桥梁缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试方法技术

本发明专利技术公开一种桥梁缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试方法，属于桥梁工程技术领域

【技术实现步骤摘要】
桥梁缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试方法


[0001]本专利技术属于桥梁工程
，具体涉及到桥梁缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试方法
。

技术介绍

[0002]桥梁缆索是大跨径桥梁的主要承重部件，在运输
、
施工或桥梁运营期间，护套不可避免地磨损
、
老化或开裂，缆索钢丝可能会受到酸雨或海洋环境的腐蚀，在腐蚀作用下钢丝表面会产生蚀坑
。
同时，缆索钢丝在服役过程中承受车辆
、
风和温度等疲劳载荷的作用，在腐蚀和疲劳耦合的作用下，蚀坑处由于应力集中萌生疲劳裂纹，腐蚀会加快裂纹扩展速率，导致钢丝发生疲劳断裂失效
。
[0003]腐蚀是钢丝裂纹扩展特性的重要影响因素之一，目前的试验研究方式，大多是对钢丝进行预腐蚀处理后，进行单一疲劳加载，而对钢丝在腐蚀与疲劳同时作用下的研究较少
。
因此，为了研究桥梁缆索钢丝实际使用过程中客观存在的腐蚀疲劳损伤演变规律，有必要研发缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试方法
。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于提供桥梁缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率的测试方法，为缆索钢丝的腐蚀疲劳寿命评估和研究腐蚀疲劳裂纹扩展规律提供技术支持
。
[0005]解决上述技术问题采用的技术方案是：一种桥梁缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试方法，包括以下步骤：
[0006]A、
制备试件；
[0007]选用平直
、
>光滑无弯曲的高强钢丝切割为
600mm
的节段作为试验试件，采用钼丝切割的方式在钢丝试件正中间加工直线形缺口，切口深度为
0.1D
±
0.1mm(D
为钢丝直径
)
，切口宽度为
0.2mm
，在试件缺口正背侧准确粘贴应变片，通过
502
胶水和
302
改性丙烯酸酯
AB
胶进行密封，并与测试导线连接；
[0008]B、
安装试件；
[0009]将步骤
A
中制备的试件穿过腐蚀模拟装置，通过上下两夹具体固定在疲劳试验机上，使得试件中心线与夹具轴线重合，并将测试导线与动态应变监测设备连接；
[0010]C、
预制裂纹；
[0011]采用逐级降载的方法预制裂纹，目的在于制造一个足够长且尖锐的平直裂纹，保证后续的裂纹扩展速率试验不受裂纹前端形状变化的影响；
[0012]D、
固定腐蚀模拟装置至腐蚀疲劳耦合段，向步骤
B
中腐蚀模拟装置内注入腐蚀溶液，可根据钢丝实际服役环境调整溶液的成分
、
浓度和
pH
值等；其中，腐蚀模拟装置与钢丝接触可采用
704
硅橡胶密封；
[0013]E、
进行腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验；
[0014]对步骤
C
中预裂纹试件进行疲劳试验，通过动态应变监测系统和疲劳试验机加载
获得实时循环次数下裂纹背侧的应变，疲劳载荷循环加载，直到试件断裂；
[0015]F、
计算一定循环次数下裂纹深度；
[0016]F1、
采用动态应变仪采集的应变数据，提取循环次数
N
i
下的裂纹背侧峰值应变
ε
，计算缆索钢丝裂纹背侧柔度
X
：
[0017][0018]其中，
σ
为钢丝两端的远场应力，单位：
MPa
；
ε
为应力
σ
作用下裂纹背侧的应变；
E
为钢丝的弹性模量，单位：
GPa
；
[0019]F2、
计算第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹实际面积
S
：
[0020]S
＝
NA
π
D2/4
[0021]其中，
NA
为缆索钢丝裂纹的归一化面积；
D
为缆索钢丝的直径，单位：
mm
；
[0022]F3、
根据第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹实际面积
S
和裂纹深度
a
的关系，得到对应的裂纹深度
a
i
；从而获得第
N
i
次循环载荷下的循环次数
N
i
与裂纹深度
a
i
一组数据；
[0023]G、
计算不同循环次数下缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅值，并拟合确定与材料相关的参数
m
和
C
；
[0024]H、
计算缆索钢丝在给定的裂纹深度
a
和应力幅值
Δσ
下的腐蚀疲劳裂纹扩展速率
da/dN
：
[0025]da/dN
＝
C(
Δ
K)
m
[0026]其中，
Δ
K
为缆索钢丝的应力强度因子幅值，单位：
MPa
·
m
1/2
。
[0027]本专利技术的步骤
F2
中第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹的归一化面积
NA
与缆索钢丝裂纹背侧柔度
X
的关系为：
[0028]0＜
X≤0.96,or 0.04≤NA≤0.4,
[0029]NA
＝
0.40324
‑
0.15244X
‑
0.12672X2‑
0.20316X3+0.23643X4+0.23529X5‑
0.40445X6,
[0030]R2＝
0.993
；
[0031]‑
4≤X≤0,or 0.4
＜
NA≤0.66,
[0032]NA
＝
0.40367
‑
0.16548X
‑
0.07415X2‑
0.0195X3‑
0.00181X4[0033]R2＝
0.987
[0034]其中，
R2为决定系数，
R2越接近于1，拟合回归效果越好
。
[0035]本专利技术的步骤
F3
中第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹面积
S
和裂纹深度
a
的关系为：
[0036]1.5mm2≤S≤30mm2,0.7mm≤a≤5.5mm,
[0037]a
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种桥梁缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于包括以下步骤：
A、
制备试件；选用平直
、
光滑无弯曲的高强钢丝切割为
600mm
的节段作为试验试件，采用钼丝切割的方式在钢丝试件正中间加工直线形缺口，切口深度为
0.1D
±
0.1mm(D
为钢丝直径
)
，切口宽度为
0.2mm
，在试件缺口正背侧准确粘贴应变片，通过
502
胶水和
302
改性丙烯酸酯
AB
胶进行密封，并与测试导线连接；
B、
安装试件；将步骤
A
中制备的试件穿过腐蚀模拟装置，通过上下两夹具体固定在疲劳试验机上，使得试件中心线与夹具轴线重合，并将测试导线与动态应变监测设备连接；
C、
预制裂纹；采用逐级降载的方法预制裂纹，目的在于制造一个足够长且尖锐的平直裂纹，保证后续的裂纹扩展速率试验不受裂纹前端形状变化的影响；
D、
固定腐蚀模拟装置至腐蚀疲劳耦合段，向步骤
B
中腐蚀模拟装置内注入腐蚀溶液，可根据钢丝实际服役环境调整溶液的成分
、
浓度和
pH
值等；其中，腐蚀模拟装置与钢丝接触可采用
704
硅橡胶密封；
E、
进行腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验；对步骤
C
中预裂纹试件进行疲劳试验，通过动态应变监测系统和疲劳试验机加载获得实时循环次数下裂纹背侧的应变，疲劳载荷循环加载，直到试件断裂；
F、
计算一定循环次数下裂纹深度；
F1、
采用动态应变仪采集的应变数据，提取循环次数
N
i
下的裂纹背侧峰值应变
ε
，计算缆索钢丝裂纹背侧柔度
X
：其中，
σ
为钢丝两端的远场应力，单位：
MPa
；
ε
为应力
σ
作用下裂纹背侧的应变；
E
为钢丝的弹性模量，单位：
GPa
；
F2、
计算第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹实际面积
S
：
S
＝
NA
π
D2/4
其中，
NA
为缆索钢丝裂纹的归一化面积；
D
为缆索钢丝的直径，单位：
mm
；
F3、
根据第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹实际面积
S
和裂纹深度
a
的关系，得到对应的裂纹深度
a
i
；从而获得第
N
i
次循环载荷下的循环次数
N
i
与裂纹深度
a
i
一组数据；
G、
计算不同循环次数下缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅值，并拟合确定与材料相关的参数
m
和
C
；
H、
计算缆索钢丝在给定的裂纹深度
a
和应力幅值
Δσ
下的腐蚀疲劳裂纹扩展速率
da/dN
：
da/dN
＝
C(
Δ
K)
m
其中，
Δ
K
为缆索钢丝的应力强度因子幅值，单位：
MPa
·
m
1/2
。2.
根据权利要求1所述的桥梁缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于：所述的步骤
F2
中第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹的归一化面积
NA
与缆索钢丝裂纹背侧柔度
X
的关系为：
0
＜
X≤0.96,or 0.04≤NA≤0.4,NA
＝
0.40324
‑
0.15244X
‑
0.12672X2‑
0.20316X3+0.23643X4+0.23529X5‑
0.40445X6,R2＝
0.993
；
‑
4≤X≤0,or 0.4
＜
NA≤0.66,NA
＝
0.40367
‑
0.16548X
‑
0.07415X2‑
0.0195X3‑
0.00181X4R2＝
0.987
其中，
R2为决定系数，
R2越接近于1，拟合回归效果越好
。3.
根据权利要求1所述的桥梁缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于：所述的步骤
F3
中第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹面积
S
和裂纹深度
a
的关系为：
1.5mm2≤S≤30mm2,0.7mm≤a≤5.5mm,a
＝
‑
0.11955+0.44831S
‑
0.02256S2+6.72732
×
10
‑4S3‑
7.16829
×
10
‑6S4R2＝
0.996。4.
根据权利要求1所述的桥梁缆索钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春生，李熙，史捷，熊新，吕兴豪，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：