服役环境条件下拉索腐蚀疲劳损伤机理与破损安全评估方法

This proposal focuses on the problem that the traditional methods cannot meet the demand for accurate evaluating the technique states of stayed cables under in-service environmental conditions, and puts the corrosion evolution and distribution pattern in parallel-wire cables as breakthrough point. The proposal applies theoretical analysis, accelerated corrosion experiments, numerical simulation, statistical analysis and in-place test methods to explore proper accelerated corrosion test method under coupled alternating stress and corrosive environment, to investigate the corrosion fatigue damage mechanism, evolution rules and distribution patterns of galvanized wires and stayed cables, to find a proper evaluation methodology of corrosion stayed cables based damaged safety theory. This proposal tries to solve two scientific problems, such as the damage equivalence approach to conduct accelerated corrosion experiments under coupled alternating stress and corrosive environment, and the corrosion evolution and its distribution pattern in parallel-wire cables under in-service conditions. The aim of this project is to propose a similarity criterion for accelerated corrosion experiment, to reveal corrosion evolution and its distribution pattern in parallel-wire cables, and to establish a damage-safety evaluation method of damaged cables. The prospective achievement of this proposal will provide technical reference for the accurate evaluation and extending service life of damaged cables.

针对传统方法无法满足服役环境条件下拉索索技术状况准确评估的问题，以索体内部锈蚀发展及空间分布为突破点，采用理论分析、加速试验、数值模拟、统计分析和实桥验证相结合的研究方法，探索交变荷载与环境耦合作用下拉索腐蚀疲劳加速试验方法，研究服役环境条件下高强钢丝腐蚀疲劳损伤机理和平行钢丝索体内部锈蚀发展规律和空间分布特征，寻求拉索系统破损安全的可靠度评估方法，着重解决交变荷载与环境参数的耦合损伤等效理论与解耦方法、交变荷载和环境耦合作用下索体内部锈蚀形态空间分布和发展规律等关键科学问题。项目预期将提出基于拉索损伤等效的加速腐蚀疲劳实验相似准则，揭示服役环境条件下索体内部腐蚀发展规律及其形态的空间分布特征，建立拉索剩余寿命预测模型与破损安全评价方法，研究成果将为科学评价斜拉桥拉索技术状况、延长拉索使用寿命提供理论依据和技术支撑。

针对传统方法无法满足服役环境条件下拉索索技术状况准确评估的问题，以索体内部锈蚀发展及空间分布为突破点，采用理论分析、加速试验、数值模拟、统计分析和实桥验证相结合的研究方法，（1）开展了基于长期监测的随机车流下拉索疲劳荷载谱的统计特征研究，在某实际桥梁的拉索内部安装磁通量传感器用以监测拉索活载索力变化，分析拉索疲劳荷载谱的统计特征，提出随机车流条件下拉索疲劳荷载谱，为后续荷载-环境耦合加速试验的荷载输入提供依据。（2）开展了交变荷载与环境耦合作用下高强钢丝腐蚀疲劳损伤机理及其力学行为研究，利用荷载-环境耦合试验平台模拟钢丝真实服役环境（侵蚀环境和交变应力耦合作用），通过正交加速腐蚀试验系统研究不同环境强度和疲劳荷载下钢丝的腐蚀历程；探索钢丝腐蚀疲劳损伤的唯象特征指标（表面锈蚀深度、蚀坑深度和形状、失重率、极限强度、极限应变、伸长率、疲劳强度、等效腐蚀裂纹深度等）的统计特性及其时变规律。（3）研究了拉索内部钢丝锈蚀状态空间分布特征及其时随规律，以多截面最小钢丝直径为评价标准建立了单根钢丝的锈蚀演化模型和拉索内部腐蚀介质侵蚀路径规划模型；以腐蚀介质的最短侵蚀距离以及腐蚀时长为关键参数建立了双参数索内钢丝锈蚀演化概率模型；（4）分析了车致拉索疲劳损伤及腐蚀疲劳特性，根据金属腐蚀理论建立腐蚀疲劳耦合动力学方程，利用COMSOL对各工况下蚀坑的发展进行模拟，再根据响应的截面损失考察短拉索的疲劳损伤度改变情况；分析了腐蚀疲劳耦合作用下对拉索疲劳损伤带来的影响。项目着重解决了交变荷载与环境参数的耦合损伤等效理论与解耦方法、交变荷载和环境耦合作用下索体内部锈蚀形态空间分布和发展规律等关键科学问题。研究成果将为科学评价斜拉桥拉索技术状况、延长拉索使用寿命提供理论依据和技术支撑。