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锈蚀高强钢丝力学性能退化的试验研究

龚帆 齐盛珂 邹易清 林才奎 王琛 周海俊

龚帆, 齐盛珂, 邹易清, 林才奎, 王琛, 周海俊. 锈蚀高强钢丝力学性能退化的试验研究[J]. 工程力学. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0669
引用本文: 龚帆, 齐盛珂, 邹易清, 林才奎, 王琛, 周海俊. 锈蚀高强钢丝力学性能退化的试验研究[J]. 工程力学. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0669
Fan GONG, Sheng-ke QI, Yi-qing ZOU, Cai-kui LIN, Chen WANG, Hai-jun ZHOU. EXPERIMENTAL STUDY ON DEGRADATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF CORRODED HIGH STRENGTH STEEL WIRE[J]. Engineering Mechanics. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0669
Citation: Fan GONG, Sheng-ke QI, Yi-qing ZOU, Cai-kui LIN, Chen WANG, Hai-jun ZHOU. EXPERIMENTAL STUDY ON DEGRADATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF CORRODED HIGH STRENGTH STEEL WIRE[J]. Engineering Mechanics. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0669

锈蚀高强钢丝力学性能退化的试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0669
基金项目: 国家自然科学基金面上项目,腐蚀高强钢丝及拉索承载性能退化的概率评估(51778372)。深圳市基础研究计划项目,深圳地区缆索承重桥梁拉索构件承载能力的退化规律研究(JCYJ20170818102511790)
详细信息
    作者简介:

    龚 帆(1995−),女,江西赣州人,研究生,主要从事结构性能参数退化的变异性研究,E-mail: 1198345106@qq.com

    齐盛珂(1992−),男,研究生,主要从事缆索钢丝的性能退化的试验研究,E-mail: 98063457@qq.com

    邹易清(1985−),男,广西桂林人,高级工程师,博士,主要从事桥梁预应力新技术和新产品研究与应用,E-mail: zouyq@ovm.cn

    林才奎(1967−),男,广东潮阳人,教授级高级工程师,主要从事大型结构物防灾减灾研究,E-mail: 130636100@qq.com

    王 琛(1995−),男,四川成都人,研究生,主要从事斜拉索锈蚀形貌与承载性能研究,E-mail: 448295691@qq.com

    通讯作者: 周海俊(1977−),男,浙江永嘉人,教授,博导,博士,主要从事多灾害作用下的滨海土木工程结构可靠性、柔性结构振动控制与监测等研究。E-mail: haijun@szu.edu.cn
  • 中图分类号: U444; TU502+.6

EXPERIMENTAL STUDY ON DEGRADATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF CORRODED HIGH STRENGTH STEEL WIRE

  • 摘要: 本文通过试验研究了锈蚀高强钢丝的锈蚀形貌、产物、力学性能,为其检测评估提供依据。用高分辨率X射线衍射仪和场发射环境扫描电镜分析高强钢丝锈蚀产物,用华朗-3DX+非接触式三维扫描仪确定其截面特性沿钢丝轴向的变化情况,还采用MTS试验机对其进行静力拉伸和疲劳加载试验。通过分析三维扫描数据确定锈蚀高强钢丝表面形貌,基于实测锈蚀高强钢丝力学性能建立本构关系模型参数与锈蚀率的退化关系。试验结果表明高强钢丝锈蚀截面面积的变异性随锈蚀程度增加越来越显著;极限强度在锈蚀率大于1.25%时小于标准极限强度1770 MPa;断后伸长率在锈蚀率大于5.05%时小于规范限值4%;疲劳寿命在锈蚀率大于4.16%时小于200万次;锈蚀率对高强钢丝弹性模量无明显影响。根据试验结果综合完善了现有规范对锈蚀高强钢丝等级划分的指标值。
  • 图  1  不同锈蚀天数产物XRD波谱图

    Figure  1.  XRD Spectra for corrosion products with different corrosion days

    图  2  不同锈蚀天数的锈蚀产物电镜扫描微观图

    Figure  2.  SEM for corrosion products with different corrosion days

    图  3  不同天数的锈蚀产物能谱图

    Figure  3.  Energy spectrum of products for different corrosion days

    图  5  无量纲剩余截面面积概率密度分布随锈蚀率的演化

    Figure  5.  Probability density function of dimensionless residual sectional area for different corrosion ratio

    图  4  华朗-3DX+非接触式三维扫描仪

    Figure  4.  Hualang-3DX+ Contactless 3D Scanner

    图  6  MTS-300万能实验机

    Figure  6.  MTS-300 Universal Test Machine

    图  7  不同锈蚀率高强钢丝的应力应变曲线

    Figure  7.  Strain- Stress curves of corroded wires from different corrosion ratios (days)

    图  8  屈服强度-锈蚀率散点图

    Figure  8.  Yield strength vs. corrosion ratio

    图  9  极限强度-锈蚀率散点图

    Figure  9.  Ultimate strength vs. corrosion ratio

    图  10  弹性模量-锈蚀率

    Figure  10.  Elasticity modulus vs. corrosion ratio

    图  11  极限应变-锈蚀率

    Figure  11.  Ultimate strain vs. corrosion rate

    图  12  断后伸长率-锈蚀率

    Figure  12.  Elongation at break vs. corrosion ratio

    图  13  MTS250疲劳实验机

    Figure  13.  MTS250 Fatigue Test Machine

    图  14  疲劳寿命-锈蚀率

    Figure  14.  Fatigue life vs. corrosion ratio

    图  15  实际与实验室条件下锈蚀高强钢丝部分力学性能的比较

    Figure  15.  Comparison of partial mechanical properties of corroded steel wire under laboratory and real conditions

    图  16  锈蚀高强钢丝分级形貌示意图

    Figure  16.  Schematic diagram of the classification of corroded high strength steel wire

    表  1  试验工况

    Table  1.   Experimental conditions

    试件编号0-i30-i50-i70-i90-i120-i150-i180-i220-i260-i300-i350-i
    实际锈蚀时间/小时07161194167221502868358643045262622071788376
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    表  2  不同锈蚀天数的产物各元素含量

    Table  2.   The element contents of corrosion products for different accelerated corrosion days

    锈蚀10天锈蚀90天锈蚀180天锈蚀300天
    Weight/%Atomic/%Weight/%Atomic/%Weight/%Atomic/%Weight/%Atomic/%
    Zn65.1233.9237.1616.2530.3615.543.854.41
    Fe1.330.8122.9311.7440.6924.3887.9373.66
    O20.7544.1633.5759.9622.1446.293.4110.24
    Na6.49.481.070.891.563.67
    C2.988.464.4410.554.0511.271.194.65
    Cl2.442.341.351.091.621.531.972.3
    SUM99.0299.1799.4599.5999.9399.999.9199.93
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    表  3  无量纲剩余截面面积统计结果

    Table  3.   Statistical results of dimensionless residual sectional area

    平均锈蚀率/%均值标准差偏度峰度拟合分布${R^2}$
    01.00150.0019−0.04773.0251Normal0.981
    1.060.99080.00310.01992.7277Normal0.978
    3.1630.96960.0043−0.65753.2918Beta0.927
    5.2870.94770.0049−0.35483.1574Beta0.961
    7.1120.93020.00850.12303.2336Beta0.949
    9.4360.90630.0104−0.09193.3824Beta0.976
    11.6320.88900.01450.15272.3015Beta0.971
    13.2530.86950.0170−0.47002.8283Beta0.956
    15.1260.84910.0196−0.32212.6071Beta0.969
    17.6340.82180.0233−0.83204.0558Beta0.966
    19.3580.80470.0294−0.61033.716Beta0.983
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    表  4  疲劳试验结果

    Table  4.   Fatigue loading test results

    锈蚀天数-标号锈蚀率/%疲劳寿命/次锈蚀天数-标号锈蚀率/%疲劳寿命/次
    0-130>2000000150-139.16623033
    10-130.58>2000000150-149.26615785
    30-131.53>2000000170-1310.79582848
    50-132.56>2000000180-1311.26560271
    70-133.28>2000000180-1411.36552186
    80-134.161879520220-1313.76506306
    80-144.281787780220-1313.68510152
    90-135.151386230260-1315.03412466
    90-145.251326570260-1315.14401548
    100-136.051046320300-1317.84275572
    100-146.021157900300-1417.69281456
    120-137.39789344350-1319.58203586
    120-147.46704586350-1419.79198753
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    表  5  高强钢丝分类等级

    Table  5.   Classification of high strength steel wire

    等级表观形貌描述锈蚀率锈蚀产物
    锌含量
    极限强度达标(>1770 Mpa)断后伸长率达标(>4%)疲劳寿命达标(>200万次)
    高强钢丝完好,新的高强钢丝0%-1%>95%
    高强钢丝镀锌层锈蚀出现白色锌沫,有稍微的黄色铁锈析出1%~4%75%~95%
    高强钢丝表面出现黄红色铁锈,洗掉锈蚀产物可见少量蚀坑4%~6%50%~75%
    高强钢丝出现稍微红褐色锈,洗掉锈蚀产物可见少量蚀坑6%~10%20%~50%
    高强钢丝较多锈蚀,一部分截面出现减小,洗掉表面锈蚀产物可见密集蚀坑10%~14%5%~20%
    高强钢丝基本严重锈蚀,有肉眼可见的蚀坑,洗掉锈蚀产物可见密集蚀坑,且蚀坑面积较大,截面严重减小14%~19%<5%
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-11
  • 修回日期:  2020-04-18
  • 网络出版日期:  2020-06-02

锈蚀高强钢丝力学性能退化的试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0669
    基金项目:  国家自然科学基金面上项目,腐蚀高强钢丝及拉索承载性能退化的概率评估(51778372)。深圳市基础研究计划项目,深圳地区缆索承重桥梁拉索构件承载能力的退化规律研究(JCYJ20170818102511790)
    作者简介:

    龚 帆(1995−),女,江西赣州人,研究生,主要从事结构性能参数退化的变异性研究,E-mail: 1198345106@qq.com

    齐盛珂(1992−),男,研究生,主要从事缆索钢丝的性能退化的试验研究,E-mail: 98063457@qq.com

    邹易清(1985−),男,广西桂林人,高级工程师,博士,主要从事桥梁预应力新技术和新产品研究与应用,E-mail: zouyq@ovm.cn

    林才奎(1967−),男,广东潮阳人,教授级高级工程师,主要从事大型结构物防灾减灾研究,E-mail: 130636100@qq.com

    王 琛(1995−),男,四川成都人,研究生,主要从事斜拉索锈蚀形貌与承载性能研究,E-mail: 448295691@qq.com

    通讯作者: 周海俊(1977−),男,浙江永嘉人,教授,博导,博士,主要从事多灾害作用下的滨海土木工程结构可靠性、柔性结构振动控制与监测等研究。E-mail: haijun@szu.edu.cn
  • 中图分类号: U444; TU502+.6

摘要: 本文通过试验研究了锈蚀高强钢丝的锈蚀形貌、产物、力学性能,为其检测评估提供依据。用高分辨率X射线衍射仪和场发射环境扫描电镜分析高强钢丝锈蚀产物,用华朗-3DX+非接触式三维扫描仪确定其截面特性沿钢丝轴向的变化情况,还采用MTS试验机对其进行静力拉伸和疲劳加载试验。通过分析三维扫描数据确定锈蚀高强钢丝表面形貌,基于实测锈蚀高强钢丝力学性能建立本构关系模型参数与锈蚀率的退化关系。试验结果表明高强钢丝锈蚀截面面积的变异性随锈蚀程度增加越来越显著;极限强度在锈蚀率大于1.25%时小于标准极限强度1770 MPa;断后伸长率在锈蚀率大于5.05%时小于规范限值4%;疲劳寿命在锈蚀率大于4.16%时小于200万次;锈蚀率对高强钢丝弹性模量无明显影响。根据试验结果综合完善了现有规范对锈蚀高强钢丝等级划分的指标值。

English Abstract

龚帆, 齐盛珂, 邹易清, 林才奎, 王琛, 周海俊. 锈蚀高强钢丝力学性能退化的试验研究[J]. 工程力学. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0669
引用本文: 龚帆, 齐盛珂, 邹易清, 林才奎, 王琛, 周海俊. 锈蚀高强钢丝力学性能退化的试验研究[J]. 工程力学. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0669
Fan GONG, Sheng-ke QI, Yi-qing ZOU, Cai-kui LIN, Chen WANG, Hai-jun ZHOU. EXPERIMENTAL STUDY ON DEGRADATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF CORRODED HIGH STRENGTH STEEL WIRE[J]. Engineering Mechanics. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0669
Citation: Fan GONG, Sheng-ke QI, Yi-qing ZOU, Cai-kui LIN, Chen WANG, Hai-jun ZHOU. EXPERIMENTAL STUDY ON DEGRADATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF CORRODED HIGH STRENGTH STEEL WIRE[J]. Engineering Mechanics. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.11.0669
  • 缆索在施工和使用过程中由于防护层破损渗漏等原因,腐蚀介质与高强钢丝直接接触导致其锈蚀[1]。锈蚀虽然可以延缓但无法避免,随着时间推移,锈蚀高强钢丝力学性能退化并最终导致拉索的失效[2]。现有工程案例表明锈蚀是导致高强钢丝力学性能退化、降低缆索构件适用性和耐久性的主要原因之一[3-4]。缆索是大跨桥梁的主要承重构件,换索虽然技术可行但往往耗费不菲,精准有效的评估并判定锈蚀高强钢丝的承载性能,对于缆索承重桥梁的维护和管理工作具有重要的参考价值。

    Betti等[5]对悬索桥高强钢丝进行了加速锈蚀试验,研究其劣化机理并对高强钢丝耐久性进行了深入分析。徐俊[6]等通过试验研究总结了高强钢丝力学性能随锈蚀程度变化的规律,并对钢丝的退化过程进行了模拟,提出了钢丝在各阶段的力学性能退化模型。Furuya[7]等在不同干湿环境条件下对缆索进行长期暴露锈蚀实验,将锈蚀高强钢丝按所处环境划分为四类,并认为高温和索内水分是锈蚀的主要原因。Suzumura[8]等继续对Furuya[7]得到的结果进行深入研究,重点研究试剂浓度、环境的温度和湿度对锈蚀速率的影响,估算了镀锌高强钢丝镀锌层的损耗时间。Li[9]等对高强钢丝进行人工加速锈蚀,评估均匀锈蚀深度与坑蚀深度随时间的变化,建立了坑蚀系数的统计分布模型。Nakamura[10]等人将未破损与人工开口的高强钢丝进行了不同等级的疲劳试验,发现锈蚀高强钢丝疲劳强度随锈蚀程度的增加而降低。马小利[11]等针对高强钢丝锈蚀失效问题建立了平行拉索锈蚀时变失效概率模型,预测在役拉索高强钢丝锈蚀程度及其失效概率。Lan[12]等对高强钢丝采用酸性盐雾锈蚀并进行疲劳加载试验,建立疲劳损伤演化模型,结果表明随着锈蚀程度的增加,高强钢丝的疲劳寿命显著降低。Jiang[13]等对锈蚀高强钢丝的疲劳性能进行试验研究,提出了一种基于三维测量数据的高强钢丝寿命预测方法。Montoya[14]等采用三维随机场的有限元模型研究了锈蚀拉索的承载性能退化。北京中交宇科技有限公司[15]基于重庆李家沱长江大桥斜拉索的HDPE护套破损、高强钢丝外观、力学性能及拉索的拉伸力学性能测试等相关试验结果进行了评估。交通运输部公路科学研究院[16]根据锈蚀高强钢丝的外观形貌将其划分为六个等级进行描述。

    上述研究为锈蚀高强钢丝的形貌、力学性能退化提供了初步依据,对于检测评估拉索力学性能退化具有重要的意义。然而,在工程检测实践应用中,开窗的拉索高强钢丝处于服役状态,检测人员需要以外观检测、锈蚀产物来评估其锈蚀和力学性能退化程度。本文综合锈蚀产物分析、三维扫描形貌及力学性能测试结果,将高强钢丝按表观形貌、锈蚀率、锈蚀成分和力学性能等参数综合指标划分等级,以期补充《公路桥梁技术状况评定标准》[16]中高强钢丝的分类指标,为锈蚀高强钢丝工作性能与使用寿命评估提供依据及拉索构件的维护和管理提供参考。

    • 试验所采用的高强钢丝由某缆索公司提供,参数为:长500 mm,直径7.00±0.07(mm),含碳量0.8%,镀锌层重量300 g/m2,断后伸长率大于4%,疲劳寿命大于200万次,标准极限强度1770 MPa,弹性模量范围195-205 GPa。共测试了12组高强钢丝,每组14根,试验工况如表1所示。每组高强钢丝的标号为T-i(T为每组锈蚀天数,i≤14为自然数,代表相同锈蚀天数试件的编号)。锈蚀前用精度为0.01 g的电子天平称重高强钢丝,然后用环氧树脂包裹其两端各50 mm避免其锈蚀。采用F-90C智能型全自动盐雾试验机对高强钢丝进行连续喷雾,喷雾溶液为浓度50 g/L的NaCl,喷雾量为2 mL/h,PH值为7,试验箱内温度设为45 ℃。

      表 1  试验工况

      Table 1.  Experimental conditions

      试件编号0-i30-i50-i70-i90-i120-i150-i180-i220-i260-i300-i350-i
      实际锈蚀时间/小时07161194167221502868358643045262622071788376

      锈蚀完成后,用浓度为10%的盐酸溶液酸洗,并用精度为0.01 g的电子天平再次称重锈蚀高强钢丝并计算其质量损失率,本文取质量损失率作为锈蚀率,计算公式为:

      $$\xi = \frac{{{m_0} - {m_1}}}{{{m_0}}} \times 100 \text{%} $$ (1)

      其中$\xi $为高强钢丝锈蚀率(%),${m_0}$为未锈蚀高强钢丝质量(g),${m_1}$为锈蚀高强钢丝经酸洗后的剩余质量(g)。

    • 高强钢丝锈蚀至指定天数后,烘干并取其表面锈蚀产物,用高分辨率X射线衍射仪(X-Ray Diffraction, XRD)测出波谱以确定锈蚀产物中所含化合物,用场发射环境扫描电镜(Scanning Electron Microscope, SEM)对锈蚀产物进行电镜扫描与能谱分析,确定锈蚀产物中各元素含量。图1所示为锈蚀10天和锈蚀90天的高强钢丝锈蚀产物XRD波谱图,图2为不同锈蚀天数的电镜扫描微观图,图3为不同锈蚀天数的产物能谱图,表2为锈蚀产物元素分析结果,可见随着锈蚀天数的增加,锈蚀产物中Zn元素含量逐渐减少,而Fe元素含量逐渐增多。这是因为随着锈蚀的深入,高强钢丝镀锌层逐渐被耗尽,铁元素逐渐被锈蚀至锈蚀产物中。锈蚀300天时锈蚀产物中锌含量小于5%,镀锌层已基本耗尽。

      图  1  不同锈蚀天数产物XRD波谱图

      Figure 1.  XRD Spectra for corrosion products with different corrosion days

      图  2  不同锈蚀天数的锈蚀产物电镜扫描微观图

      Figure 2.  SEM for corrosion products with different corrosion days

      表 2  不同锈蚀天数的产物各元素含量

      Table 2.  The element contents of corrosion products for different accelerated corrosion days

      锈蚀10天锈蚀90天锈蚀180天锈蚀300天
      Weight/%Atomic/%Weight/%Atomic/%Weight/%Atomic/%Weight/%Atomic/%
      Zn65.1233.9237.1616.2530.3615.543.854.41
      Fe1.330.8122.9311.7440.6924.3887.9373.66
      O20.7544.1633.5759.9622.1446.293.4110.24
      Na6.49.481.070.891.563.67
      C2.988.464.4410.554.0511.271.194.65
      Cl2.442.341.351.091.621.531.972.3
      SUM99.0299.1799.4599.5999.9399.999.9199.93

      图  3  不同天数的锈蚀产物能谱图

      Figure 3.  Energy spectrum of products for different corrosion days

    • 每个工况取3根锈蚀高强钢丝,采用华郎-3DX+非接触式三维扫描仪获取其截面形貌沿轴向的变化情况,每隔0.1 mm记录高强钢丝表面三维数据并计算该截面剩余截面面积。

      图5所示为锈蚀高强钢丝无量纲(除以未锈蚀钢丝截面面积)剩余截面面积沿轴向的概率密度分布曲线,表3所示为其对应的统计分析结果。可见当锈蚀率低于1.06%时,高强钢丝的截面面积概率密度分布符合正态分布函数,当锈蚀率大于1.06%时,其概率密度分布函数更接近于Beta分布函数。随着锈蚀率增加,高强钢丝的无量纲截面面积均值逐渐减小,标准差逐渐增大,其偏度呈越来越负的趋势,峰度的变化则有反复,说明面积较小的截面占比随腐蚀率增大后逐渐增加,变异性越来越大。

      表 3  无量纲剩余截面面积统计结果

      Table 3.  Statistical results of dimensionless residual sectional area

      平均锈蚀率/%均值标准差偏度峰度拟合分布${R^2}$
      01.00150.0019−0.04773.0251Normal0.981
      1.060.99080.00310.01992.7277Normal0.978
      3.1630.96960.0043−0.65753.2918Beta0.927
      5.2870.94770.0049−0.35483.1574Beta0.961
      7.1120.93020.00850.12303.2336Beta0.949
      9.4360.90630.0104−0.09193.3824Beta0.976
      11.6320.88900.01450.15272.3015Beta0.971
      13.2530.86950.0170−0.47002.8283Beta0.956
      15.1260.84910.0196−0.32212.6071Beta0.969
      17.6340.82180.0233−0.83204.0558Beta0.966
      19.3580.80470.0294−0.61033.716Beta0.983

      图  5  无量纲剩余截面面积概率密度分布随锈蚀率的演化

      Figure 5.  Probability density function of dimensionless residual sectional area for different corrosion ratio

      图  4  华朗-3DX+非接触式三维扫描仪

      Figure 4.  Hualang-3DX+ Contactless 3D Scanner

    • 试验在深圳大学土木与交通工程学院结构工程试验室进行,每个工况取12根锈蚀高强钢丝,采用MTS-300万能试验机对其静力拉伸加载直至破坏。试验机两端夹口各夹50 mm,有效长度为400 mm,参照《金属材料拉伸试验室温试验方法》[17]的规定设置拉伸速度为2 mm/min,采用引伸计采集应变数据,采样频率为5 Hz。

      图  6  MTS-300万能实验机

      Figure 6.  MTS-300 Universal Test Machine

    • 图7所示为试验所得不同锈蚀天数的应力-应变曲线,图中标出了每个试件的平均锈蚀率。可见随着锈蚀率增加,极限强度呈逐渐降低趋势,极限应变呈现较大的变异性,锈蚀高强钢丝的强化阶段缩短,部分甚至消失。

      图  7  不同锈蚀率高强钢丝的应力应变曲线

      Figure 7.  Strain- Stress curves of corroded wires from different corrosion ratios (days)

    • 取塑性应变为0.2%时对应的应力-应变曲线的应力值作为屈服强度,取应力-应变曲线对应的极限应力作为极限强度,得到高强钢丝屈服强度、极限强度与锈蚀率的散点如图89所示。可见随着锈蚀率的增加,屈服强度与极限强度均呈加速降低趋势,在锈蚀率大于1.25%时高强钢丝极限强度小于标准极限强度1770 MPa。对屈服强度-锈蚀率散点图采用三次函数进行最小二乘拟合,得到屈服强度${\sigma _y}$/MPa与锈蚀率关系式:

      图  8  屈服强度-锈蚀率散点图

      Figure 8.  Yield strength vs. corrosion ratio

      图  9  极限强度-锈蚀率散点图

      Figure 9.  Ultimate strength vs. corrosion ratio

      $${\sigma _y} = 1641.9405 - 40.3895\xi + 2.7580{\xi ^2} - 0.1158{\xi ^3}$$ (2)

      对极限强度-锈蚀率散点图采用三次函数进行最小二乘拟合得极限强度${\sigma _u}$/MPa与锈蚀率关系式:

      $${\sigma _u} = 1802.7033 - 30.9893\xi + 1.71{\xi ^2} - 0.09343{\xi ^3}$$ (3)
    • 图10为取弹性应变为0.1%对应的应力-应变曲线割线斜率确定的锈蚀高强钢丝弹性模量与锈蚀率的散点图。根据《桥梁缆索用热镀锌钢丝》[18],高强钢丝的弹性模量标准范围为195 GPa-205 GPa,由散点图可以看出随着锈蚀率的增加,弹性模量变化不大,都在其规定范围内,可以认为高强钢丝的弹性模量不受锈蚀影响。

      图  10  弹性模量-锈蚀率

      Figure 10.  Elasticity modulus vs. corrosion ratio

    • 图11所示为高强钢丝极限应变与锈蚀率散点图,可见随着锈蚀率增加,极限应变${\varepsilon _u}$逐渐降低且呈现出较大的变异性,通过线性回归可得到极限应变-锈蚀率关系式:

      $${\varepsilon _u}{\rm{ = 4}}{\rm{.45946 - 0}}{\rm{.09072}}\xi $$ (4)

      图  11  极限应变-锈蚀率

      Figure 11.  Ultimate strain vs. corrosion rate

    • 根据《桥梁缆索用热镀锌钢丝》[18],测定钢丝断后伸长率时,试样的标准长度应为250 mm。由于加载时高强钢丝有效长度为400 mm,故从试验机两端夹口处各取250 mm划线标记,加载后采用游标卡尺对带有断口的250 mm部分进行测量,并通过式(5)计算断后伸长率:

      $$\eta = \frac{{L - {\rm{250}}}}{{250}} \times 100 \text{%} $$ (5)

      其中$\eta $为断后伸长率(%),$L$为测量长度(mm)。

      图12所示为断后伸长率与锈蚀率的散点图,可见随着锈蚀率的增加,断后伸长率近似呈线性减小的趋势。规范[18]规定断后伸长率大于4%为合格,从图12中可得锈蚀率大于5.05%后高强钢丝断后伸长率不合格。

      图  12  断后伸长率-锈蚀率

      Figure 12.  Elongation at break vs. corrosion ratio

      由于在锈蚀率小于3.48%时断后伸长率变化趋势不明显,故线性回归只取锈蚀率大于5.05%的数据点,得断后伸长率与锈蚀率关系式:

      $$\eta {\rm{ = 4}}{\rm{.61044 - 0}}{\rm{.1124}}\xi $$ (6)
    • 依据上述试验结果,根据图7应力应变关系特点及相关参考文献提出的双线性本构模型[19],进一步考虑锈蚀对各个参数的影响,由于试验结果表明弹性模量基本不受锈蚀率影响,在标准范围195 GPa-205 GPa之内,故在建立本构关系模型时不考虑弹性模量的变化,取$E{\rm{ = 200}}\;{\rm GPa}$,模型表达式如下:

      $$\sigma = \left\{ {\begin{aligned}& E\varepsilon ,\;\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\varepsilon \le {\sigma _y}/E\\& E{\varepsilon _y} + (\varepsilon - {\varepsilon _y})\left(\frac{{{\sigma _u} - {\sigma _y}}}{{{\varepsilon _u} - {\varepsilon _y}}}\right),\;{\sigma _y}/E < \varepsilon \le {\varepsilon _u} \end{aligned} }\right.$$ (7)

      其中${\sigma _y}$${\sigma _u}$${\varepsilon _u}$为随锈蚀率而变化的参数,具体由式(2)、(3)和(4)确定,屈服应变${\varepsilon _y}$可由式(8)确定:

      $${\varepsilon _y} = \frac{{{\sigma _y}}}{E}$$ (8)
    • 采用MTS250疲劳试验机对锈蚀高强钢丝进行疲劳加载直至200万次或者断裂。试验通过力控(应力幅值)进行,加载频率为10 Hz,加载力的幅值范围为15.386 kN-30.772 kN(应力幅为200 MPa),采样频率为1024 Hz。

      图  13  MTS250疲劳实验机

      Figure 13.  MTS250 Fatigue Test Machine

    • 表4可见当高强钢丝锈蚀率小于3.28%时,其疲劳寿命在200万次以上,在锈蚀率为4.16%及以上时,锈蚀高强钢丝的疲劳寿命少于200万次。

      表 4  疲劳试验结果

      Table 4.  Fatigue loading test results

      锈蚀天数-标号锈蚀率/%疲劳寿命/次锈蚀天数-标号锈蚀率/%疲劳寿命/次
      0-130>2000000150-139.16623033
      10-130.58>2000000150-149.26615785
      30-131.53>2000000170-1310.79582848
      50-132.56>2000000180-1311.26560271
      70-133.28>2000000180-1411.36552186
      80-134.161879520220-1313.76506306
      80-144.281787780220-1313.68510152
      90-135.151386230260-1315.03412466
      90-145.251326570260-1315.14401548
      100-136.051046320300-1317.84275572
      100-146.021157900300-1417.69281456
      120-137.39789344350-1319.58203586
      120-147.46704586350-1419.79198753

      图14所示为高强钢丝疲劳寿命与锈蚀率散点图,由于本试验在加载达到200万次时停止加载,无法确定具体的疲劳寿命,故对疲劳寿命-锈蚀率散点图进行回归拟合时舍弃了疲劳寿命超过200万次的数据,得到高强钢丝疲劳寿命与锈蚀率关系式:

      $${{\rm{N}}_f}{\rm{ = 4}}{\rm{.0168}} \times {\rm{1}}{{\rm{0}}^6} \times {\left( {\xi - 1.8695} \right)^{ - 0.9159}}$$ (9)

      图  14  疲劳寿命-锈蚀率

      Figure 14.  Fatigue life vs. corrosion ratio

    • 实际环境中锈蚀高强钢丝受温度、氯离子浓度、PH值、服役应力等更多因素的影响,图15所示为本文研究结果与其它研究数据[20-22]的对比。由于高强钢丝强度和直径的不同,文献[20]和[21]的钢丝来自于自然腐蚀的吊杆和拉索,直径为5 mm,强度级别为1670 MPa;文献[22]为干湿循环加速腐蚀的钢丝,直径为5 mm,强度级别为1570 MPa,本文采用无量纲化的方式将有量纲量无量纲化,如无量纲极限强度为实测极限强度值除以极限强度标准值。图15可见与本文实验室盐雾腐蚀的高强钢丝力学性能相比,参考文献中自然腐蚀的高强钢丝力学性能呈现出更大的离散性,但整体退化趋势基本一致。需要注意其它文献中实桥锈蚀率高于10%的数据点很少,且本文研究数据和实桥数据的差别当锈蚀率大于10%时相比有增大的趋势,对于锈蚀率高于10%的结果应谨慎采用。

      图  15  实际与实验室条件下锈蚀高强钢丝部分力学性能的比较

      Figure 15.  Comparison of partial mechanical properties of corroded steel wire under laboratory and real conditions

    • 《公路桥梁技术状况评定标准》[16]根据锈蚀高强钢丝外观形貌将其划分为六个等级进行描述,本文综合上述试验结果,由相互对应的锈蚀高强钢丝外观形貌、锈蚀产物成分、锈蚀率和力学性能指标,将规范中锈蚀高强钢丝的分类指标进行补充,各等级划分标准见表5,各等级形貌示意如图16所示。

      表 5  高强钢丝分类等级

      Table 5.  Classification of high strength steel wire

      等级表观形貌描述锈蚀率锈蚀产物
      锌含量
      极限强度达标(>1770 Mpa)断后伸长率达标(>4%)疲劳寿命达标(>200万次)
      高强钢丝完好,新的高强钢丝0%-1%>95%
      高强钢丝镀锌层锈蚀出现白色锌沫,有稍微的黄色铁锈析出1%~4%75%~95%
      高强钢丝表面出现黄红色铁锈,洗掉锈蚀产物可见少量蚀坑4%~6%50%~75%
      高强钢丝出现稍微红褐色锈,洗掉锈蚀产物可见少量蚀坑6%~10%20%~50%
      高强钢丝较多锈蚀,一部分截面出现减小,洗掉表面锈蚀产物可见密集蚀坑10%~14%5%~20%
      高强钢丝基本严重锈蚀,有肉眼可见的蚀坑,洗掉锈蚀产物可见密集蚀坑,且蚀坑面积较大,截面严重减小14%~19%<5%

      图  16  锈蚀高强钢丝分级形貌示意图

      Figure 16.  Schematic diagram of the classification of corroded high strength steel wire

    • 本文对人工加速锈蚀高强钢丝进行锈蚀产物分析、三维扫描、静力拉伸力学性能和疲劳性能测试。试验结果表明高强钢丝屈服强度与极限强度随锈蚀率的增加均呈加速降低趋势,极限强度在锈蚀率大于1.25%时小于标准极限强度1770 MPa,断后伸长率随锈蚀率增加整体呈线性减小趋势,且在锈蚀率大于5.05%时小于规范限值4%,疲劳寿命随锈蚀率增加呈幂函数下降且在锈蚀率大于4.16%时小于200万次,高强钢丝弹性模量基本不受锈蚀率影响。与发表的实桥拉索内锈蚀高强钢丝的力学性能对比表明自然腐蚀的高强钢丝力学性能呈现出更大的离散性,但整体退化趋势基本一致。依据上述试验结果建立了锈蚀高强钢丝力学性能参数随锈蚀率变化的双线性本构关系模型。根据锈蚀产物分析、三维扫描形貌及力学性能测试结果,将高强钢丝按表观形貌、锈蚀率、锈蚀成分和力学性能等参数综合指标划分等级,补充了《公路桥梁技术状况评定标准》中高强钢丝的分类指标,为不同锈蚀程度高强钢丝力学性能评估提供参考依据。本文仅针对实验室的研究结果进行分类,后续将进一步收集实桥锈蚀拉索的高强钢丝,研究实际腐蚀条件下高强钢丝的力学性能退化结果。

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