跨海斜拉桥BFRP拉索多因素耦合作用长期性能预测分析.pdf

第37 卷第4期2023 年8 月Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition)D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.04.016江苏科技大学学报（自然科学版）Vol.37No.4Aug.2023跨海斜拉桥乔BFRP拉索多因素耦合作用长期性能预测分析杨亚强1,张陈晨,詹（1.江苏科技大学土木工程与建筑学院，镇江2 12 10 0）（2.南京工程学院建筑工程学院，南京2 1116 7）摘要：玄武岩纤维增强复合材料（basalt fiberreinforced polymer，BFRP）拉索应用于跨海斜拉桥，能够突破传统钢拉索的跨度和耐久瓶颈，满足海洋环境下大跨桥梁的轻量化、高耐久、长寿命需求.为了研究实际服役环境下跨海斜拉桥BFRP拉索的长期性能,基于多因素耦合耐久性人工加速试验，测试了多因素耦合作用下BFRP拉索的基本力学性能,结合实验数据与多因素寿命预测模型,分析评估了多因素耦合作用下跨海斜拉桥BFRP拉索的长期性能.研究结果表明：多因素耦合作用初始阶段BFRP拉索拉伸强度下降显著，但随着作用时间的增加强度下降趋势逐渐减缓；BFRP拉索弹性模量退化程度较低且规律不明显；50 年实际服役环境下BFRP拉索的强度保留率保持在7 0%以上关键词：跨海斜拉桥;BFRP拉索；多因素耦合作用；寿命预测；长期性能中图分类号：U398.+9Long-term performance study on BFRP cables of cross-seacable-stayed bridge under multi-factor coupled actionYANG Yaqiang,ZHANG Chenchen,ZHAN Yang,WU Dongyue,(1.School of Architecture and Civil Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212100,China)(2.School of Architecture Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)Abstract:Application of basalt fiber reinforced polymer(BFRP for short)cable on cross-sea cable-stayed bridgecan break the span and durability bottlenecks of traditional steel cable,which will satisfy the requirement of lightweight,high durability,and long life of the long-span bridge in marine environment.To study the long-term per-formance of BFRP cable on cross-sea cable-stayed bridge in actual service environment,we tested the basic me-chanical performance of BFRP cable under multi-factor coupled action based on the multi-factor coupled durabili-ty experiments.The long-term durability of BFRP cable on cross-sea cable-stayed bridge under multi-factor cou-pled action was analytically estimated according to the experimental data and multi-factor coupled life predictionmodel.The results indicated that the tensile strength of BFRP cable under multi-factor coupled action declinedobviously in the early stage.However,the downward trend of the tensile strength slowed down with the increaseof the action time.The elastic modulus of BFRP cable under multi-factor coupled action decreased slightly with-out distinct regularity.The strength retention rate of BFRP cable on cross-sea cable-stayed bridge remained a-bove 70%in 50-year actual service environment.Key words:cross-sea cable-stayed bridge,BFRP cables,multi-factor coupled action,life prediction,long-term收稿日期：2 0 2 1-0 9-2 2基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目（2 0 2 110 2 8 90 12 Z）；国家自然科学基金青年资助项目（518 0 8 2 6 5）；江苏省高等学校自然科学研究面上项目（18 KJB560005）作者简介：杨亚强（198 4一），男，副教授，研究方向为先进复合材料在土木工程中的应用.E-mail：y a n g y q j u s t.e d u.c n引文格式：杨亚强，张陈晨，詹場，等.跨海斜拉桥BFRP拉索多因素耦合作用长期性能预测分析J.江苏科技大学学报（自然科学版），2023,37(4):98-103.D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.04.016.詹場,吴东岳,袁平平,潘志宏1文献标志码：A文章编号:16 7 3-48 0 7(2 0 2 3)0 4-0 98-0 6YUAN Pingping,PAN Zhihongperformance第4期近年来我国重大跨海通道的大规模建设中，跨度大、受力良好、建造成本低的大跨斜拉桥被广泛采用.但随着跨海斜拉桥跨度的增加，传统钢拉索自重大、垂度效应明显、承载效率下降严重等问题凸显.同时海洋腐蚀环境及复杂荷载作用下，钢拉索腐蚀、退化严重，严重威胁海洋桥梁结构的安全和服役性能，驱需一种高性能、高耐久、轻量化的新型材料拉索替代传统钢拉索，满足跨海斜拉桥结构性能与长期服役性能的需求.利用轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀的纤维增强复合材料（fiber rein-forcedpolymer,FRP）制备大跨斜拉桥拉索，能够发挥FRP材料的性能优势,增大跨海斜拉桥的跨径、提高桥梁的承载效率、延长结构的使用寿命，为实现跨海斜拉桥的轻量化、高耐久、长寿命目标提供了有效的途径2 .碳纤维增强复合材料（carbon fi-ber reinforced polymer,CFRP）由于其优异的力学与化学性能成为跨海斜拉桥拉索制备材料的首选，但是居高不下的材料成本限制了CFRP拉索在大跨斜拉桥中的推广应用3，为了兼顾跨海斜拉桥的力学性能与经济性能,对其他FRP材料制备斜拉桥拉索的可行性进行了研究,研究结果表明,相比其他FRP材料，玄武岩纤维复合材料（basaltfiberreinforced polymer,BFRP）取材天然广泛，生产成本较低，同时抗拉强度高、延伸率大、抗疲劳性能优、化学稳定性高、长期性能优异4，同时生产流程简单、能耗低、污染少，成为最具潜力的跨海斜拉桥拉索制备材料之一。随着跨海斜拉桥设计使用寿命的增加以及沿海地区海洋环境的不断恶化,FRP拉索的长期性能研究与寿命预测分析成为跨海斜拉桥结构设计与维护的关键.既有研究主要基于人工加速试验数据结合力学退化模型开展FRP材料的长期性能预测5 目前人工加速试验包括酸溶液腐蚀加速试验、碱溶液腐蚀加速试验、盐溶液腐蚀加速试验、紫外线加速老化试验、干湿老化加速试验、冻融循环加速试验等，常用的寿命预测模型包括Arrhenius模型6 、Fick模型7 以及基于强度保留率的时变模型8 等.当BFRP拉索替换钢拉索应用跨海斜拉桥时,FRP拉索受到预应力的作用，一直处于高应力工作状态，相关研究表明在“高应力”与“盐溶液腐蚀”的协同作用下,BFRP拉索的力学性能退化加剧，预测使用寿命缩短9.但实际服役环境下，跨海斜拉桥的拉索在长期服役过程中受到盐雾、紫外线、湿热、降水等环境因素与预应力荷载因素的耦合作用，多因素杨亚强，等：跨海斜拉桥BFRP拉索多因素耦合作用长期性能预测分析99的耦合作用将对BFRP拉索的长期性能与使用寿命产生重大影响，现有的力学性能退化模型无法直接用于分析多因素耦合作用下跨海斜拉桥BFRP拉索的长期性能，需要设计并开展能够模拟跨海斜拉桥实际服役环境的人工加速老化试验，同时利用加速试验数据建立BFRP拉索长期性能的寿命预测模型.为了合理评估实际服役环境下跨海斜拉桥BFRP拉索的长期性能,文中基于IEC多因子老化试验方法设计并开展了BFRP拉索的多因素耦合耐久加速试验,通过测试多因素耦合作用下BFRP拉索的基本力学性能，分析多因素耦合作用下BFRP拉索的力学性能退化规律,并基于试验结果提出了多因素耦合作用下BFRP拉索的寿命预测模型,对实际服役环境下BFRP拉索的长期性能进行预测评估.1BFRP拉索多因素耦合耐久试验1.11BFRP拉索多因素耐久试验方法实际服役情况下，跨海斜拉桥拉索主要承受成桥索力、交通荷载以及外部严酷海洋环境的协同作用,影响因素包括预应力、太阳辐射、空气中腐蚀氯离子、雨水以及湿热催化等.为了准确评估应用于跨海斜拉桥BFRP拉索的长期性能与使用寿命,需要开展能够较全面模拟跨海斜拉桥的真实多因素老化运行条件的人工加速老化试验.IEC多因子老化试验法能够合理考虑多个影响因素10，模拟实际复杂老化环境，而广泛应用于电气工程元器件的耐久性、可靠性研究中.文中基于IEC（in te r n a tio n a lelectrotechnical commission）多因子老化试验法，结合跨海斜拉桥的实际服役环境，设计了BFRP拉索的多因素耦合耐久性试验,如表1.该实验将一天分为12 个阶段，作为一个循环周期.实际服役情况下,荷载影响因素索力以及环境加速因素温、湿度始终存在,因此整个循环过程中预应力与温湿度一直发生作用.由于海洋气候的变化，紫外线、盐雾以及降水等环境影响因素则交替发生作用：太阳出现，紫外线发生作用，同时温度随之升高；温度升高到一定程度,海水蒸发出现盐雾，遮挡太阳,紫外线无法透射大气，紫外线停止作用，盐雾开始发生腐蚀老化；雾气不断凝结再加上空气中的水分子凝聚，然后开始降水，紫外线与盐雾停止作用，只有雨水发生作用；然后紫外线、盐雾与雨水继续交替发生作用.一个循环结束后,进入下一个循环.100阶段紫外线盐雾降水预应力湿热1.2BFRP拉索试验试样、设备与试验方案现阶段FRP拉索由FRP筋材按照一定的方式排列组合而成,因此FRP拉索的长期性能通常通过FRP筋材的耐久性试验评估预测1I.选取常用锚固端螺纹BFRP拉索江苏科技大学学报（自然科学版）表1跨海斜拉桥BFRP拉索多因素耦合耐久性试验方案Table 1Multi-factor coupled experiment scheme of BFRP cable on Cross-sea Cable-stayed Bridge122023年3456的直径4mm的BFRP筋材作为研究对象开展多因素耦合耐久性试验，试验用筋材中玄武岩纤维体积含量大于8 0%，参照ACI440.3R-04规范制作试验试样12 ,如图 1.应变片789锚固端螺纹101112300mm采用多因素耦合老化试验箱中开展BFRP拉索的多因素耦合耐久试验,如图2(a）.该试验箱综合配备紫外线、喷洒淋头（可喷洒盐雾与雨水）以及加热保温装置，能够在保持环境温湿度的条件，模拟紫外线、盐雾与降水的作用.为了能够保持BFRP拉索的索力,设计并制作了拉索张拉架,如图2(b).为研究BFRP拉索多因素耦合作用下基本力学性能退化的规律，分别开展了不同老化作用时间下的多因素耦合耐久性试验，如表2.根据ACITable 2Grouping and parameter of multi-factor coupled durability testing试件（预应力编组水平/f.)/%B-1B-2B-3B-4B-5注：f.表示BFRP拉索的极限拉伸强度2多因素耦合作用下BFRP拉索力学性能试验结果利用万能试验机逐次开展BFRP拉索的基本400mm图1BFRP拉索试样台Fig.1Specimen of BFRP cable440.3R-04规范的要求，每组试验均包括3个及以上的有效数据(a)多因素耦合老化试验箱图2BFRP拉索试件及多因素耦合老化试验箱Fig.2Test sample of BFRP cable and multi-factorcoupled aging test chamber表2 多因素耦合耐久性加速试验编组及参数温度/紫外线强度/(W m2)3035305050355050300mm降水强度/盐雾浓度/(mL h)-1%o1.65001.65001.65001.6500力学性能试验,测试多因素耦合作用下BFRP拉索的拉伸强度以及弹性模量等力学性能指标,相应试验结果列于表3中,多因素耦合作用下BFRP拉索基本力学性能的变化曲线如图3.由图可知，多因(b)BFRP拉索试件与张拉架老化时间/h33120331203312033120240240240240480480480480第4期素耦合老化作用下BFRP拉索的抗拉强度退化明显，最大降幅可达35.57%.整个多因素耦合作用过程中，初始阶段（耦合作用老化12 0 h）BFRP拉索的降幅最大，最大降幅为32.54%.之后的老化过程中,BFRP拉索抗拉强度的降低幅度很小,变动范围在1.7 0%与1.98%之间.多因素耦合作用下BFRP拉索的弹性模量整体呈下降趋势，但下降较小，降低幅度均小于6%，变化规律却不明显.随着多因素耦合作用时间的增加,BFRP拉索的断裂应变呈现逐渐下降的趋势.Table 3Basic mechanical testing results of BFRP cable for multi-factor coupled experiment试件作用时抗拉强度/变异系强度保留弹性模量/变异系弹模保留极限应变异系编组间/hB-10120B-2240480120B-3240480120B-4240480120B-52404801500r14001000F900058.5158.057.557.056.556.055.555.00图3多因素耦合作用下BFRP拉索基本力学性能的退化曲线Fig.3 Degenerated curve of basic mechanics of BFRPcable under multi-factor coupled action杨亚强，等：跨海斜拉桥BFRP拉索多因素耦合作用长期性能预测分析表3多因素耦合试验BFRP拉索基本力学性能试验结果MPa数/%1 469.796.571 343.420.881 250.431.391 196.857.251 194.463.731 094.990.86996.292.431 220.181.341 146.716.071 169.665.82991.541.92962.422.36946.982.85-35+0.3f,-0-50+0.3元?A35+0.5元-.50C+0.5%120240老化时间/h(a)抗拉强度-35+0.3Jg-50+0.3元.35C+0.5元-.50+0.57100200老化时间/h(b)弹性模量1013多因素耦合作用下BFRP拉索长期性能预测退化模型是根据实验室中短期人工加速条件下试验数据评估实际使用条件下结构退化程度与使用寿命的理论基础，目前FRP材料长期性能预测常用的退化模型包括Arrhenius模型6 、Fick模型7 以及Eyring模型12 等,其中Arrhenius 模型由于理论清晰、方法简单，广泛应用于FRP材料的长期性能预测分析中率/%GPa10058.2392.4056.0185.0857.5781.4357.7781.2756.0174.7957.2567.7856.4682.7255.2481.0256.4379.8555.7967.4656.2165.4855.9564.4355.93然而受限于温度单一加速因子的情况，Arrhe-nius 模型无法对多因素作用下结构的退化程度与使用寿命进行预测评估，针对多因素耦合作用下BFRP拉索的长期性能问题,文中采用改进的Ar-rhenius 残余强度衰减模型13 对多因素耦合作用下BFRP拉索的长期性能进行预测.该模型基于强度360480300400数/%5.190.290.870.292.070.090.430.361.190.340.830.590.64保留率试验结果与老化作用时间的对数线性关系，通过人工加速试验结果预测多因素耦合作用下BFRP拉索的长期性能,如：Y=alg(t)+b式中：Y为强度保留率,%;和b为试验结果拟合的回归常数.根据残余强度衰减模型分析BFRP拉索多因素耦合耐久试验结果，可得BFRP拉索的强度保500留率与老化作用时间对数的拟合曲线，如图4.从图中可知各组数据大致呈平行关系，证明不同温度作用下BFRP拉索的损伤退化机理一致，符合改进Arrhenius模型应用条件,可以应用该模型对多因素耦合作用下BFRP拉索的长期性能进行预率/%10096.1998.8799.2196.1998.3296.9694.8796.9195.8196.5396.0896.05变/%2.522.392.172.072.131.911.762.212.031.941.761.721.69数/%3.741.171.797.084.914.452.031.135.935.391.422.052.56(1)102测.由BFRP拉索的强度保留率与老化作用时间对数的拟合关系，通过回归分析得到Arrhenius残余强度衰减模型中的常数、b 列于表4中。100959035多因素耦合作用实验结果8550多因素耦合作用实验结果35多因素耦合拟合曲线-50多因素耦合拟合曲线800.70.80.9元1.0 1.1老化时间/gt图4多因素耦合作用下BFRP拉索的残余强度衰减模型Fig.4Residual strength model of BFRP cableunder multi-factor coupled action温度/5a3573.755057.927570656605550453.093.123.15,3.183.21温度/(1 0 0 0/K)图5BFRP拉索多因素耦合作用一定时间强度保留率与温度关系曲线Fig.5 Relationship curve of strength retention rate andtemperature of BFRP cable under multi-factor coupled从图5中可知多因素耦合作用一定时间时，BFRP拉索的强度保留率与温度呈线性关系,利用线性关系式2 对上述结果进行拟合（式2 中A,B为拟合回归参数）,可以得到多因素耦合作用一定时间时BFRP拉索的强度保留率与温度的关系式参数,如表6.Y=A+BXT+273.15根据拟合得到的关系式，可以分析得到BFRP江苏科技大学学报（自然科学版）表4多因素耦合作用下BFRP拉索残余强度衰减模型的拟合系数Table 4 Fitting coefficient of residual strength model ofBFRP cable under multi-factor coupled action模型类别R?35拟合模型-0.059 461.033 150拟合模型-0.059.960.974 7根据35、50 条件下BFRP拉索残余强度的衰减模型及拟合关系式，可以得到多因素耦合作用于BFRP拉索一定时间后不同温度对应的强度保留率，表5中分别列出了多因素耦合作用于1.21.3表5BFRP拉索多因素耦合作用特定时间不同温度对应强度保留率Table 5Strength retention rate of BFRP cable under multi-factor coupledaction at different temperature during specific time1a70.4154.411a5aA10a20a+30a450a3.243.27action during specific time1 0002023年模型拟合参数相关系数a6BFRP拉索1、5、10、2 0、30 及50 a时不同温度（开氏温度,K)所对应的强度保留率，以实验开氏温度的倒数(10 0 0/K)为横坐标,以强度保留率为纵坐标,绘制多因素耦合作用一定时间后BFRP拉索的强度保留率与温度的关系图,如图5.强度保留率/%10 a20 a68.9867.5452.8951.38拉索在一定多因素耦合作用时间时某一温度所对应的强度保留率,表6 列出了30 时多因素耦合作用1、5、10、2 0、30、50 a时BFRP拉索的强度保留率，分析结果表明，跨海斜拉桥BFRP拉索服役1a时，强度保留率降幅最大（约2 0.6 4%），之后强度保留率虽然随着服役时间的增加逐渐减小，但降幅却大幅缩减.上述结论与BFRP拉索多因素耦合人工加速老化试验结果一致，证明残余强度衰减模型能够较准确地对BFRP拉索的长期性能.预测结果还表明跨海斜拉桥50 a实际服役条件下，BFRP拉索的拉伸强度约为初始拉伸强度的7 1.42%，因此BFRP拉索应用跨海斜拉桥能够有效提升海洋环境下大跨桥梁的长期性能表6 BFRP拉索不同老化时间下的强度保留率预测结果Table 6 Prediction results of strength retention rateof BFRP cables at different aging times作用时模型拟合参数间/aA1-2.671 05-2.744 410-2.776 0(2)2030500.9160.94830 a50 a66.7065.6550.4949.3730多因素耦合作B用强度保留率/%1.050 379.361.062.776.111.067 974.67-2.807 61.073.3-2.826 11.076 4-2.849 41.080 373.2972.4671.42第4期4结论通过BFRP拉索的多因素耦合耐久加速试验与基本力学性能试验,讨论了多因素耦合作用下BFRP拉索的力学性能变化规律,基于Arrhenius残余强度衰减模型评估了实际服役环境下BFRP拉索的长期性能，主要得到以下结论：（1）基于IEC多因子老化试验方法,将多因素耦合耐久试验分为12 个阶段，根据跨海斜拉桥实际服役环境,设计了BFRP拉索多因素耦合耐久性试验方案.（2）不同多因素耦合条件下BFRP拉索的基本力学性能试验结果表明：多因素耦合老化作用下BFRP拉索的抗拉强度退化明显，且初始阶段BFRP拉索的降幅最大;而BFRP拉索的弹性模量与断裂应变均随作用时间的增加而下降,但弹性模量的降幅较小.（3）根据残余强度衰减模型与人工加速试验结果，分析得到了多因素耦合作用下BFRP拉索长期性能预测关系式,评估了某一温度不同多因素耦合作用时间下BFRP拉索的强度保留率,结果表明，实际服役环境下50 年内BFRP拉索的强度保留率大于7 1%.参考文献(References)【1吴智深，刘加平，邹德辉，等海洋桥梁工程轻质、高强、耐久性结构材料现状及发展趋势研究J.中国工程科学，2 0 19，2 1（3）：31-40.WU Zhishen,LIU Jiaping,ZOU Dehui,et al.Statusquo and development trend of light-weight,high-strength,and durable structural materials applied inmarine bridge engineering J.Engineering Sciences,2019,21(3):31-40.(in Chinese)2YANG Yaqiang,MOHAMEDFMF,GUAN Sujun,etal.Properties and applications of FRP cable on long-span cable-supported bridges:A review J.Compos-ite Part B:Engineering,2020,190:1-5.3FENG Bo,ZHONG Jitao,LI Hongming.An analyticalresearch about parameter influence on large-scale an-chorage region with multiple CFRP cables J.KSCEJournal of Civil Engineering,2021,25:540-551.4吴智深，汪昕，史健喆玄武岩纤维复合材料性能提升及其新型结构J工程力学，2 0 2 0，37（5）：10-23.WU Zhishen,WANG Xin,SHI Jianzhe.Advancement ofbasalt fiber-reinforced polymers（BFRPs)a n d t h e n o v e lstructures reinforced with BFRPs J.Engineering Me-杨亚强，等：跨海斜拉桥BFRP拉索多因素耦合作用长期性能预测分析struction,2015,19(3):581-589.10方雅琪，王力农，李姗姗，等复合材料杆塔人工加速老化试验及其长期性能评估J电工技术学报,2 0 17,32(19):2 12-2 19.FANG Yaqi,WANG Linong,LI Shanshan,et al.Ar-tificial accelerated ageing test for composite materialtower and its long-term performance evaluation J.Transactions of China Electrotechnical Society,2017,32(19):212-219.(in Chinese)11吴智深，汪昕，吴刚.FRP增强工程结构体系M 1版.北京：科学出版社，2 0 16.12 董志强，张光超，吴刚，等加速老化环境下纤维增强复合材料筋耐腐蚀性能试验研究J工业建筑,2 0 13,43(6)：14-17.DONG Zhiqiang,ZHANG Guangchao,WU Gang,etal.Experimental study on corrosion resistant perform-ance of BFRP bars under accelerated aging environ-ments J.Industrial Construction,2013,43(6):14-17.(in Chinese)13 1LITHERLANDK L,OAKLEY D R,PROCTOR B A.The use of accelerated aging procedures to predict thelong term strength of GRC composites J.Cementand Concrete Research,1981,11(3):455-46.（责任编辑：顾琳）103chanics,2020,37(5):10-23.(in Chinese)5 童董志强，吴刚.FRP筋增强混凝土结构耐久性能研究进展J土木工程学报，2 0 19，52（10）：1-19.DONG Zhiqiang,WU Gang.Research progress on du-rability of FRP bars reinforced concrete structuresJ.China Civil Engineering Journal,2019,52(10):1-19.(in Chinese)6SERBESCU A,GUADAGNINI M,PILAKOUTAS K.Mechanical characterization of basalt FRP rebars andlong-term strength predictive model J.Journal ofComposite for Construction,2014,19(2):3701-3713.7SAADATMANESH H,TANNOUS F E.Relaxation,creep and fatigue behavior of carbon fiber reinforcedplastic tendons J.ACI Structural Journal,1999,96(2):143-153.8 1DONG Zhiqiang,WU Gang,ZHAO Xiaolin,et al.Arefined prediction method for the long-term performanceof BFRP bars serviced in field environment J,Con-struction and Building Materials,2017，155（30):1072-1080.9WU Gang,DONG Zhiqiang,WANG Xin et al.Predic-tion of long-term performance and durability of BFRPbars under the combined effect of sustained load andcorrosive solutions J:Journal of Composite for Con-