腐蚀能起钢桥使用状态恶化,是影响钢桥寿命和安全性的主要因素

（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）：
1．项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。

附主要参考文献目录）；
1.1 研究的意义 腐蚀能起钢桥使用状态恶化，是影响钢桥寿命和安全性的主要因素[1]。

据日10～15％；若双面被腐蚀各达
腐蚀断裂的年破断率大约是0.2%。

山东某建在盐碱地上的大桥，只使用了8年就已经拆除重建。

2003年我国工业和自然环境腐蚀问题调查报告表明：我国的年腐蚀损失约为5000亿，占国民生产总值的5%。

我国地处多个气候地带，长江以南地区相对湿度超过80%的时间每年在200天以上。

我国海岸线长达一万多公里，海水和海洋大气中的氯离子弥漫在这些地区。

目前国内外修建很多大型跨海桥梁，这些跨海大桥都是钢桥，而这些桥梁基本都处于腐蚀环境中。

目前对于钢桥来说，连接节点的破坏是主要的破坏形式之一。

海洋环境大体分为五个区带，每个区带都有它特有的环境特点。

这五个区带为：海洋大气带、海洋飞溅带、海水潮差带、海水全浸带以及海泥带。

每个区带的腐蚀特征都不同。

一般，滨海桥梁主体结构的节点位于海洋大气带。

海洋大气环境中，材料处于干湿交替区，腐蚀严重。

腐蚀会引起节点受力性能的改变，在动力荷载的作用下，高强螺栓的承载能力将失效甚至直接导致破坏。

1981年日本对东
海道本线大井川桥等8座桥进行了检查[2]，运用"x 光衍射法"分析螺杆部的腐蚀生成物, 分析结论为：在箱形梁内部和直接受雨淋的部位,特别是在夏季高温高湿环境中，螺杆部也会生成黑锈(Fe 3O 4)而受腐蚀，当螺栓强度降至可能导致滞
后破坏的数值时,就有破坏的危险。

我国1998年建成的南盘江大桥，在2008年检测发现主桁上节点板锈蚀，80%中度锈蚀（锈坑深度0.6-1.2mm），10%轻度锈蚀（防护涂层劣化，起皮、剥离），如图 [3]观景平台检测发现，虽然仅仅通车4年，如图 2所示。

图 1 南盘江大桥主桁节点
图 2 某跨海大桥观景平台高强螺栓节点
另外对于钢桥来说疲劳破坏是主要的破坏形式之一。

据美国土木工程协会统计，80% ～ 90% 的钢桥破坏均与疲劳有关。

2007年8月1 ，美国 35 号州际公路西线（I-35W）密西西比河大桥在下午交通高峰期突然垮塌（如图 3所示），造成 8 人死亡。

早在2001年，明尼苏达大学土木系已经对该桥的疲劳寿命进行了研究，并指出该桥主桁架存在疲劳损伤的情况。

1994年10月韩国汉城汉江上的圣水大桥中央断塌50m（如图 4所示），造成死亡32人的重大事故，调查结果表明桥梁断裂的原因是桥梁长期超负荷运营，下部钢桁梁螺栓节点发生疲劳破坏。

2001 年 1 月，美国威斯康星州密尔沃基市的 Daniel Webster Hoan Bridge 的引桥因为疲劳以及脆性断裂而断裂成三截。

2001年11月７日宜宾市南门大桥发生疲劳断裂事故，有两辆客车坠下河岸和江中，造成二人失踪，致使金沙江南北两岸交通中断（如图 5所示）。

a. 垮塌前
b. 垮塌后
图 3 I-35W 密西西比河大桥
图 4 圣水大桥断塌 图 5 四川宜宾南门大桥断裂 滨海钢桥的高强螺栓连接节点受动力循环荷载作用,在服役过程中始终处于复杂的应力状态下。

另外，由于长期暴露在腐蚀性海洋大气环境，其受力特点不同于其他海上构造物，存在腐蚀和疲劳荷载耦合作用，即：腐蚀－疲劳－再腐蚀－再疲劳……，直至结构破坏。

其疲劳性能与正常环境下的桥梁相比有较大幅度的降低。

节点的损伤往往会引起桥梁结构的受力状态的改变,致使整座桥梁的安全性、耐久性以及使用寿命不同程度的降低，所以应对高强螺栓连接节点的损伤机理和使用寿命展开深入研究。

1.2 国内外研究的现状和发展动态
1.2.1 钢材腐蚀研究概况
钢材根据腐蚀破坏的外观形式可分为：均匀腐蚀、缝隙腐蚀、点腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、成分选择腐蚀、冲刷腐蚀、应力腐蚀。

1916 年，美国试验与材料学会（ASTM）就开始进行大气腐蚀研究，他们先后搜集了各种大气腐蚀的数据，总结腐蚀规律，探讨腐蚀机理。

Larrabee-Coburn [4]在美国所做的270 种钢的暴露试验。

Melchers[5]研究了近海钢结构腐蚀坑模型，建立了考虑点腐蚀的近海钢结构可靠度评估方法。

Rahgozar[6]等分析了点腐蚀对剩余疲劳寿命的影
响，并得到剩余疲劳寿命与厚度损失之间的定量关系。

Robert E. Melchers[7]
对比研究了铸铁和钢在大气和海洋环境下的长期腐蚀后性能。

Ruben Pérez-Mora 等[8]通过高周疲劳试验研究海水腐蚀和疲劳荷载耦合作用下高强钢的力学性能。

我国开始进行腐蚀试验是从上世纪的 50 年代中期开始的。

1980 年，我国在大气、土壤及海洋环境中对于一些常用材料全面展开了中长期且系统的腐蚀试验研究，并且很多有价值的研究成果也已经获得。

战昂[9]将腐蚀疲劳寿命评估模型应用于实桥,分析腐蚀对该桥疲劳裂纹形成和扩展的影响,并基于断裂力学对该桥进行了腐蚀疲劳寿命评估。

徐善华[10]以无涂层 Q235 钢为研究对象，采用恒温恒湿法进行快速腐蚀试验，用粗糙度测试仪记录表面腐蚀形貌，计算出最大腐蚀深度和平均腐蚀深度，利用点蚀因子对表面特征进行描述。

叶肖伟等[11]利用疲劳损伤累积 Miner 准则连续函数概率解析表达式，建立了钢材锈蚀引起的有效截面积衰减模型及疲劳性能退化函数。

苟义龙等[12]采用损伤力学和有限元相结合的方法，建立基于损伤力学假设的点蚀损伤疲劳寿命预估模型，并提出一种改进型损伤参数反演方法。

1.2.2 高强螺栓性能研究动态
对于高强螺栓节点连接性能，许多学者主要从以下三个方面展开研究，即：高强螺栓断裂分析、高强螺栓节点力学性能试验和高强螺栓节点数值模拟。

（1）高强螺栓断裂分析
张海峰[13]采用多种分析手段，对螺栓断口及基体进行了分析。

结果表明，高强螺栓断裂的原因为疲劳断裂、氢脆断裂及应力腐蚀断裂，其中氢脆断裂主要发生于裂纹形成初期。

刘淑珍[14]对铁路钢桥上使用的40B高强度螺栓进行了断裂失效分析、断件及断口检测。

试验结果表明，高强螺栓断裂失效主要是由大气应力腐蚀开裂导致的延滞断裂。

林清[15]对某海上设备使用的高强螺栓的断裂原因进行了外观检查、断口宏观、微观分析、氢含量检测、金相组织检查及硬度检测等试验。

试验表明，该型高强螺栓断裂性质是由应力、氢和氧共同作用引起的氢致开裂型应力腐蚀断裂。

欧阳卿[16]釆用断裂力学分析了螺栓螺纹根部表面I型裂纹的应力强度因子,对带有不同长度初始裂纹的螺栓进行了寿命估算,研究了不同长度裂纹对高强螺栓疲劳寿命的影响。

雷宏刚等[17]应用线弹性断裂力学中Paris裂纹扩展速度公式，对M20高强度螺栓的疲劳寿命进行估算，理论计算结果与试验结果规律性吻合较好。

（2）高强螺栓节点力学性能试验
Junker[18]是第一个通过试验发现横向动态剪力是螺栓松动的重要原因。

Yamamoto和Kasei[19]提出了一个基于两阶段松动理论的螺栓螺母相对滑动的量
化模型。

Yanyao Jiang[20]等通过模型试验得到高强螺栓节点在横向周期荷载作用下一个典型的松动过程，如图 6所示。

图中P 代表了预紧力大小， P
代表了
初始预紧力，θ代表了螺栓螺母与螺杆的相对转动角度，从图 6中可看到两个明显的阶段。

在这个过程的第Ⅰ阶段（早期阶段），螺母与螺栓之间没有相对转动，松动是由材料的变形引起的。

另外一个阶段（第Ⅱ阶段）就是有非常明显的螺母回转以及预紧力的迅速损失。

图 6 高强螺栓横向荷载作用下两阶段松动过程
MARCELO[21]通过疲劳试验，研究了不同种类高强螺栓的疲劳性能。

Hobbs[22]
等人通过试验研究了高强螺栓在偏心何在下的疲劳性能。

姜忠良、黄洪钟、张萌[23-25]等通过理论分析和模型试验，研究了高强螺栓在腐蚀环境下的断裂力学特性，建立了锈蚀程度与高强螺栓静力连接性能指标的定量关系，探讨了腐蚀前后高强螺栓连接试件的荷载与位移关系。

Korin[26]通过疲劳试验，估算高强螺栓的疲劳寿命，并对高强螺栓的疲劳裂缝开展过程进行研究，研究发现裂缝长度可以通过螺栓的刚度来度量。

L. Solazzi [27]等人将不同材质的M8X1.25的螺杆浸入3.5%NaCl溶液中，经过20天、40天和60天取出试样，进行静力和疲劳试验，分析腐蚀对强度因子的影响。

强旭红等[28]对四个足尺高强螺栓连接节点进行了模拟自然火灾试验,采用数值分析的最小二乘法,得到了该类节点各主要参数与其所经历的最高火灾温度相关的拟合公式。

S.M. Takhirov等[29, 30]通过实验和非线性数值模拟，分析了梁柱高强螺栓连接节点抗震性能与螺栓、连接件之间的关系。

胡安吉[31]对 12 个高强螺栓拼接节点进行了低周反复加载试验，研究拼接节点在循环荷载作用下的疲劳性能和滞回性能。

（3）高强螺栓节点力学性能数值模拟
Yongjiu Shi等[32]分析了单个高强螺栓节点的抗剪性能，通过有限元计算得
到了单个螺栓节点的抗剪滞回曲线。

Primoz Moze等[33]通过实验和数值模拟,得到了含有多个高强螺栓的节点的抗剪滞回曲线。

杨兴林[34]为了研究高强螺栓使用中发生延迟断裂的原因，建立了高强螺栓应力腐蚀断裂的数学模型。

周焕延[35]为了考虑实际工程中摩擦型高强螺栓在摩擦力被克服后的剩余承载能力，运用ANSYS有限元分析软件对高强螺栓群偏心受剪全过程进行了数值模拟。

分析结果表明，摩擦型高强螺栓是按照刚度条件来确定其极限状态。

许娟[36]分析计算了螺栓间距及数量这两个因素对摩擦型高强螺栓连接滑移荷载的影响，得出滑移荷载与螺栓间距的关系曲线。

贾连光[37]对高强螺栓端板连接中的外伸式节点进行三维非线性有限元分析，得到螺栓数目、螺栓直径、端板厚度等影响因素节点的极限承载力的影响。

雷宏刚等[38]定量探讨螺栓直径、螺纹升角、螺纹牙根圆角半径及螺栓球四个主要影响因素，建立了适用于各种规格高强度螺栓疲劳缺口系数的通用计算公式。

王春生等[39]通过对典型的钢桥塔塔-基连接构造形式进行数值分析与简化分析,得到了埋入式连接和螺栓锚固式连接的受力特性,并对埋入式连接和螺栓锚固式连接的力学性能进行了比较和分析。

卫星、强士中等[40]分析发现螺栓连接节点的疲劳强度与拼接板板厚公差有关,建议板厚差控制在2 mm以内。

总而言之，目前单独对疲劳问题或者腐蚀问题的研究较多,但是对二者联合作用的腐蚀疲劳问题研究相对较少,且多集中于对金属腐蚀疲劳的机理及其影响因素的研究,对于腐蚀和疲劳荷载耦合作用下高强螺栓节点方面的研究更是少之又少。

因此有必要对腐蚀环境下钢桥高强螺栓连接节点的疲劳破坏模式、损伤机理及使用寿命等方面展开研究。

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2．项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键科学问题（此部分为重点阐述内容）；
2.1 研究内容
（1）分析高强螺栓节点在腐蚀和疲劳荷载耦合作用下的破坏模式和损伤机理。

通过数值分析和试验研究，讨论不同锈蚀率对高强螺栓摩擦副摩擦系数影响，研究锈蚀率对高强螺栓节点疲劳寿命的影响。

通过扫描电镜观察断口疲劳源、疲劳辉纹及瞬断区特征，研究高强螺栓节点在腐蚀和疲劳荷载耦合作用下的破坏模式、损伤演变过程及其损伤机理。

（2）研究腐蚀和疲劳荷载耦合作用对高强螺栓节点疲劳寿命的影响，建立钢桥高强螺栓节点疲劳寿命预测模型。

任何材料都是有缺陷的,而且高强螺栓节点在腐蚀环境下会出现锈蚀坑，疲劳裂纹都源于这些初始缺陷。

基于断裂力学和疲劳试验结果，结合船舶、飞机和钢筋混凝土结构腐蚀疲劳评估的研究方法，建立腐蚀和疲劳荷载耦合作用下高强螺栓节点疲劳寿命预测模型，在此基础上评估既有钢桥高强螺栓节点的剩余寿命，进而评估结构的安全性。

（3）结合疲劳可靠度理论和断裂力学理论，分析高强螺栓节点在腐蚀和疲劳荷载耦合作用下疲劳寿命的可靠度指标。

结构材料、疲劳荷载和外部环境等影响因素都存在随机性。

用确定性的方法不可能对上述各种不确定因素的影响做出客观的反映,保证结构绝对安全而不发生疲劳破坏是非常困难的。

因此,有必要将影响结构疲劳寿命的主要因素用随机变量或随机过程来描述,在充分考虑这些不确定因素的基础上,结合断裂力学的理论，分析高强螺栓节点在腐蚀和疲劳荷载耦合作用下疲劳寿命的可靠度指
标。

2.2 研究目标
（1）探索高强螺栓节点在腐蚀和疲劳荷载耦合作用下的破坏模式和损伤机理。

基于已有的研究成果，结合疲劳试验和数值模拟，总结腐蚀和疲劳荷载对高强螺栓节点疲劳寿命的影响规律，探索高强螺栓节点在腐蚀和疲劳荷载耦合作用下的破坏模式和损伤机理。

（2）建立高强螺栓连接节点疲劳寿命预测模型。

分析锈蚀率对高强螺栓节点接触副摩擦系数和预紧力的影响，提出高强螺栓腐蚀疲劳性能验算方法,并评估既有钢桥高强螺栓节点腐蚀疲劳寿命。

（3）给出高强螺栓节点在腐蚀和疲劳荷载耦合作用下疲劳寿命的可靠度指标。

主要包括：建立疲劳载荷的概率模型、建立疲劳强度的概率模型和建立疲劳寿命的可靠度模型。

通过本项目研究，将在国内外核心刊物或重要学术会议上发表论文10～12 篇，其中在SCI 或EI 收录期刊上发表论文5～7 篇，参加国际学术会议2～3次。

另外，培养研究生3～5 名。

2.3 拟解决的关键技术问题
（1）高强螺栓节点锈蚀后，如何在线测量高强螺栓的剩余预紧力，是研究腐蚀对高强螺栓节点预紧力影响的关键问题。

（2）实际结构腐蚀的同时受到疲劳荷载，如果按常规方式先制作腐蚀构件，再做疲劳试验，和实际情况存在差异。

如何减小这种差异所带来的影响是试验的关键问题。

（3）试件的锈蚀深度，锈坑的形状、位置、数量是随机性。

如何高效、准确模拟腐蚀程度，并建立相应的三维有限元模型是数值分析的关键问题。

3．拟采取的研究方案及可行性分析（包括研究方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）；
3.1 研究方法
（1）模型实验
1）制备腐蚀试件
A．根据试验机性能，选择合适的几何比尺，设计高强螺栓连接节点。

同时制备平行试件至于普通环境中，用于对比试验。

B．采用盐雾试验制备腐蚀试件。

一般用盐雾试验模拟海洋大气对金属的加速腐蚀试验。

盐雾试验包括中性盐雾试验（NSS
试验）和醋酸盐雾试验（CASS
美国材料试验协会标准，中性盐雾试验标准为：试液为5%NaCl
雾化压缩空气压力为0.7-1.8kg/cm2
度为1.6-2.5mL/(h·dm2)。

依据Wachter-Treseder准则，在盐雾箱内做中性盐雾（NSS）试验，获得不同腐蚀程度的试件。

2）采用埋入式螺栓紧固力传感器在线测量腐蚀后高强螺栓节点剩余预紧力。

在待测螺栓的六角帽中心打一个直径2mm的盲孔（如图 7所示），在孔内安装埋入式应变计，经过封胶固化等处理程序后，放在试验机上进行标定，给出螺栓所受轴向的紧固力与轴向应变的关系。

经过上述标定后，可以将装有应变计的螺栓安装在试验构件上，在腐蚀试验后通过应变仪采集螺栓轴向的应变数据，最后根据标定文件将应变换算成螺栓的轴向紧固力。

注意腐蚀试验中保护好传感器。

图 7 采用埋入式螺栓紧固力传感器
3）疲劳试验
疲劳试验采用对比试验，即由盐雾法制备腐蚀试件和普通环境下的平行试件相互对比，从中可以研究疲劳荷载和腐蚀作用先后关系对节点疲劳性能的影响。

试验示意图如图 8、图 9所示，普通试件在试验过程中去掉腐蚀箱。

将试件放置在盐雾腐蚀箱内，用盐雾法腐蚀试件和疲劳加载同时进行，最大限度的模拟腐蚀和疲劳荷载的耦合作用。

图 8 实验装置立面示意图
A
立面图
图 9 试件示意图
（2）数值计算
建立三维有限元模型，模拟腐蚀对高强螺栓节点疲劳性能的影响，并与模型试验结果相互验证。

应用大型有限元软件对高强螺栓节点不同腐蚀程度进行精细有限元分析。

采用高精度三维激光扫描系统，可建立实际腐蚀节点的数值模型，进行蚀孔特征统计，评定局部腐蚀程度，但是扫描出来的数据巨大。

本项目拟采用粗糙度测量仪记录其锈蚀形貌，即用腐蚀深度法评价腐蚀程度影响钢结构腐蚀后的力学性能的主要因素有蚀坑形状、尺寸、深度,还有表面粗糙度等。

锈蚀构件除锈后其表面局部锈蚀引起的蚀坑形状也是具有一定几何形状的,因此可以利用粗糙度理论对腐蚀后的表面进行分析，糙度检测仪测量锈坑的尺寸,从而为安全评定提供手段。

将粗糙度检测仪测得的数据输入到Matlab 中，并对曲线进行分段拟合（如
图 10），之后将曲线积分，可以得到腐蚀损失的面积0
dx Lx
A d =∫，等效厚度
'bt A t b
−=。

图 10 钢板腐蚀断面示意图
通过腐蚀深度法评价腐蚀程度，分别研究不同腐蚀程度、不同蚀坑深度、不同蚀坑形状及不同蚀坑净距对高强螺栓节点疲劳性能的影响。

建立锈蚀率、试件表面特性与高强螺栓节点疲劳寿命关系，并与模型试验结果相互验证。

（3）理论分析
基于断裂力学，结合疲劳试验，研究腐蚀裂纹扩展规律，建立腐蚀环境下高强螺栓连接节点寿命预测模型。

基于Paris 理论，考虑腐蚀效应，建立断裂力学模型。

通过试验数据进行计算反推参数C、m，进而建立疲劳寿命模型，计算剩余寿命。

将断裂力学的理论和可靠度理论相结合，给出高强螺栓节点腐蚀疲劳可靠度指标。

基于疲劳累积损伤理论及应力幅值和循环次数的统计分析，得到关于累积损伤及疲劳寿命的统计参数。

其中一些重要的变量及参数通过试验数据进行计算反推等方法得到，求得各变量的概率分布，并采用断裂K 判据进行可靠度分析。

3.2技术路线
模型试验、理论分析和数值分析和相结合，结果相互对比验证。

（1）对各腐蚀试件做疲劳试验，研究疲劳荷载对高强螺栓剩余预紧力的影响和腐蚀对接触面摩擦系数的影响。

通过扫描电镜观察断口疲劳源，疲劳辉纹及瞬断区特征，获得其疲劳性能和疲劳破坏模式；
（2）用粗糙度测量仪记录试件的锈蚀形貌，用于建立三维数值模型，通过有限元分析高强螺栓节点的疲劳特性；。