CN109115605A - 基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于腐蚀‑疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法及系统，该方法包括确定试件的蚀坑尺寸、初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸，并将三个尺寸比较；若蚀坑尺寸小于初始裂纹尺寸则确定试件的剩余寿命为试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命与试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命的和；若蚀坑尺寸大于初始裂纹尺寸且小于临界裂纹尺寸则确定试件的剩余寿命为试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命。本发明克服了传统对拉吊索钢丝疲劳和腐蚀简单叠加来评估其剩余寿命的缺陷，明确了发生腐蚀‑疲劳的拉吊索钢丝在不同腐蚀阶段的腐蚀速率是不同的，进而精确计算出拉吊索钢丝的剩余寿命。

Description

基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法及系统

技术领域

本发明涉及拉吊索钢丝剩余寿命评估技术领域，特别涉及一种基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法及系统。

背景技术

拉吊索服役环境比较复杂，其防护系统极易受外部环境的影响而失效。如果外护套破损，拉吊索体内的钢丝或钢绞线直接暴露于服役的腐蚀环境中，特别是一些特殊的服役环境，如：严重的酸雨地区、大气重污染区、紫外线强烈区以及邻近海洋等地区，钢丝或钢绞线将承受交变荷载(恒载、营运荷载、风荷载等)与腐蚀环境的耦合作用，腐蚀加剧。发生腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝会突然断裂，造成重大安全事故和严重的社会影响。

目前理论上拉吊索的更换时机需以其病害状态对其承载能力影响程度为依据，但是在实际应用中，众多拉索桥更换拉吊索时，并没有对剩余寿命进行精准评估，只是以其服役时间长短、外观病害状况、专家意见、“疑断则换”等方式确定是否更换拉吊索，带有一定的盲目性。且我国服役的拉吊索多数已达设计寿命的一半，及时开展研究基于腐蚀-疲劳损伤的拉吊索钢丝剩余寿命的精准计算是非常必要而且十分迫切。

基于腐蚀-疲劳损伤的拉吊索钢丝剩余寿命研究很多，基本上是在钢丝的腐蚀损伤、劣化性能以及寿命评估中以单一因素作用为主，对腐蚀-疲劳破损机理少有研究，其原因主要是受限于拉吊索腐蚀-疲劳试验装置。但是腐蚀-疲劳是一个损伤逐渐累积的过程，交变应力和腐蚀性介质耦合作用相互促进，并不是简单的叠加。为解决上述技术问题，现在对腐蚀-疲劳损伤机理从多角度、全方位进行分析，也取得了具有参考价值的研究成果，但对发生腐蚀-疲劳试件的腐蚀机理研究不多，发生腐蚀-疲劳损伤的拉吊索钢丝在各阶段的腐蚀速率是不同的，且各阶段分析也不够深入，还不能直接应用于服役拉吊索钢丝的腐蚀-疲劳寿命预测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法及系统，克服传统对拉吊索钢丝疲劳和腐蚀简单叠加来评估其剩余寿命的缺陷，明确腐蚀速率在腐蚀-疲劳的各阶段是不同的，进而精确计算拉吊索钢丝的剩余寿命。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法，所述拉吊索钢丝剩余寿命评估方法，具体包括

获取试件的蚀坑尺寸；

采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸；其中所述初始裂纹尺寸小于所述临界裂纹尺寸；

判断所述蚀坑尺寸是否小于等于所述初始裂纹尺寸，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述蚀坑尺寸小于等于所述初始裂纹尺寸，则确定所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段，确定所述试件的剩余寿命为所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命与所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命的和；

若所述第一判断结果表示所述蚀坑尺寸大于所述初始裂纹尺寸，则判断所述蚀坑尺寸是否小于等于所述临界裂纹尺寸，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示所述蚀坑尺寸小于等于所述临界裂纹尺寸，则确定所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段，确定所述试件的剩余寿命为所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命。

可选的，所述拉吊索钢丝剩余寿命评估方法还包括：若所述第二判断结果表示所述蚀坑尺寸大于所述临界裂纹尺寸，则确定所述试件的处于破断阶段，立即更换所述试件。

可选的，所述采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸，具体包括：

确定试件材质和试件所处环境因素；

根据所述试件材质和所述试件所处环境因素，采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验，模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸。

可选的，确定所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命，具体包括：

根据以下公式计算所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命；表示所述公式为：式中，a_f表示初始裂纹尺寸；a表示蚀坑尺寸；da/dN＝D(t)(ΔK)^m，Δσ为裂纹处应力幅值，m为材料常数，D(t)为与材料介质系统、加载频率及载荷波形等因素有关的时间函数。

可选的，确定所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命，具体包括：

获取实验模拟的发生腐蚀-疲劳损伤的拉吊索钢丝的S-N曲线；

根据所述S-N曲线，确定所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命。

本发明还提供了一种基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估系统，所述拉吊索钢丝剩余寿命评估系统，具体包括：

蚀坑尺寸获取模块，用于获取试件的蚀坑尺寸

初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸确定模块，用于采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸；其中所述初始裂纹尺寸小于所述临界裂纹尺寸；

第一结果判断得到模块，用于判断所述蚀坑尺寸是否小于等于所述初始裂纹尺寸，得到第一判断结果；

第一试件剩余寿命确定模块，用于当所述第一判断结果表示所述蚀坑尺寸小于等于所述初始裂纹尺寸时，确定所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段，确定所述试件的剩余寿命为所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命与所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命的和；

第二结果判断得到模块，用于当所述第一判断结果表示所述蚀坑尺寸大于所述初始裂纹尺寸时，判断所述蚀坑尺寸是否小于等于所述临界裂纹尺寸，得到第二判断结果；

第二试件剩余寿命确定模块，用于当所述第二判断结果表示所述蚀坑尺寸小于等于所述临界裂纹尺寸时，确定所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段，确定所述试件的剩余寿命为所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命。

可选的，所述拉吊索钢丝剩余寿命评估系统还包括：试件更换模块；所述试件更换模块，用于当所述第二判断结果表示所述蚀坑尺寸大于所述临界裂纹尺寸时，确定所述试件的处于破断阶段，立即更换所述试件。

可选的，所述初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸确定模块，具体包括：

试件材质和试件所处环境因素确定单元，用于确定试件材质和试件所处环境因素；

初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸确定单元，用于根据所述试件材质和所述试件所处环境因素，采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验，模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法及系统，该方法包括确定试件的蚀坑尺寸、初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸；其中，初始裂纹尺寸小于临界裂纹尺寸；将试件的蚀坑尺寸依次与初始裂纹尺寸、临界裂纹尺寸比较；若蚀坑尺寸小于等于初始裂纹尺寸则确定试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段，试件的剩余寿命为试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命与试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命的和；若蚀坑尺寸大于初始裂纹尺寸且小于等于临界裂纹尺寸，则确定试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段，试件的剩余寿命为试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命。应用本发明，克服了传统对拉吊索钢丝疲劳和腐蚀简单叠加来评估其剩余寿命的缺陷，明确腐蚀速率在腐蚀-疲劳的各阶段是不同的，进而精确计算出拉吊索钢丝的剩余寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例发生腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命发展示意图；

图2为本发明实施例基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法的流程示意图；

图3为本发明实施例材料在拉应力作用下的应力示意图；

图4为本发明实施例弹性应变能U_r、表面能W与裂纹长度a的关系示意图；

图5为本发明实施例断裂强度σ_c与裂缝长度a的关系示意图；

图6为本发明实施例实验模拟得到的S-N曲线示意图；

图7为本发明实施例基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估系统的结构示意图；

图8为本发明与现有技术评估拉吊索钢丝剩余寿命的结果比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法及系统，克服传统对拉吊索钢丝疲劳和腐蚀简单叠加来评估其剩余寿命的缺陷，明确腐蚀速率在腐蚀-疲劳的各阶段是不同的，进而精确计算拉吊索钢丝的剩余寿命。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明通过腐蚀环境与交变应力耦合作用试验发现，试件在腐蚀240h后，首先形成了点蚀坑，分布稀疏且面积较小；试件在腐蚀时间为480h时，交变应力工况下的腐蚀试件表面的点蚀坑的面积增大明显，蚀坑深度也明显加深，局部相邻蚀坑之间相互交错形成大的蚀坑。随着腐蚀时间的继续增加，点蚀坑无论是深度或是大小都逐渐增加，个别蚀坑深度达到120μmm，局部较深的点蚀坑部位首先形成裂纹形核以及纳米级裂纹。在交变应力作用下，纳米级裂纹也不断的伸长和回缩，形成微裂纹。裂纹尖端和边缘均有腐蚀产物堆积的痕迹并呈“S”字形位错发展，在大裂纹的边缘形成了滑移台阶，出现高低不平的现象，发展呈“择优溶解”表象并有细小裂纹产生。结合力学性能试验分析各腐蚀阶段宏观和微观表象发现，桥梁拉吊索钢丝在腐蚀环境和交变应力耦合作用下发生腐蚀-疲劳，塑性降低，脆性增强。在腐蚀初期，钢丝的破断强度以及断面伸长率，与无腐蚀试件相比，基本无变化；当腐蚀时间为720h时，腐蚀试件，与无腐蚀试件相比，在上限为0.4σ_b且应力幅值为200MPa的交变应力工况下，已有小裂纹产生的腐蚀试件断面伸长率下降约50％，断面伸长率仅约为3％，破断应力下降较多，个别腐蚀试件的破断应力下降了约40％，发生脆断。可以看出，与无腐蚀试件相比，钢丝在点蚀成核阶段，破断应力和断面伸长率基本无变化，在预测剩余寿命时，该阶段可以不考虑；蚀坑发展直至转变为小裂纹阶段是服役拉吊索钢丝普遍面临的阶段，钢丝在此阶段，寿命开始下降；在裂纹出现阶段后，钢丝的破断应力和断面伸长率都急剧下降，韧性降低，脆性增强，在这一阶段钢丝出现了韧-脆的转折，为防止脆断，就要避免拉吊索钢丝在这一阶段或者以下工作，所以钢丝在预测剩余寿命时该阶段也不予考虑。

总结：通过上述试验模拟发现，对发生腐蚀-疲劳损伤的拉吊索钢丝剩余寿命的影响阶段主要为点蚀成长、扩展直至小裂纹出现阶段，裂纹出现后的韧-脆转化阶段，而点蚀萌芽阶段对剩余寿命基本无影响，破断阶段为脆性破坏，破坏的时间以及部位不确定，研究其剩余寿命也无意义。

综上所述，对于发生腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝，影响其剩余寿命最主要是蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段以及小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸a_c出现阶段。临界裂纹尺寸a_c出现后，钢丝脆断会随时发生，可靠性急剧降低。因此，本发明将发生腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命发展定义为二个阶段，如图1所示，点蚀成长、扩展直至小裂纹出现阶段(阶段一剩余寿命)，裂纹出现后的韧-脆转化阶段(阶段二剩余寿命)。

本发明提供了一种基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法及系统，根据发生腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝的损伤程度，将该拉吊索钢丝剩余寿命的评估过程分为2阶段进行，即点蚀成长、扩展直至小裂纹出现阶段，小裂纹出现后的韧-脆转化阶段，然后将两个阶段寿命叠加，确定为腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝的剩余寿命为，此计算结果更为精准。

另外，腐蚀-疲劳涉及的因素较多，问题也更为复杂，因此，本发明只研究腐蚀环境和交变应力耦合作用下，拉吊索钢丝发生腐蚀-疲劳后的剩余寿命评估，是以线弹性断裂力学为基础，建立发生腐蚀-疲劳后拉吊索钢丝剩余寿命计算模型。

图2为本发明实施例基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法的流程示意图，如图2所示，本发明实施例提供的一种基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法具体包括以下几个步骤。

步骤101：获取试件的蚀坑尺寸。

步骤102：采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸；其中所述初始裂纹尺寸小于所述临界裂纹尺寸。

步骤103：判断所述蚀坑尺寸是否小于等于所述初始裂纹尺寸，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述蚀坑尺寸小于等于所述初始裂纹尺寸，则执行步骤104；若所述第一判断结果表示所述蚀坑尺寸大于所述初始裂纹尺寸，则执行步骤105。

步骤104：确定所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段，确定所述试件的剩余寿命为所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命与所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命的和。

步骤105：判断所述蚀坑尺寸是否小于等于所述临界裂纹尺寸，得到第二判断结果。若所述第二判断结果表示所述蚀坑尺寸小于等于所述临界裂纹尺寸时，则执行步骤106；若所述第二判断结果表示所述蚀坑尺寸大于所述临界裂纹尺寸时，则执行步骤107。

步骤106：确定所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段，确定所述试件的剩余寿命为所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命。

步骤107：确定所述试件的处于破断阶段，立即更换所述试件。

通过以下内容推导建立发生腐蚀-疲劳后拉吊索钢丝剩余寿命计算模型。

腐蚀-疲劳是一种特殊的疲劳，因此，疲劳裂纹扩展的规律可用于分析服役拉吊索的可靠性以及安全风险分析。目前工程中常用的疲劳裂纹扩展速率函数是Paris-Erodgan模型，即Paris公式，它建立了应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系，是当今工程应用中预测疲劳裂纹扩展寿命的理论基础，其形式为：

da/dN＝C(ΔK)ⁿ；

式中，a为裂纹长度；N为应力循环次数；da/dN为裂纹扩展速率；C、n为材料常数，环境因素，如温度、湿度、介质、加载频率等都隐含在常数之中，可由实验数据拟合得到；ΔK为应力强度因子幅值。

式中，f一般为构件几何与裂纹尺寸的函数；K_max、K_min为裂纹处应力强度因子的最大值和最小值；Δσ为裂纹处应力幅值。

点蚀成长、扩展直至小裂纹出现阶段是各初始缺陷独立增长，直到它们相凝聚的阶段，其特点是蚀坑增长较慢并且还受腐蚀产物堆积等因素影响，速率较小；小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸a_c出现阶段的特点是裂纹深度增长较快，增长速率迅速增加直至最大，其扩展速率大于前一阶段，即两阶段的扩展速率是不一致的。

本发明为计算和分析上的方便，结合试验，在paris公式的基础上将腐蚀-疲劳计算简化成两个线性阶段，即蚀坑发展直至裂纹阶段和韧脆扩展阶段，拉吊索钢丝的剩余寿命等于这两个阶段寿命之和。

腐蚀-疲劳裂纹扩展一般满足paris公式的变形形式，即：

da/dN＝D(t)(ΔK)^m。

式中，m为材料常数，一般与单纯疲劳时m接近；D(t)为与材料介质系统、加载频率及载荷波形等因素有关的时间函数，代替原常数C。

综上，拉吊索钢丝在蚀坑发展直至裂纹阶段的寿命初步用下一公式确定；所述公式为：

拉吊索钢丝在韧脆扩展阶段的寿命初步用下一公式确定，所述公式为：

那么，拉吊索钢丝的总寿命为：

N＝N₁+N₂；

因此，应用上述方法的主要问题就是确定蚀坑发展直至裂纹阶段和韧脆扩展阶段的不同应力强度因子范围ΔK、初始蚀坑尺寸a₀、初始裂纹尺寸a_f以及临界裂纹尺寸a_c。

下面一一介绍上述参数的确定过程。

蚀坑发展直至裂纹阶段

(1)初始蚀坑尺寸a₀

蚀坑发展直至裂纹阶段是服役拉吊索钢丝普遍存在的阶段，通过现场检测，可以获得拉吊索钢丝的蚀坑深度及初始蚀坑尺寸a₀。

(2)应力强度因子幅值ΔK

要运用断裂力学理论，需将检测的蚀坑当量成裂纹，作为裂纹初始值。所谓缺陷的当量处理，就是用一个典型的裂纹(如贯穿裂纹，或表面椭圆裂纹，或内埋椭圆裂纹)来取代实际的缺陷。现有的各种规范，对于缺陷的当量处理基本上是相似的。无论是处理线弹性断裂还是弹塑性断裂，缺陷的当量处理根据都是线弹性断裂力学。在ASMEⅪ规范中，对于缺陷的当量处理是先用一个矩形来外切形状不规则的实际缺陷，然后再用一个圆或椭圆内切该矩形，此椭圆或半椭圆就作为该缺陷的当量裂纹。

设板宽为W，裂纹长为a，均布拉应力为σ。J.ESrawley等人用边界配位法计算所得的裂纹端部的应力强度因子为：

当a/w很小时，(a/w)及其高次幂与1.99相比均可略去，于是上式也可以近似地用表示。

(3)初始裂纹尺寸a_f

结合试验发现，在腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试件，随着腐蚀时间的增加，点蚀坑无论是深度或是大小都逐渐增加，个别蚀坑深度达到120μmm，局部较深的点蚀坑部位首先形成裂纹形核及纳米级裂纹，在交变应力作用下，纳米级裂纹也不断的伸长和回缩，形成微裂纹。因此，根据试件材质和试件所处环境因素，采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验，模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸，在本发明实施例中初始裂纹尺寸a_f＝120μmm。

韧脆扩展阶段

(1)脆性理论

拉吊索钢丝或钢绞线在腐蚀环境和交变荷载作用下塑性降低，脆性增强。一般地：拉吊索钢丝或钢绞线的断面伸长率小于2％～5％称之为脆断，这种材料称为脆性材料，反之成为韧性材料。脆断是一种突发性断裂，断裂前基本上不发生明显的塑性变形，没有明显的征兆，因而危害性很大。断裂时承受的工作应力很低，一般低于σ_0.2，断口平齐且与正应力垂直，断口上常呈人字纹或反射性花样。

通过交变应力和腐蚀环境耦合试验发现，腐蚀-疲劳使钢绞线塑性降低，脆性增强。当腐蚀时间为720h时，与无腐蚀试件相比，上限为0.4σ_b且应力幅值为200MPa的交变应力工况下试件的断面伸长率下降约50％，试件断面伸长率仅约为3％，破断应力下降较多，个别试件的破断应力下降了约40％，试件发生脆断，可以认为承受交变应力和腐蚀环境耦合作用下的拉吊索钢丝在裂纹出现后进入韧脆阶段，该阶段特性符合Griffith强度理论。如果一个完整的晶体，在拉应力作用下，使材料沿某原子面发生分离(见图3)，这时的σ_m就是理论断裂强度，腐蚀-疲劳时原子面发生分离时所需的真应力为σ_c，在发生腐蚀-疲劳时，σ_m的值比σ_c大2个左右的数量级。拉吊索钢丝发生腐蚀-疲劳由最初的点蚀坑到最后裂纹的形成，引起该处发生应力集中，裂纹尖端处的应力比平均应力高很多，当此处应力达到σ_m时，裂纹将迅速扩展而断裂，因此断裂时的平均应力远远小于理论强度值σ_m。

(2)Griffith缺口强度σ_c的计算

裂纹形成时释放的弹性应变能U_r为：U_r＝-σεπa²＝-πσ²a²/E；

裂纹形成时新增的表面能W为：W＝4aγ；

2γ为材料形成新表面的表面能；

此时物体中的总能量变化为：∑u＝W+U_r＝4aγ-πσ²a²/E。

弹性应变能U_r、表面能W与裂纹长度a的关系如图4所示，由图4可知：当裂纹达到临界尺寸a_c时，总能量变化达到极大值。根据求极值的方法，可求出带裂纹的断裂强度σ_c：

令

根据Griffith判据可得，σ_c＝(2Eγ/πa)^1/2≈(Eγ/a)^1/2；

对于一定尺寸的裂纹，有一定的临界应力值；

当外加应力时，σ＜σ_c，裂纹不能扩展；σ＞σ_c，裂纹迅速扩展，最终导致断裂。

腐蚀-疲劳使钢丝塑性减弱，脆性增强，钢丝发生腐蚀-疲劳后，裂纹扩展所需的应力与裂纹半长的平方根成反比，裂纹越长，越容易失稳，断裂强度σ_c与裂缝长度a的关系见图5。

若外加应力不变，而裂纹在服役期间是不断长大，则当裂纹长大到a_c＝2Eγ_s/πσ²，也达到失稳扩展的临界状态。比较σ_m和σ_c

σ_m＝(Eγ/a_m)^1/2 σ_c＝(Eγ/a_c)^1/2；

σ_m/σ_c＝(a/a_f)^1/2；

由于裂纹长度a_c＞＞a₀，因此σ_m＞＞σ_c。

裂纹尖端引起的应力集中相当于将外力放大(a/a_f)^1/2倍，使局部地区达到σ_m而导致断裂。结合试验，以60％标准强度作为钢丝发生腐蚀-疲劳的破断强度，得该破断强度得出钢丝的贯穿裂纹，即临界裂纹尺寸a_c。

(JTGTD65-01-2007)《公路斜拉桥设计细则》规定拉索钢丝的容许应力不超过钢丝标准强度的40％，即安全系数不小于2.5。本实验中所用钢丝的标准强度为1860MPa，其容许应力为744MPa，拉吊索每根钢丝承受拉力F＝0.4σ_b*A＝744*10⁶*π*0.0035*0.0035＝28.6kN,破断应力为0.6*σ_b＝0.6*1860MPa＝1160MPa，因此A＝0.6*σ_b/F，得a_c＝0.64mm。

从Griffith判据公式σ_m/σ_c＝(a/a_f)^1/2得：a_c＝2a＝2*0.308＝0.616mm。

因此，根据试件材质和试件所处环境因素，采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验，模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的临界裂纹尺寸，出于安全考虑，在本发明实施例中临界裂纹尺寸a_c为a_c＝0.616mm。

蚀坑成长、发展直至小裂纹出现阶段

该阶段为各个初始缺陷独立地增长，直到它们开始相凝聚的阶段，其特点为裂纹深度增长较慢，即速率较小；通过检测获得初始蚀坑尺寸a₀(点蚀坑深度a₀)，将蚀坑当量成裂纹，将带有点蚀缺陷的高强钢丝简化成具有单边裂纹的有限板，利用有限板的应力强度因子作为这个阶段的应力强度因子，即：

初始裂纹尺寸a_f＝120μmm，则

小裂纹成长、发展直至临界裂纹尺寸a_c出现阶段

该阶段为裂纹出现后，裂纹深度增长快，增长速率迅速增加直至最大的阶段。裂纹进入稳定扩展阶段，不管裂纹深度如何，裂纹的深度增长率几乎不变，本发明在这一阶段运用固有缺陷法对拉吊索钢丝的裂化寿命进行分析。

为了反应裂纹缺陷引起的局部效应，以裂纹出现的蚀坑深度为初始裂纹尺寸a_f＝0.12mm，构成一简单的物理模型来研究小裂纹成长、发展直至临界裂纹尺寸a_c出现阶段的寿命。

本发明根据实验模拟得出发生腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝的S-N曲线考虑了在腐蚀环境下变幅载荷的腐蚀-疲劳损伤。

将钢丝的裂纹形成直至临界裂纹出现阶段的寿命转换成求初始裂纹为a_f、壁厚度为a_c的管节点寿命，根据S-N曲线，得出经过试验得出小裂纹出现的固有缺陷a_f扩展到a_c疲劳寿命。在同一的裂纹应力下，这一加载方式将给出最不利的疲劳寿命。因此，一般情况下采用这种模式预测是偏于安全的。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估系统。

图7为本发明实施例基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估系统的结构示意图，如图7所示，本发明实施例提供的拉吊索钢丝剩余寿命评估系统具体包括：

蚀坑尺寸获取模块100，用于获取试件的蚀坑尺寸。

初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸确定模块200，用于采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸；其中所述初始裂纹尺寸小于所述临界裂纹尺寸。

第一结果判断得到模块300，用于判断所述蚀坑尺寸是否小于等于所述初始裂纹尺寸，得到第一判断结果。

第一试件剩余寿命确定模块400，用于当所述第一判断结果表示所述蚀坑尺寸小于等于所述初始裂纹尺寸时，确定所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段，确定所述试件的剩余寿命为所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命与所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命的和。

第二结果判断得到模块500，用于当所述第一判断结果表示所述蚀坑尺寸大于所述初始裂纹尺寸时，判断所述蚀坑尺寸是否小于等于所述临界裂纹尺寸，得到第二判断结果。

第二试件剩余寿命确定模块600，用于若所述第二判断结果表示所述蚀坑尺寸小于等于所述临界裂纹尺寸时，确定所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段，确定所述试件的剩余寿命为所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命。

试件更换模块700，用于当所述第二判断结果表示所述蚀坑尺寸大于所述临界裂纹尺寸时，确定所述试件的处于破断阶段，立即更换所述试件。

所述初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸确定模块200具体包括：

试件材质和试件所处环境因素确定单元，用于确定试件材质和试件所处环境因素。

初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸确定单元，用于根据所述试件材质和所述试件所处环境因素，采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验，模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸。

所述第一试件剩余寿命确定模块400具体包括：

试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命确定单元，用于根据计算所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命；其中，a_f表示初始裂纹尺寸；a表示蚀坑尺寸；da/dN＝D(t)(ΔK)^m，Δσ为裂纹处应力幅值，m为材料常数，D(t)为与材料介质系统、加载频率及载荷波形等因素有关的时间函数。

试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命确定单元，用于获取实验模拟的发生腐蚀-疲劳损伤的拉吊索钢丝的S-N曲线，并根据所述S-N曲线，确定所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命。

所述第二试件剩余寿命确定模块600仅包括试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命确定单元。

下面提供具体算例来验证本发明方案的可靠性。具体验证实施例如下：

某拉吊索桥梁全长652.17m，共4跨，跨径组合(20+149+330+149)m，拉索由Φ7镀锌低松弛高强钢丝组成，钢丝标准强度为1600MPa，松弛值70％初载，1000小时小于2.5％，钢丝排列成六边形，钢丝相互平行、顺直，合拢后同心绞合，绞合角2°～4°，热挤PE防护套，2009年定期检测，发现外护套破损严重，拉吊索钢丝锈蚀，对钢丝进行细观检测，发现钢丝有蚀坑0.3mm、0.2mm、0.12mm、0.1mm、0.08mm、0.06mm几种病害，预测发生腐蚀-疲劳钢丝的剩余寿命。

根据本发明提供的技术方案，钢丝发生腐蚀-疲劳损伤，由公式取破断强度σ_m＝0.6σ_b＝960MPa于是得a_c＝2a＝2*0.308＝0.616mm，取a_f＝0.12mm

以蚀坑为0.06mm计算，a₀＝0.06mm。

蚀坑发展直至裂纹阶段

借鉴Barsom的研究结果^[190]，依据规定，取Δσ＝200MPa。

蚀坑为0.06mm的高强钢丝：

小裂纹出现直至临界裂纹尺寸a_c出现阶段：

N₂的计算公式是根据S-N曲线线性表达式。

故蚀坑为0.06mm的高强钢丝的剩余寿命是N＝N₁+N₂＝12059次。

同理，蚀坑为0.08mm的高强钢丝：

故蚀坑为0.08mm的高强钢丝的剩余寿命是N＝N₁+N₂＝9527次。

蚀坑为0.1mm的高强钢丝：

故蚀坑为0.1mm的高强钢丝的剩余寿命是N＝N₁+N₂＝7798次。

蚀坑为0.12mm的高强钢丝，该蚀坑深度小裂纹已出现：

N₁＝0次

故蚀坑为0.12mm的高强钢丝的剩余寿命是N＝N₁+N₂＝5818次。

蚀坑为0.2mm的高强钢丝，该工况小裂纹扩展阶段：

N₁＝0次

故蚀坑为0.12mm的高强钢丝的剩余寿命是N＝N₁+N₂＝4880次。

蚀坑为0.3mm的高强钢丝，该工况小裂纹扩展阶段：

N₁＝0次

故蚀坑为0.12mm的高强钢丝的剩余寿命是N＝N₁+N₂＝3707次。

若采用较多的常规算法是借用paris公式，不分阶段考虑，直接将蚀坑当量成裂纹的。常规算法如下：

蚀坑为0.06mm的高强钢丝剩余寿命：

蚀坑为0.08mm的高强钢丝剩余寿命：

蚀坑为0.1mm的高强钢丝剩余寿命：

蚀坑为0.12mm的高强钢丝剩余寿命：

蚀坑为0.2mm的高强钢丝剩余寿命：

蚀坑为0.3mm的高强钢丝剩余寿命：

将本发明分阶段计算剩余寿命方法与直接将蚀坑当量成裂纹借用paris公式常规算法比较，如图8所示。从图8可以看出，分两阶段算法更反应了腐蚀-疲劳两阶段的裂纹扩展的特点，更为合理。本发明实施例的Δσ依据规范取的200MPa，比实际运营工况下的应力幅值大，循环次数可作为现场可靠性分析的参考。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法，其特征在于，所述拉吊索钢丝剩余寿命评估方法，具体包括

获取试件的蚀坑尺寸；

采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸；其中所述初始裂纹尺寸小于所述临界裂纹尺寸；

判断所述蚀坑尺寸是否小于等于所述初始裂纹尺寸，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述蚀坑尺寸小于等于所述初始裂纹尺寸，则确定所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段，确定所述试件的剩余寿命为所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命与所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命的和；

若所述第一判断结果表示所述蚀坑尺寸大于所述初始裂纹尺寸，则判断所述蚀坑尺寸是否小于等于所述临界裂纹尺寸，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示所述蚀坑尺寸小于等于所述临界裂纹尺寸，则确定所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段，确定所述试件的剩余寿命为所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命。

2.根据权利要求1所述的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法，其特征在于，所述拉吊索钢丝剩余寿命评估方法还包括：若所述第二判断结果表示所述蚀坑尺寸大于所述临界裂纹尺寸，则确定所述试件的处于破断阶段，立即更换所述试件。

3.根据权利要求1所述的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法，其特征在于，所述采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸，具体包括：

确定试件材质和试件所处环境因素；

根据所述试件材质和所述试件所处环境因素，采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验，模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸。

4.根据权利要求1所述的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法，其特征在于，确定所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命，具体包括：

根据以下公式计算所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命；表示所述公式为：式中，a_f表示初始裂纹尺寸；a表示蚀坑尺寸；da/dN＝D(t)(ΔK)^m，Δσ为裂纹处应力幅值，m为材料常数，D(t)为与材料介质系统、加载频率及载荷波形等因素有关的时间函数。

5.根据权利要求1所述的拉吊索钢丝剩余寿命评估方法，其特征在于，确定所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命，具体包括：

获取实验模拟的发生腐蚀-疲劳损伤的拉吊索钢丝的S-N曲线；

根据所述S-N曲线，确定所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命。

6.一种基于腐蚀-疲劳的拉吊索钢丝剩余寿命评估系统，其特征在于，所述拉吊索钢丝剩余寿命评估系统，具体包括：

蚀坑尺寸获取模块，用于获取试件的蚀坑尺寸

初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸确定模块，用于采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸；其中所述初始裂纹尺寸小于所述临界裂纹尺寸；

第一结果判断得到模块，用于判断所述蚀坑尺寸是否小于等于所述初始裂纹尺寸，得到第一判断结果；

第一试件剩余寿命确定模块，用于当所述第一判断结果表示所述蚀坑尺寸小于等于所述初始裂纹尺寸时，确定所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段，确定所述试件的剩余寿命为所述试件处于蚀坑成长、扩展直至小裂纹出现阶段的寿命与所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命的和；

第二结果判断得到模块，用于当所述第一判断结果表示所述蚀坑尺寸大于所述初始裂纹尺寸时，判断所述蚀坑尺寸是否小于等于所述临界裂纹尺寸，得到第二判断结果；

第二试件剩余寿命确定模块，用于当所述第二判断结果表示所述蚀坑尺寸小于等于所述临界裂纹尺寸时，确定所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段，确定所述试件的剩余寿命为所述试件处于小裂纹成长、扩展直至临界裂纹尺寸出现阶段的寿命。

7.根据权利要求6所述的拉吊索钢丝剩余寿命评估系统，其特征在于，所述拉吊索钢丝剩余寿命评估系统还包括：试件更换模块；所述试件更换模块，用于当所述第二判断结果表示所述蚀坑尺寸大于所述临界裂纹尺寸时，确定所述试件的处于破断阶段，立即更换所述试件。

8.根据权利要求6所述的拉吊索钢丝剩余寿命评估系统，其特征在于，所述初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸确定模块，具体包括：

试件材质和试件所处环境因素确定单元，用于确定试件材质和试件所处环境因素；

初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸确定单元，用于根据所述试件材质和所述试件所处环境因素，采用基于腐蚀环境和交变应力耦合作用下的试验，模拟试件腐蚀-疲劳损伤，确定试件的初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸。