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原文传递服役环境下桥梁拉索锚固系统腐蚀损伤机理试验研究

论文题名：	服役环境下桥梁拉索锚固系统腐蚀损伤机理试验研究
关键词：	桥梁拉索锚固系统;CASS试验;服役环境;腐蚀损伤;腐蚀因子扩散模型
摘要：	斜拉索锚固系统作为斜拉桥传递荷载的关键部件决定了斜拉桥的可靠性，近年来国内外部分斜拉桥出现了桥梁断索事故，对社会经济造成了极大的影响。迄今为止，国内外相关研究学者针对桥梁斜拉索的腐蚀和拉索锚固系统的长期力学性能进行了大量研究，但针对桥梁拉索锚固系统的腐蚀损伤机理研究较少。因此，深入研究服役环境下桥梁拉索锚固系统腐蚀损伤特征并进一步揭示其损伤演化机理，可为评估桥梁拉索锚固系统的使用寿命提供理论依据，并对加强拉索锚固系统的防护设计提供参考。　　本文在国家自然科学基金项目“随机荷载与环境耦合作用下斜拉索锚固系统腐蚀疲劳损伤机理与长期性能研究”（No.52178273）及重庆市自然科学基金“荷载与电化学腐蚀耦合作用下拉索锚固系统长期性能衰变机理研究”（No.cstc2021jcyj-msxmX1159）的支持下，针对服役环境下斜拉桥拉索锚固系统腐蚀损伤机理进行研究。主要研究内容和取得的结论如下：　　（1）对斜拉桥拉索锚固系统组成构件的病害和内部镀锌钢丝的腐蚀损伤机理进行了总结分析。在服役环境的长期影响下，斜拉索防护系统存在锚固罩开裂和密封胶圈老化等病害，从而导致外界侵蚀性腐蚀因子渗入拉索锚固系统，导致内部钢丝腐蚀、锈蚀、断丝，加之斜拉索在服役期间承受环境腐蚀与疲劳荷载的耦合作用，从而加剧了锚固系统腐蚀损伤过程，降低了锚固系统的可靠性。　　（2）通过模拟沿海地区桥梁服役环境，对拉索锚固系统开展了盐雾环境下的加速腐蚀试验，结合广东某斜拉桥拆除拉索的锚固系统解剖试验研究，发现了拉索锚固系统连接筒、内部填充介质和钢丝的腐蚀分布特征，得到了内部钢丝图像灰度值与腐蚀等级的关系，分析了内部钢丝的腐蚀因子分布规律，研究了内部钢丝的力学性能特征，初步建立了CASS加速人工环境与服役环境之间的腐蚀当量关系。结果表明：通过宏观与细观分析，发现拉索锚固系统的内壁及内部填充介质腐蚀严重；锚固系统内部钢丝的腐蚀主要集中在连接筒与锚杯之间的螺纹拼接缝附近区域；通过灰度处理，发现钢丝不同腐蚀等级区域对应的灰度值；腐蚀因子在拼接缝附近从四周向内部环形扩散；通过氯离子测定仪测量腐蚀因子浓度，发现腐蚀因子纵向扩散系数高于横向扩散系数；通过内部腐蚀钢丝的力学性能试验，发现外层锈蚀钢丝的力学性能退化程度比内层钢丝严重。根据锚固系统内部钢丝腐蚀损伤等效原则，初步建立了加速人工环境与服役环境之间的腐蚀当量关系：CASS人工加速环境腐蚀1d相当于广州地区服役环境腐蚀43d。　　（3）根据Fick第二定律，探讨了拉索锚固系统腐蚀因子扩散的浓度梯度驱动机制，建立了锚固系统腐蚀因子三维扩散模型，通过连接筒与锚杯拼接缝处横向扩散、钢丝外层向内层横向扩散、内部钢丝纵向扩散三阶段，描述了腐蚀因子在拼接缝附近从四周向内部环形扩散的过程，研究了腐蚀因子在锚固系统环氧铁砂填充介质和索体空隙中扩散方式的联系和区别。　　（4）通过COMSOL有限元模型与试验结果的对比分析，研究了拉索锚固系统服役环境下的氯离子浓度扩散系数。结果表明：氯离子在拉索锚固系统中的扩散系数并不是各向同性，环氧铁砂中纵向扩散系数为0.8~8×10-11m2/s，环氧树脂中纵向扩散系数为3.5~7×10-10m2/s，横向第二阶段扩散系数为0.25~1.3×10-12m2/s，环氧树脂中纵向扩散系数是横向第二阶段的14倍左右；进一步模拟了服役20年桥梁拆除拉索锚固系统的腐蚀因子分布规律。
作者：	王芊凌
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	姚国文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022