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原文传递桥梁拉索电化学腐蚀损伤机理与空间损伤演化模型研究

论文题名：	桥梁拉索电化学腐蚀损伤机理与空间损伤演化模型研究
关键词：	斜拉桥;拉索系统;电化学腐蚀损伤;空间损伤演化模型
摘要：	斜拉桥拉索系统在服役过程中，长期受到氯离子、硫酸根离子等环境腐蚀因子的侵蚀作用，在恒载、活载耦合作用下，斜拉索易产生腐蚀疲劳破坏，降低了斜拉桥的使用寿命。因此揭示腐蚀因子在斜拉索中的传递路径，研究拉索腐蚀损伤机制，对提高斜拉索服役性能，具有重要的理论意义与工程应用价值。本文依托国家自然科学基金面上项目“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），通过开展铜盐加速醋酸盐雾腐蚀试验（CASS试验），对拉索索体的腐蚀损伤机制开展研究，从力学性能等宏观指标反映索体内钢丝的损伤变化规律，从钢丝表面的腐蚀形貌以及蚀坑分布形式等细观现象展示索体内钢丝的腐蚀演化过程，推进了索体长期性能从宏观尺度向细观尺度发展的进程。并基于Fick第二定律提出了腐蚀因子的三维扩散模型及腐蚀拉索空间损伤演化模型，直观表现了腐蚀因子在索体中的传递规律及拉索钢丝腐蚀损伤演化，为进一步探索斜拉索长期性能提供参考。具体结论如下：　　（1）总结分析了影响斜拉桥拉索长期性能的服役环境与荷载因素。桥梁拉索的长期性能影响因素主要分为大气环境腐蚀以及荷载作用。拉索防护系统在环境和荷载耦合作用下出现病害后，其防护性能会下降甚至失效，大气腐蚀环境中的硫酸根离子、氯离子、灰尘颗粒等作为腐蚀因子侵入扩散进拉索索体内，导致拉索在荷载和腐蚀环境耦合作用下发生腐蚀损伤。大气环境中的空气相对湿度、腐蚀因子浓度、PH值、温度都是影响拉索腐蚀损伤速率的重要因素。　　（2）开展桥梁拉索盐雾腐蚀试验，建立了试验拉索的钢丝腐蚀分级标准。综合拉索腐蚀化学方程、腐蚀产物、腐蚀损伤宏微观特征及分布规律，将拉索钢丝的腐蚀过程分为：Ⅰ.钢丝完好阶段。此阶段钢丝未发生腐蚀。Ⅱ.镀锌腐蚀阶段初级阶段。此时钢丝镀锌层发生腐蚀，有白色粉末状腐蚀产物生成。Ⅲ.镀锌层腐蚀中级阶段。铁基质开始腐蚀，有少量淡黄色腐蚀产物生成。Ⅳ.镀锌层完全腐蚀阶段。部分区域镀锌层完全腐蚀，有红褐色腐蚀产物生成。Ⅴ.铁基质腐蚀初级阶段。白色腐蚀产物被覆盖，钢丝有明显蚀坑生成。Ⅵ.铁基质腐蚀中级阶段。钢丝严重腐蚀，钢丝横截面不规则。Ⅶ.钢丝完全腐蚀阶段。此阶段钢丝直径明显损失，腐蚀产物隆起。并根据以上腐蚀过程建立了拉索钢丝腐蚀分级标准。　　（3）通过盐雾腐蚀试验腐蚀拉索钢丝的破断试验，研究了拉索腐蚀钢丝的力学性能及其退化规律。拉索腐蚀钢丝屈服荷载、极限荷载、延伸率会随着拉索的腐蚀时间和腐蚀程度的增加而下降，且随着腐蚀时间及腐蚀程度的增加其下降的速度会加快，拉索钢丝的延伸率受腐蚀损伤的影响最大；局部腐蚀严重的拉索钢丝有一定几率发生脆断。　　（4）通过测量盐雾腐蚀试验腐蚀拉索索体内氯离子浓度分布，揭示了腐蚀因子在拉索索体内的分布扩散规律。腐蚀拉索索体内腐蚀因子浓度随扩散深度的增加而逐渐降低，随扩散时间的增长而逐渐增加，以防护系统病害发生处为对称点对称分布扩散；腐蚀拉索的腐蚀损伤分布与腐蚀因子扩散分布相似，腐蚀程度随腐蚀深度的增加而逐渐降低，随扩散时间的增长而逐渐增加，以防护系统病害发生处为对称点对称分布扩散；索体内腐蚀因子含量与拉索钢丝腐蚀程度呈正相关。　　（5）通过理论分析及推导，建立了腐蚀因子在索体内的三维扩散模型及腐蚀拉索空间损伤演化模型。基于Fick第二定律（扩散动力学方程）和多孔介质中的粒子传播理论，建立了桥梁拉索电化学腐蚀的腐蚀因子浓度三维扩散模型，并根据盐雾腐蚀试验腐蚀拉索索体内腐蚀因子测量结果，拟合出扩散系数；结合拉索钢丝腐蚀量计算模型，建立了腐蚀拉索空间损伤演化模型。
作者：	王宇
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