桥梁钢结构腐蚀与疲劳应力研究

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1、桥梁钢结构腐蚀与疲劳应力研究-->第一章绪论1.1研究背景和意义20世纪初期，开始诞生了钢结构房屋建筑，钢结构建筑在二战之后得到了广泛的应用。钢结构具有一系列的优点：钢结构承载能力强，力学性能好，制作简便，施工时间短，密封性能好。钢结构因为上述的优点使其具有独特的优越性，并且在各类建筑中都得到了广泛的应用，例如大跨度结构（中国国家体育场）、桥梁、高层建筑、轻型钢结构（大中型车间）、板壳结构（压力容器与长输管线）等。但是，钢结构正常使用期间经常会与它所处的环境介质之间发生物理、化学或者是电化学作用，这就是所谓的钢结构的腐蚀[1~2]。金属材料由于受到周围介质的作

2、用发生状态的变化，转变成新相，从而受到破坏，这就是金属腐蚀。经济发展越来越迅速，环境污染也越发严重，而且城市化和工业化过程也必然带来大气污染，这些都使得大气环境具有越来越严重的腐蚀性。我国由于腐蚀所造成的经济损失大概占国民生产总值的1%～5%。美国境内州级和国家级的桥梁一共279543座，其中因为腐蚀损伤需要维修的就有68466座，腐蚀率为24.5%；城镇桥梁共309792座，腐蚀率为35.4%。据资料表明，钢桥的防腐蚀涂装及后期的维修费用高达钢桥建设总费用的20%以上。我国从1978年开始至今，大量建设了斜拉桥、大跨径钢管拱桥以及悬索桥，钢桥建设有了举世瞩目

3、的发展，仅仅在长江上就建造了几十座大桥。钢桥结构发生腐蚀而造成的工程事故偶有发生，例如，四川的宜宾拱桥因为吊杆腐蚀造成桥面坠落事故，广东的海印大桥因为拉索锈断事故，这两座大桥的服役时间均不到十年。国民经济与国防建设的各个领域都有着腐蚀的存在，腐蚀所造成的危害十分严重。第一，国民经济由于腐蚀所带来的损失是巨大的。1969年，由腐蚀所带来的损失占了英国总产值的3.5%。2000年，据美国调查结果显示，由腐蚀所带来的损失占了总产值的4.7%；2002年，由于腐蚀带来的损失高达了5520亿美金。1995年，由腐蚀带来的损失高达1500亿人民币，占我国生产总值的4%，；

4、2002年更是达到国民生产总值的5%，高达4979亿人民币。由此可见，国民经济由于腐蚀所造成的损失非常巨大。第二，大量的资源及其能源都因为腐蚀所浪费掉。全世界金属损耗中的30%都是因为金属腐蚀所带来的，其中10%是不可再生资源，直接浪费掉，剩下的20%虽然可以重新冶炼，但是其中也有大约10%转变成了难以回收利用的腐蚀产物，例如铁锈等氧化产物。第三，一些设备破坏事故以及环境污染问题也是由于腐蚀所造成的。例如，设备腐蚀所造成的物料流失，跑冒滴漏，逸散有毒气体，污染水源、大气、土壤等。更严重的会造成设备穿孔甚至断裂，会带来如爆炸、毒气弥散、失火等突发性事故，这些都会

5、带来灾难性的后果[3]。综上所述，钢结构因为腐蚀所带来的损害是非常严重的，整个结构坍塌，往往就是从一个小小的腐蚀坑引起的，这小小的腐蚀坑造成了应力集中最终引起引起结构裂断。在修建大跨度桥梁时，世界各国都广泛采用钢桥，这是因为钢桥相对于混凝土桥来说具有一系列的优点，例如，桥梁钢结构跨度大、自重轻，现代钢桥也有更加合理的结构形式，而且钢结构件适用于标准化设计与工业化制造，易于运输与安装，施工时间短等。.................................1.2国内外研究现状20世纪以来，随着各类建筑行业中广泛应用钢材，钢材在各种环境下的腐蚀破坏行为逐渐

6、成为国内外金属材料学科的研究对象。大气环境是最常见的工程环境，国外对腐蚀的最初研究就是从大气腐蚀开始的。1916年，美国试验与材料学会（ASTM）就已经开始进行大气腐蚀研究[4]，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[5]，其中较为系统和全面的要数Larrabee-Coburn在美国所做的15.5年3个试验点270种钢的暴露试验。近年来，比较系统全面的暴露研究有：Kucera等人在捷克以及瑞典8年的暴露试验，Shastry等人在美国3个试验点4种钢16年的暴露试验。在印度，Khanna等对316及304不锈钢做了暴露试验，并且探讨了暴露

7、试验中热处理工艺对不锈钢的影响[6]。Button等在英国不同地区考察了316不锈钢暴露4～30年的腐蚀情况，特别研究了尘粒对于腐蚀的影响，证明了点蚀可能会因为尘粒沉着而造成，并且会加速腐蚀。在美国的两个地方，Kearns对38种不锈钢进行了5～28年的暴露研究，并且采用了色泽计测量试样的失色程度，证明了不锈钢大气腐蚀可以由Cr、Mo提高。Johnson对于大气腐蚀方面夹杂物与点蚀发生的关系做了研究，以及在不同二氧化硫浓度下各类沉积物与点蚀发生的关系方面也做了研究，认为点蚀的发展与夹杂物没有必然的关系，而且认为二氧化硫与氯化钠沉积的综合作用是不锈钢点蚀发生的主

8、要原因。Azzerri测量了腐蚀电位随