桥梁拉吊索用不锈钢钢丝腐蚀性能及斜拉索时变可靠度研究
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摘要：对零应力普通镀锌钢丝和施加0%，20%，30%，40%强度的应力不锈钢钢丝，分7，20，40 d进行中性盐雾试验，研究零应力普通镀锌钢丝和不同应力水平下不锈钢钢丝的质量损失率、强度、延性和断口形貌的变化。通过算例分析了分别采用普通镀锌钢丝和不锈钢钢丝作斜拉桥拉索时可靠指标随时间的变化。结果表明：零应力下普通镀锌钢丝的质量损失率是不锈钢钢丝的30倍以上；不锈钢钢丝的质量损失率随着应力的增加而增加，高应力下的不锈钢钢丝更容易腐蚀；短期腐蚀对钢丝的极限强度影响不大，不锈钢钢丝随着应力的增加延性变差；随着腐蚀的增加，普通镀锌钢丝和不锈钢钢丝的拉伸端口呈现出脆性增加的趋势，普通钢丝的端口形貌由微裂纹向长宽裂纹发展，而不锈钢钢丝由于腐蚀较轻，只是出现了微裂纹；采用普通镀锌钢丝作斜拉桥拉索时可靠指标随时间的下降速度比采用不锈钢钢丝快。
关键词：桥梁工程；腐蚀；不锈钢钢丝；中性盐雾试验；时变可靠度
中图分类号：U443.38 文献标志码：A
Abstract： The ordinary galvanized steel wire with null stress and the stainless steel wires with stress level of 0%， 20%， 30%， 40% of their strength were exposed in neutral salt spray test for 7， 20， 40 d， respectively， and the mass loss rate， strength， ductility and fracture surface topography of stainless steel wires were studied. An example of cable stayed bridge was presented to showcase the reliability index of cable made of ordinary galvanized steel wire and stainless steel wires. The results show that the mass loss rate of ordinary galvanized steel wire is 30 times higher than that of stainless steel wire. The mass loss rate of stainless steel wire increases with the increase of stress level， which implies that the stainless steel wire is more easily corroded under high stress. Corrosion in shortterm has little effect on the ultimate strength of the steel wire. However， the ductility of stainless steel wire decreases with the increase of stress level. Both the galvanized steel wire and stainless steel wire reveal higher brittleness in the tensile test. The fracture surface topography of galvanized steel wire develops from micro cracks to wide cracks， while the stainless steel wire develops only micro cracks because of lighter corrosion. The reduction rate of reliability index of cable of stainless steel wires with time is lesser than that of ordinary galvanized steel wire.
Key words： bridge engineering； corrosion； stainless steel wire； neutral salt spray test； timevariant reliability
0 引 言
拉吊索是斜拉桥和悬索桥等大跨度桥梁的主要承重构件。拉吊索采用的钢丝一般都是高强碳素钢丝或钢绞线，在桥梁实际运营中处于高应力状态，对外界环境介质的侵害比较敏感，特别是跨海大桥。大跨度桥梁主体结构的设计使用年限为100年，而拉吊索的设计使用年限一般为20年，远小于主体结构的设计使用年限，更为严重的是，很多拉吊索由于受腐蚀后不到20年就需要更换，否则存在断裂的危险，引起桥梁倒塌事故[13]。更换拉吊索不仅花费大量的材料、施工等直接费用，更重要的是关闭交通引起巨大的间接经济损失。为提高大跨度桥梁拉吊索的使用寿命和耐久性，世界各国在拉吊索材料和防护材料耐久性方面做了很多工作，主要是使用低应力、全防腐、抗疲劳、耐腐蚀索体结构[46]。从已经建成的桥梁实际运营情况来看，无论采用哪种新材料、新工艺、新技术，拉吊索腐蚀的代价依然十分巨大，于是产生了用不锈钢钢丝代替传统材料的新思路[7]。本文对普通高强钢丝和不锈钢钢丝进行了人工加速腐蚀，对腐蚀后的钢丝进行了直接拉伸试验，并对钢丝的断面进行了电镜扫描分析，同时进行了可靠度算例分析。
1 试验概况
1.1 材料特性及加载
试验所用不锈钢钢丝为奥氏体不锈钢，牌号为GQS1250，抗拉强度代表值为1 250 MPa，直径为5.5 mm。普通钢丝采用钢号为SWRS82B的普通热镀锌钢丝，抗拉强度代表值为1 670 MPa，直径为5 mm。钢丝长度均为600 mm。
根据《公路斜拉桥设计细则》（JTG/T D6501―2007）[8]及《公路悬索桥吊索》（JT/T 449―2001）[9]的规定，拉索的安全系数不小于2.0，即拉索的容许应力不大于拉索抗拉强度标准值的50%。因此，不锈钢钢丝施加的应力水平确定为0%，20%，30%，40%的抗拉强度标准值。由于试验材料的限制，不锈钢钢丝采用同批次但是不同盘，其中应力水平为0%与20%为一盘，30%与40%为一盘。
加载设备如图1所示。加载设备由上下底板、中板和3根螺杆组成。底板为直径240 mm、厚度30 mm的镀锌圆板，距离圆板边缘50 mm等角度分布3个套孔，套孔上部为直径50 mm、深度15 mm的圆孔，下部为直径10 mm、深度15 mm的圆孔。套口用于固定夹片和锚环。中板为直径240 mm、厚度20 mm的镀锌圆板，上面等角度分布着3个直径为10 mm的圆孔，用于固定3根钢丝并加载。3根螺杆的直径为16 mm，长度为700 mm，表面镀锌。中板与上底板之间布置用于测钢丝拉力的传感器，通过用扳手旋拧中板下面的螺栓对钢丝施加拉力，力值由力传感器控制。
1.2 中性盐雾试验
试验前将钢丝在质量分数为10%的HCl溶液中浸泡24 h，取出后用清水冲刷并用钢丝刷除尽表面铁锈，用石灰水中和表面残余盐酸，再用清水冲洗干净。擦拭后在烘箱中烘干4 h，在干燥器中存放4 h。用精度为0.1 g的电子天平称取质量，精度为0.5 mm的钢尺量取长度。
本试验为中性盐雾试验，严格按照国家标准《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》（GB/T 10125―2012）[10]进行。配备盐雾所需要的化学试剂为纯NaCl，用蒸馏水配备成质量浓度为（50±5） g・L-1的溶液。试验箱内放2个盐雾收集器，一个靠近喷嘴，一个远离喷嘴，为漏斗形状，直径为100 mm，面积约为80 cm2，用于测定平均沉降率，需满足80 cm2的水平面积上平均沉降率为（1.5±0.5） mL・h-1的要求。所收集溶液的pH值控制在6.5～7.2，当超出该范围时，用分析纯HCl和NaOH调节。
分3个时间段进行盐雾试验，分别为7，20，40 d。每个时间段有5组试验，分别为不加应力普通钢丝，不加应力不锈钢钢丝，加20%应力不锈钢钢丝，加30%应力不锈钢钢丝和加40%应力不锈钢钢丝试验，每组3根。
每组试验进行到规定的时间后，卸除应力，取出腐蚀的钢丝。将不锈钢钢丝放入用1 000 mL蒸馏水稀释的200 mL浓硝酸溶液中，室温下浸泡60 min，取出后用清水冲洗，并用钢丝刷除尽表面铁锈，烘箱内烘干后，用精度为0.1 g的电子天平称取质量。将普通镀锌钢丝放入用1 000 mL蒸馏水稀释的100 g醋酸铵（CH3COONH4）溶液中，70 ℃下浸泡2～5 min，取出后用清水冲洗，并用钢丝刷除尽表面铁锈，烘箱内烘干后，用精度为0.1 g的电子天平称取质量。
1.3 拉伸试验
对普通镀锌钢丝和不锈钢钢丝在万能试验机上进行拉伸试验。试验按照国家标准《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1―2010）[11]进行。
1.4 扫描电镜试验
拉伸试验完成后，对钢丝拉断断面进行扫描电镜（SEM）试验，观察腐蚀后断面样貌的微观变化。试验按照国家标准《微米级长度的扫描电镜测量方法通则》（GB/T 16594―2008）[12]进行。由于不锈钢钢丝的腐蚀较轻，微观变化很小，因此只观察了加载40%应力组的钢丝。2 结果分析
2.1 质量损失率
腐蚀前后称取钢丝质量，计算得到钢丝质量损失率。3组钢丝的质量损失率见表1～3，其中损失率比值为各组与未加应力不锈钢钢丝平均质量损失率比值。由表1～3可以看出，未加应力普通镀锌钢丝与未加应力不锈钢钢丝相比，在相同的时间内，普通镀锌钢丝的质量损失率分别为不锈钢钢丝质量损失率的53.0倍、42.9倍和29.5倍，说明不锈钢钢丝的腐蚀性能远好于普通镀锌钢丝。
从试验后腐蚀表面观察，普通镀锌钢丝虽然也产生局部腐蚀，但均匀腐蚀的倾向性更大，而不锈钢钢丝则局部腐蚀的倾向更大。不锈钢钢丝腐蚀性能优于普通镀锌钢丝是因为：普通镀锌钢丝表面形成氧化膜，但氧化膜比较疏松，随着腐蚀的进行，氧化膜逐渐被破坏，表面的金属不断离子化而溶解，因此初始腐蚀速率很快。在金属腐蚀的同时，腐蚀产物也逐渐在钢丝表面聚集，形成腐蚀产物膜，反而对进一步腐蚀起到阻止作用，腐蚀速率减缓，但该腐蚀产物膜很疏松，一些产物也在腐蚀过程中进一步溶解，因此对腐蚀的减缓有限。对于不锈钢钢丝，表面的氧化膜更加致密，而且其化学成分中加入了大量的钝化金属，随着氧化的消耗，钝化金属逐渐钝化使表面会形成一层致密的钝化膜，防止氧原子的继续渗入氧化，因此不锈钢钢丝的腐蚀速率很慢。然而盐雾中含有大量的活性阴离子（Cl-），这些活性阴离子从膜结构有缺陷的地方渗进去，改变钝化膜的结构，从而达到对不锈钢钢丝的腐蚀。致密钝化膜很难被破坏，而活性阴离子的渗入过程也很缓慢，因此不锈钢钢丝的腐蚀性能远好于普通镀锌钢丝。
对于不锈钢钢丝，随着应力的增加，质量损失率逐渐增加，腐蚀更严重，说明高应力钢丝更容易锈蚀。这是因为随着应力的增加，不锈钢钢丝产生更大变形，钢丝内部出现位错等缺陷而引起电化学性质发生变化，表面保护膜的缺陷更加突出，钝化膜溶解和修复的动态平衡被破坏，溶解更占优势，活性阴离子（Cl-）优先选择性地吸附在钝化膜上，把氧原子挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合形成可溶性氯化物，从而在缺陷部位优先形成蚀坑，在蚀坑内部Cl-因迁移而富集，氧的供应困难，阻碍孔内金属再钝化，加速阳极金属的溶解，腐蚀更严重。
对表1～3中的试验数据进行分析，得到下面未加应力普通镀锌钢丝和施加应力不锈钢钢丝质量损失率与时间的关系，即
式中：δ（t）为钢丝的质量损失率；t为自结构服役开始的时间；t0为钢丝开始锈蚀的时间；kσ为钢丝的应力水平，表示为钢丝应力与钢丝抗拉强度代表值的比值。
图2给出了式（1）和式（2）的计算结果与试验结果的比较。由图2可以看出，式（1）和式（2）总体上反映了未加应力普通镀锌钢丝和施加应力不锈钢钢丝质量损失率与时间的关系。需要说明的是，式（1）和式（2）是根据实验室盐雾条件的短期试验结果得到的，因此应用于其他情况时应该注意使用条件与试验条件的差别，用于长期锈蚀情况预测时也应该慎重。
2.2 荷载变形曲线
普通镀锌钢丝和不锈钢钢丝的荷载变形曲线如图3所示。由图3可以看出：随着腐蚀时间的增加，普通镀锌钢丝的极限强度稍有下降，极限拉应变变化不大；不锈钢钢丝的极限强度变化不大，但极限拉应变有较大变化；虽然样本的差异对结果有所影响，但总体来说施加应力大的不锈钢钢丝极限拉应变有较大降低。
根据钢丝的荷载变形曲线，可计算钢丝的延性系数μs=um/uy，其中um为钢丝的最大变形，uy为钢丝的屈服变形。钢丝延性系数计算结果见表4。由表4可以看出：总体来讲，盐雾试验中不锈钢钢丝施加的应力越大，延性系数越小。尽管从失重率看不锈钢钢丝的失重很小，对于盐雾中氯离子的侵蚀，不锈钢钢丝倾向于局部腐蚀，即点蚀，这种微缺陷对钢丝的屈服强度影响不明显，但由于在蚀坑附近出现应力集中，甚至产生微裂纹，从而导致钢丝的极限变形能力降低。虽然不锈钢有钝化性质，可形成保护膜，但是拉应力阻止了裂纹尖端保护膜的生成或生成的保护膜在应力作用下不断破裂，而且应力越大，这种阻止作用越明显或破裂的可能性越大。另外，电化学反应产生的氢通过裂纹深入到裂纹尖端，使不锈钢脆化，即氢脆，从而使钢丝塑性降低，极限变形能力变差。
2.3 断口形貌
普通镀锌钢丝和不锈钢钢丝的断口宏观形貌如图4所示。断口形貌由纤维区、放射区和剪切唇组成，其中四周形貌为滑移产生的剪切唇，中间形貌是最后拉伸产生的，最核心部位为纤维区，纤维区与剪切唇中间的裂纹发展区为放射区。由于拉伸中滑移较大，普通镀锌钢丝腐蚀20 d的断口形貌中断面下部均为剪切唇，为此只对上部的拉伸形貌进行分析。随着腐蚀过程的进行，普通镀锌钢丝断口首先出现较窄的裂纹，之后裂纹越来越宽，断口形貌也逐渐表现为脆性断裂。对于不锈钢钢丝，由于腐蚀较轻，断面未像普通钢丝裂纹那么明显，断口形貌开始时是延性断裂，随着腐蚀的深入，延性逐渐变差，脆性增加。3 可靠度分析
下面分析采用相同使用环境的普通镀锌钢丝和不锈钢钢丝作为斜拉桥拉索，用以分析锈蚀对普通镀锌钢丝和不锈钢钢丝斜拉桥拉索可靠度的影响。需要说明的是，本算例只是用于2种材料的对比分析，实际中桥梁的锈蚀环境和条件及钢丝锈蚀过程与室内试验有很大不同。
某长江大桥为主跨1 088 m的双塔双索面斜拉桥，桥边有3根桥墩，全桥设计基准期为100年。主梁采用扁平流线型钢箱梁，路面有6个行车道和2个紧急停车带，其中行车道净宽为34 m。桥上共有斜拉索272根，其在钢箱梁上锚固点的标准间距为16 m，边跨尾索区则为12 m，在索塔上锚固点间距为2.3～2.7 m。索塔为倒Y型结构， 总高为300.4m，桥面以上高度为230.41 m。全桥简化模型及斜拉索布置如图5所示[13]。
考虑桥梁自重和桥梁上车辆荷载组合的情况，采用有限元法进行分析可得到桥梁自重和车辆荷载在每根斜拉索上产生的应力。自重和随机车辆荷载下第i根斜拉索的功能函数Zi（t）为
采用《公路工程结构可靠度设计统一标准》（GB/T 50283―1999）[14]建议的一次二阶矩方法分别计算用普通镀锌钢丝和不锈钢钢丝作斜拉桥拉索时的截口可靠指标。斜拉索A25，A34，J25，J34的可靠指标随时间的变化如图6所示。由图6可以看出，如果桥梁使用过程中斜拉索未锈蚀，则可靠指标不随时间发生变化；如果第20年斜拉索开始锈蚀，采用普通镀锌钢丝时可靠指标随时间下降的速度较快，而采用不锈钢钢丝时可靠指标随时间下降的速度较慢，这是由于不锈钢钢丝耐腐蚀性强的缘故。需要说明的是，本文计算的只是桥梁自重与桥梁上车辆荷载组合时的可靠指标，由图6还可以看出，即使采用耐腐蚀性较差的普通镀锌钢丝，第100年时斜拉索的可靠指标仍很高。实际上，对斜拉桥起控制作用的荷载是风荷载与其他荷载的组合，这种情况下斜拉索锈蚀后的可靠指标可能比较低。
4 结 语
（1）不锈钢钢丝的耐腐蚀性能远好于普通镀锌钢丝，按质量损失率来衡量，不锈钢钢丝的耐腐蚀性是普通镀锌钢丝的30倍以上。
（2）随着应力的增加，不锈钢钢丝质量损失率逐渐增加，腐蚀变得严重，因此高应力下的不锈钢钢丝更容易腐蚀。
（3）短期腐蚀对钢丝的极限强度影响不大，而总体来说不锈钢钢丝的极限拉应变随着应力的增加而减小。对于荷载变形曲线的不规则变化，样本差异及试验条件的不同对其有一定影响，如何保证在完全相同的条件下试验还有待进一步研究。
（4）随着腐蚀的增加，普通镀锌钢丝和不锈钢钢丝的拉伸端口呈现出脆性增加的趋势，普通镀锌钢丝的端口形貌由微裂纹向宽长裂纹发展，而由于腐蚀较轻，不锈钢钢丝裂纹发展较慢。
（5）采用普通镀锌钢丝作斜拉桥拉索时，可靠指标随时间的下降速度比采用不锈钢钢丝快。
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