韌性;當(dāng)取σ=σf(破斷應(yīng)力)時(shí)，由上式可求得K1scc?！　∮蓤D6b