论桥梁钢索失效的力学机制及断索肇因.doc

1、 路桥求职 路桥招聘 路桥英才网 英才网 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。关键词：钢索

2、；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，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

3、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 2011.7.141.1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

4、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

5、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 ASTME206-724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，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 0.450.50。统计表明，在动力扰动下的失效， （8095）%为疲劳断裂。1.3 应力腐蚀 应力腐蚀，为静拉伸和

6、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。路桥求职 路桥招聘 路桥英才网 英才网 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 scc ，其中 scc 为发生应力腐蚀的最低应力值。

7、图6 b）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 K1K1scc 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=a12， 为裂纹尖端应力，a 为裂纹长度， 为几何参数。K1scc 即为应力腐蚀的强度因子门槛值，亦郡断裂韧性;当取 =f(破断应力)时，由上式可求得K1scc。由图6b)可知，应力腐蚀损伤扩展过程可分为三个阶段，即：其一，自 K1scc 之后，损伤裂纹的扩展，随 K1影响 呈稳定的线性增长，亦即应力影响腐蚀。其二，约在 K11.4K1scc 之后损伤扩展曲线呈水平状。主受为( 电化学的)腐蚀决定损伤扩展，K1仅为

8、条件因素，对损伤扩展速度的增长影响很小。其三，当 K1的增加接近临界之前，损伤扩展速度急剧增加，直到(K1=K1c) 达到扩展失稳临界而断裂，这时腐蚀的影响就较小了。1.3.3桥梁拉索的应力腐蚀，在桥梁拉索的设计应力中、恒载拉伸应力常达80%以上，因此，桥梁钢索的应力腐蚀，为其断裂的重要因素之一。图6：应力腐蚀曲线 路桥求职 路桥招聘 路桥英才网 英才网 1.4 腐蚀疲劳材料在腐蚀介质中的动力扰动下，将发生腐蚀疲劳。其特征是：1.4.1 腐蚀无条件，在活载扰动下，只要对材料具有腐蚀的介质，都会发生腐蚀疲劳的损伤及扩展，直至扩展失稳而骤断;也无论活载扰动应力的大小，腐蚀疲劳都会发生。1.4.2

9、腐蚀疲劳强度，如图4，腐蚀疲劳的强度较材料的机械疲劳强度低。亦即腐蚀疲劳，不仅因腐蚀而恶化热点应力状态，材料的疲劳强度也降低了。腐蚀加剧疲劳，疲劳影响腐蚀：介质腐蚀与载荷作用的耦合，其损伤将大于介质作用与载荷作用的线性迭加，二者的耦合，劣化了材料抗力。因此，如图4，腐蚀疲劳强度，不仅低于机械疲劳强度，且几乎无疲劳极限。换言之，在绝大多数具有不同程度的腐蚀环境中，钢索的疲劳强度是低于规范的标准实验值的。图7：机械疲劳与腐蚀劳的传统实验比较1.4.3 低频扰动，载荷(如车载)作用的频率愈低，腐蚀疲劳强度愈低。相对而言，作用于桥梁拉索的活载作用是低频的。在这一意义上，若车辆轴重不增加，仅行车流量增加

10、(这往往存在) ，未必对钢索加大不利。1.5 腐蚀与氢脆如1.2所述，材料腐蚀为材料与环境介质的电化学效应(锈蚀) 及化学效应所致的破坏3 。材料氢脆，系因加工过程等，氢原子（H）侵入金属内部，在晶格缺陷处聚集而形成氢分子（H2） ，体积膨胀，破坏材料的微观结构，导致强度和延性损失。2 拱桥钢索破断实例诠释基于上述载荷与介质作用下钢索的断裂行为的规律、条件及其特征论述，据此考查新近发生的拱桥(图1)吊杆的破断，诠释其肇因;同时也考查桥梁钢索行为机制理论的实应用可靠性。2.1 钢索的腐蚀迹象在图4和图5中，明显看出，钢索的钢丝不同程度地存在表面腐蚀层乃至腐蚀凹坑：使钢丝的截面削弱，路桥求职 路桥

11、招聘 路桥英才网 英才网 应力状态恶化，强度蜕变。2.2 外部钢丝的脆性断裂图3为桥梁( 图1)钢索破断的断口图片，钢索外层钢丝( 图中黑点) ，主为载荷作用与介质腐蚀及其某些耦合下的腐蚀疲劳、 应力腐蚀、乃至氢脆等同时发生的综合行为，具有 l.3和 l.4所述大致沿横截面的、几无残余变形的疲劳脆断特征9。图中外层钢丝有的在断索前或者已经破断，呈陈旧型断口;有的为断索开始的冲击、扰动而断裂，呈新鲜断口。断裂肇因相同，机制一样，因此外层钢丝的断口较为整齐，参差不大，如图4及图5所示，其中图5更为典型。2.3 中心钢丝的疲劳断裂由图4及图5还可看出，钢索的钢丝由外及里，腐蚀程度逐渐减弱，至其中心部

12、份，则未明显地腐蚀影轻微或未受腐蚀影响，以致其破断较外层钢丝显著不同：主要为活载扰动下的机械疲劳断裂，其断口较为新鲜。随机的载荷与介质作用下的拉-拉疲劳，其断口似难呈现经典的常幅对称循环实验的光滑区。2.4 钢丝的瞬时强度破断在图1的断索实例中，钢索中的钢丝存在瞬时强度断裂，分二种情况。2.4.1拉弯断裂，图1 的大桥，支承2 号横梁的二根吊杆：当图1 中右端吊杆骤断时，横梁失去支承而掉落。左侧吊杆未断(图4)、发生拉弯作用，其外层钢丝，此前已经或者临近失去强度率先破断;其中心部份的未断钢丝的剩余强度（详4.1）不足以承受，导至瞬时强度破断。其特征：具有残余变形、呈斜截面断口，与 Mises

13、准则所描述的断裂相符。2.4.2 瞬时强度破断，考查图4、图5 还可看出，因外层钢丝逐渐破断，钢索总截面削弱，其未断钢丝的应力水平急剧升高。于是，或者因达到疲劳限而断裂;或者因瞬时拉伸强度破断，其断口位于斜截面内，与Tresca 准则的断裂描述相吻合。3 桥梁钢索的破断特征与肇因综上分析和实例考查，可以看出桥梁钢索的破断，具有以下共同特征。3.1 低应力破断桥梁拉索的破断多在低名义应力下发生：宜宾小南门大桥和孔雀河大桥的吊杆钢索破断，均是在凌晨45时、车载很少或无车的情况下发生的。事实上，桥梁钢索断裂瞬时，钢丝危险点的应力状态、相应的材料抗力，较为复杂;但其断裂时的热点应力水平，肯定超过其剩余

14、强度，而致破断。名义应力小于断裂热点的真实应力。即使以检测得到的名义应力与材料的设计强度相比较，往往也是远低于材料设计强度，所以谓之低应力破断。路桥求职 路桥招聘 路桥英才网 英才网 应当注意到，以通常检测的名义应力与材料的设计强度相比较，即使前者小于后者(常被视为安全状态) ，钢索仍有可能发生破断。因断裂点的应力较名义应力大得多。亦即某些检测论证的拉索安全，在理论上未必可靠，此即危机之所在。3.2骤然脆断如图4和图5所示，桥梁钢索断裂为损伤裂纹的萌生、扩展及至扩展失稳的过程。当损伤扩展至临界状态时，一个微小的扰动，即可导至骤然断裂-无塑性征兆下、急速发生脆性破断。3.3 断裂寿命的非确定性基

15、于载荷与介质作用的随机背景，无法给以数学的定量描述，因此桥梁拉索的破断寿命分析(预测) ，为非确定性的统计量：何时破断并不知道。即使在同一座桥梁上，设计（内力和安全系数）参数相同的钢索，由于环境、载荷以及制造、安装、调试的随机差异，其破断寿命也不可能相同。3.4桥梁钢索破断肇因上述分析表明，拉索破断非静力的弹塑性行为;与拉索的热点应力、材料腐蚀等相关。桥梁钢索的破断肇因，主要为：3.4.1 载荷与腐蚀及其耦合，如 l.3.2之其二 及 l.4所述，载荷与腐蚀的对于拉索的断裂，是同时、耦合的作用，非简单、单一机制的破断。换言之，介质腐蚀，不仅是一般的截面削弱、应力集中，还在于腐蚀与载荷疲劳行为，

16、以及腐蚀与载荷拉伸行为的耦合，发生腐蚀疲劳 与应力腐蚀 ;它们的破断强度较单纯的疲劳与拉伸强度低得多，如图7所示;由于材料微观结构的损伤，以致也低于疲劳或拉伸与腐蚀效应的线性组合。3.4.2钢索的初始损伤，钢索的钢丝在加工、锚固、安装时所致的初始损伤，往往成为断裂的热点，热点应力较名义值高数倍乃至十倍。笔者对钢绞线、夹片锚拉索的试验表明，绝大多数的断丝发生于夹片锚具的出口、夹片咬伤处 。 3.4.3 敏感部位，拉索与桥道交接处，往往是承载最艰巨、腐蚀与损伤同时存在、断裂最为敏感的部位。迄今几乎所有的拉索骤断都发生于这里。3.4.4 局部防护失效，现今的防护技术，对于拉索一般的受力部位，应是具有相当可靠性的。然而这些豪华的防护，往往在拉索受力最难巨、断裂最敏感的与桥道连接处，被过早地、甚至安装时就破损了。失去防护作用，以致成为绝大多数断索事故的爆发点 。路桥求职 路桥招聘 路桥英才网 英才网