CN110044740A - 缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法、应用、装置及夹具 - Google Patents

缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法、应用、装置及夹具 Download PDF

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Abstract

一种缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法、应用、装置及夹具。具体内容涉及到四部分，部分一为腐蚀疲劳损伤律获取方法，是指通过处理服役工况环境谱以及载荷谱，来进行腐蚀疲劳试验，使用电阻法来衡量腐蚀疲劳试验总损伤和应力腐蚀损伤，两类损伤差值为腐蚀疲劳损伤，并使用公式拟合其规律；部分二是指腐蚀疲劳损伤律的应用，是指在得到试验规律后，使用高精度电阻测量仪测试当前电阻即可得到剩余寿命；部分三是指测定该损伤律的装置，包括双层腐蚀腔、盐雾箱、高精度电阻测试仪、恒温箱及疲劳试验机；部分四是指一种绝缘夹具，防止设备对电阻测试的干扰。上述四块的组合使用能够给出合理的复杂环境下缆索钢丝的剩余寿命，且便于工程实践。

Description

缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法、应用、装置及夹具
技术领域
本发明用于分析腐蚀疲劳耦合机制下实桥高强钢丝在不同服役工况中的损伤演化规律，具体涉及一种缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法、应用、装置及夹具。
背景技术
缆索承重体系桥梁主要包括各种吊杆拱桥、斜拉桥以及悬索桥等，其服役环境多为沿海或者内陆湖泊，高湿度、高盐度、以及高温曝晒等作用会导致缆索防护体系过早老化开裂，从而让内部索体(平行钢丝索、钢绞线索、封闭式钢缆索等)进入腐蚀阶段。由于桥梁受腐蚀作用而导致耐久性的下降，而带来巨大后期成本的已成为桥梁设计及建设者不可忽视的因素，而从材料性能、外部防护、结构设计、施工、经济效益、工业化等方面，考虑腐蚀环境的侵害对服役期拉索疲劳寿命的影响也一直是研究中的重点。
缆索体系高强钢丝腐蚀对材料的侵蚀作用不仅体现在对截面的削弱(均匀腐蚀和点蚀)，还体现在促进裂纹萌生和提高裂纹扩展速率。缆索作为桥梁的主要受力构件，当钢丝暴露于腐蚀环境中，其表面受到腐蚀后会逐渐产生腐蚀坑，当桥梁在服役期间受到时变车载、风载、温度应力、海浪拍击等载荷作用，索体内部的平行钢丝(或钢绞线)受应力波动影响而产生累积的疲劳损伤，这些损伤将在应力较大的腐蚀坑内导致疲劳裂纹提前萌生。对于应力腐蚀开裂问题(环境静疲劳)，存在初始裂纹的钢丝，其实际断裂应力将大幅度减小，从而导致钢丝的抗极端灾害能力降低；对于腐蚀疲劳问题，腐蚀与疲劳的耦合作用不仅降低钢丝的裂纹扩展门槛值，其裂纹开裂速率也会进一步扩大，这种多重作用将导致钢丝提前断裂。在进行钢丝的实际寿命评估时，应考虑腐蚀疲劳的影响。
利用材料的损伤演化规律不仅能够得到当前的损伤量值，还可以合理地利用存在初始缺陷钢丝的剩余寿命，从而能够达到节约维护成本的目的，因为钢丝处于腐蚀疲劳过程中，侵蚀作用一方面使得裂纹萌生寿命较短，另一方面使得其裂纹扩展速率不断增大，只知道其断裂寿命，易造成钢丝比预期提前破断的后果，如钢丝在后一半寿命次数N所经历的时间远远小于前一半寿命次数N所经历的时间。目前针对钢丝的维保措施主要为防护体系破损后的再修复以及断丝后的换索。前者主要是在基于探伤设备发现无断丝或者少量断丝的基础上确定可修复使用，后者主要是在确定断丝数达到标准要求的限值时采取的措施。一般来说，换索周期越短，维护成本越高，特别是大跨桥梁的主缆。因此，在已知腐蚀环境下的钢丝损伤演化律后，可利用钢丝损伤累积速率较低阶段的寿命，并给出相应的修复方法，延长换索周期，降低维保成本。
评价腐蚀疲劳性能主要是基于材料力学、断裂力学、损伤力学三种理论基础，其中基于材料力学层面的分析理论主要是采用s-N曲线及其扩展理论，这种理论支撑下的腐蚀疲劳性能分析依赖于庞大的实验数据；基于断裂力学层面下分析理论能够清楚地描述材料疲劳断裂，但需要厘清材料从微观到宏观这种跨尺度行为；基于损伤力学层面下分析理论能够给出过程量与损伤规律的函数关系，但不能具象化地体现材料开裂等行为。
对于缆索钢丝的腐蚀疲劳性能的测试，现有技术的分析思路大多是基于S-N曲线法及其延伸理论，这种分析方法只能给出指定腐蚀环境下的疲劳寿命，但并不能得出损伤演变的规律，因此，部分文献尝试从基于断裂力学层面上得到钢丝裂纹的演变规律，但囿于不清楚钢丝在侵蚀环境下从微观到宏观跨尺度时的各类参数，如裂纹的萌生寿命，小裂纹扩展参数等，现有技术仍无法在基于断裂力学层面上给出较为合理的钢丝寿命解，因此，有必要从基于损伤力学的角度上得到钢丝的损伤规律。现有技术对关于损伤演化规律的研究有了一定的成果，如部分文献提出采用电阻变化值等效损伤的方式来衡量腐蚀疲劳损伤，但这种方法还不能应用于实桥缆索体系，因为无法解决复杂腐蚀环境的影响。此外，现有技术提出了一种腐蚀疲劳损伤演化律的测定方法，虽然考虑到了腐蚀疲劳损伤与疲劳损伤之间的区别，但是该方法依赖于大量的测试数据和时间，不能将实际工况与实验值联系起来，只得到试样腐蚀疲劳寿命而无法推定其在服役工况下任意时刻的剩余寿命。在现有技术的基础上，为了节省费用和时间，有必要使用测试仪器来将损伤演化规律通过一种变量表现出来，并结合腐蚀疲劳损伤理论，得到高强钢丝在服役工况下的腐蚀疲劳损伤演化规律，并用于工程实践。
在基于各类分析方法的基础上，现有技术给出了缆索钢丝的腐蚀疲劳性能测试装置，但是该类装置功能单一，并不能定量化模拟缆索钢丝的复杂的服役环境，如环境温度、湿度及溶液Ph。实桥缆索防护体系破损后，锚固端容易积水腐蚀，非锚固段则易受高温高湿的影响，特别是索体的向阳面和背阴面，其温湿度差异突出，不同位置处钢丝的腐蚀条件是不同的。因此，单一化的装置并不能给出考虑完善的试验方法。有必要提出一种装置，能够实现在不需要拆卸试验装置下两种腐蚀状态的转换，并且这种装置能够控制多种参数，从而实现对真实状态的模拟。在此基础上，需要对腐蚀状态进行定量控制，一种处理方法是将各种复杂环境参量的组合处理为电化学腐蚀反应的速率。
现有技术提出了采用测试电阻损失的办法来衡量腐蚀速率，通过腐蚀速率来将复杂腐蚀状态处理为单一参数控制腐蚀状态，相比于电化学Tafel测定，该方法的优势在于方法简单，且不破坏钢丝的表面形态。但是由于电阻损失很弱，需要高精度的电阻测量仪，如果将此类方法运用于腐蚀疲劳试验中，则需要考虑针对测试仪器的绝缘处理，由于高强钢丝直径过小，表面涂抹绝缘材料的处理方式会因疲劳试验机钳口剪切破坏而失效，而对夹具表面涂抹绝缘材料，容易发生绝缘材料因磨损而随机性失效，因此，有必要提出一种有效而持续的绝缘措施，以解决腐蚀疲劳过程中，疲劳试验机对测量值的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够测试模拟真实服役环境下的钢丝抗腐蚀疲劳能力的基于电阻变化的缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法、应用、装置及夹具。
为了实现本发明的第一个目的即一种基于电阻变化的缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法，本发明提供如下技术方案：
一种缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法，
步骤1获取相关参数
提取服役工况下的一段工作时间T内的含有温度、湿度及腐蚀性离子浓度参数的实桥缆索钢丝环境谱、缆索静应力值和应力时程谱；
使用雨流计数法处理应力时程谱，得到n组应力幅及其对应循环次数Ni，并计算其等效应力幅σeq和等效载荷频率feq；将从环境谱中提取的温度最大值、湿度最大值及酸性离子最大浓度作为最严重腐蚀环境SCE的变量组合，并使用电阻法测定SCE作用下的腐蚀速率vSCE；
使用腐蚀当量法将服役工况下的腐蚀作用转化为腐蚀疲劳试验下所需要的加速腐蚀作用，得到最严重环境腐蚀速率vSCE对应的腐蚀疲劳试验的加速腐蚀速率vacc，CFT；
步骤2获取与实桥缆索钢丝具有相同技术参数的钢丝在静态应力σ0状态下的应力腐蚀SC损伤演化规律，其方法为：
将与实桥缆索钢丝具有同等技术参数的钢丝加载至疲劳试验机上，并将钢丝试验段的两端连接至高精度电阻测量仪，以缆索静应力值作为指定静态应力σ0，张拉至指定静态应力σ0，调节温度、湿度、腐蚀性离子浓度并通过电阻法测试当前腐蚀速率，选取等于加速腐蚀速率vacc，CFT的当前腐蚀速率所对应的温度、湿度及腐蚀性离子浓度的腐蚀环境作为应力腐蚀的测试环境进行应力腐蚀测试，测得不同时间tSC下的试验段钢丝电阻值Rc，得到应力腐蚀所对应的电阻值变化率(ΔR/R0)SC，进而得到应力腐蚀损伤DSC，
其中，p，q分别为拟合系数，tSC为测试时间。
步骤3获取腐蚀疲劳试验下的电阻变化规律
将与实桥缆索钢丝具有相同技术参数的钢丝加载至疲劳试验机上，将钢丝试验段的两端连接至高精度电阻测量仪，采用步骤2所述的加速腐蚀速率vacc，CFT所对应的温度、湿度及腐蚀性离子浓度的腐蚀环境，预设腐蚀疲劳试验加载频率fCFT，并使用正弦波的载荷形式对钢丝进行疲劳加载，并且，将缆索静应力σ0作为正弦波的载荷的平均应力、等效幅σeq作为试验的应力幅、将加载频率fCFT作为正弦波频率，开始疲劳加载直至钢丝断裂，测得不同循环次数NCFT下的电阻值R，以及钢丝断裂时的循环次数Nf，CFT，得到不同循环次数NCFT下的电阻值变化率(ΔR/R0)CFT。
步骤4获取缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律
消除不同循环次数NCFT下的电阻值变化率(ΔR/R0)CFT中的应力腐蚀所对应的电阻值变化率(ΔR/R0)SC，得到缆索钢丝腐蚀疲劳的电阻值变化率(ΔR/R0)CF，进而得到缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律，即：
NCFT为当前循环次数，Nf，CFT为钢丝断裂时的循环次数，β为拟合系数系数。
进一步地，所述的电阻法为：将与实桥缆索钢丝具有同等技术参数的钢丝加载至疲劳试验机上，并将钢丝试验段的两端连接至高精度电阻测量仪，调节温度、湿度及腐蚀性离子浓度，测得时间t下的不同温度、湿度及腐蚀性离子浓度对应的钢丝试验段电阻值Rc，并计算腐蚀速率：
其中，φ0为钢丝初始直径，ρ为密度，L0为钢丝腐蚀区域的长度，Rc为腐蚀后的电阻值。
为了实现本发明的第二个目的即所述缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法在实桥缆索钢丝剩余使用寿命估算中的应用，本发明提供如下技术方案：
一种缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法在实桥缆索钢丝剩余使用寿命估算中的应用，实桥缆索钢丝剩余使用寿命为Nf，CFT-NCFT，Nf，CFT是由权利要求1得到的实桥缆索钢丝的断裂时的循环次数，NCFT为当前循环次数，并通过使用高精度电阻测量仪测量得到实桥缆索钢丝的当前电阻，并计算出当前电阻的变化值ΔR，进而确定当前循环次数NCFT。
为了实现本发明的第三个目的即一种缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定装置，本发明提供如下技术方案：
一种缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定装置，包括双层腐蚀腔、盐雾箱、高精度电阻测试仪、恒温箱及疲劳试验机，双层腐蚀腔由内腔室和包裹在内腔室外部的环形外腔室组成，在内腔室的上下两端分别设有用于插入待测钢丝的过孔，在内腔室的上部设有内腔室盐雾进口和溢水口，在内腔室的下部设有兼为排空内腔室内流体之用的内腔室腐蚀液进口，在内腔室内设有插入式温湿度传感器，在环形外腔室的上部设有外腔室溢流口，在环形外腔室的下部设有外腔室进水口；盐雾箱包括盐雾箱体，在盐雾箱体设有雾化室，在雾化室内设有盐雾箱喷嘴，所述雾化室通过内腔室盐雾进口与内腔室连通并为待测钢丝提供盐雾环境；所述恒温箱包括内储腐蚀液的腐蚀槽、气泵和水泵，所述气泵用于腐蚀液的增氧，所述水泵用于将腐蚀液经内腔室腐蚀液进口泵入内腔室并为待测钢丝提供腐蚀环境，或者，用于将腐蚀液经外腔室进水口泵入环形外腔室并为试验钢丝提供或保证测试所需的温度环境；所述高精度电阻测试仪用于测量试验钢丝的电阻；所述疲劳试验机包括用于夹持试验钢丝夹具并给试验钢丝施加荷载。
进一步地，从溢水口溢出的腐蚀液以及从溢流口流出的腐蚀液分别通过回流管流入腐蚀槽内，进一步地，在回流管上设有过滤器。
进一步地，所述夹具包括设在夹具体内的钳口和C型钢卡壳，在C型钢卡壳的C形内壁设有C形玻璃钢垫块，在C形玻璃钢垫块的C形内室上设有咬合垫片，并且，所述C形玻璃钢垫块用于阻断咬合垫片与C型钢卡壳之间的电连接，在所述钳口的上方设有夹紧活塞杆，在夹紧活塞杆的作用下，钳口向内收缩，并使C型钢卡壳、C形玻璃钢垫块及咬合垫片向试验钢丝收拢，最终紧紧夹住试验钢丝。
为了实现本发明的第四个目的即一种用于所述缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法或所述测定装置的夹具，本发明提供如下技术方案：
一种用于所述缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法或权利要求4所述测定装置的夹具，其特征在于，包括设在夹具体内的钳口和C型钢卡壳，在C型钢卡壳的C形内壁设有C形玻璃钢垫块，在C形玻璃钢垫块的C形内室上设有咬合垫片，并且，所述C形玻璃钢垫块用于阻断咬合垫片与C型钢卡壳之间的电连接，在所述钳口的上方设有夹紧活塞杆，在夹紧活塞杆的作用下，钳口向内收缩，并使C型钢卡壳、C形玻璃钢垫块及咬合垫片向试验钢丝收拢，最终紧紧夹住试验钢丝。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明将从服役工况中提取的温度、湿度及腐蚀性离子浓度等实际腐蚀疲劳环境及加载频率fCFT引入腐蚀疲劳试验中，得到服役工况所对应的腐蚀疲劳试验下的电阻变化规律，最后通过消除其中的应力腐蚀部分的影响，最终测试得到模拟真实服役环境下的钢丝抗腐蚀疲劳能力。
更具体地说，本发明通过从实际服役工况中提取等效应力幅σeq、等效载荷频率feq以及最严重腐蚀环境SCE(即：将从服役工况的环境谱中提取的温度最大值、湿度最大值及酸性离子最大浓度进行变量组合得到的)，用电阻法测定实际服役工况下的SCE作用下的腐蚀速率vSCE后，再用腐蚀当量法将实际服役工况下的最严重环境腐蚀速率vSCE转化为对应的腐蚀疲劳试验的加速腐蚀速率vacc，CFT，然后选择加速腐蚀速率vacc，CFT对应的腐蚀环境作为应力腐蚀的测试环境，获得服役工况中的缆索静应力值下的应力腐蚀并得到得到应力腐蚀所对应的电阻值变化率，同时，选择加速腐蚀速率vacc，CFT对应的腐蚀环境，以缆索静应力σ0(即等于从服役工况下提取的一段工作时间T内实桥缆索钢丝的缆索静应力值)作为正弦波的载荷的平均应力、以等效幅σeq作为试验的应力幅、以加载频率fCFT作为正弦波频率，对与实桥缆索钢丝具有相同技术参数的钢丝进行正弦波载荷加载，腐蚀疲劳试验下的电阻变化规律并得到相应的腐蚀疲劳试验下的电阻值变化率，最后，通过消除腐蚀疲劳试验下的电阻值变化率所含的应力腐蚀所对应的电阻值变化率部分，得到缆索钢丝腐蚀疲劳的电阻值变化率(ΔR/R0)CF，进而得到缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律。由此可见，本发明综合考虑了不同腐蚀形式及其强弱、环境参数、以及载荷工况等影响因素，通过电阻值变化率计算获得了服役工况下的缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律。
此外，本发明通过腐蚀当量法来计算腐蚀疲劳试验环境下的腐蚀作用，其具体的方法是，基于等腐蚀电荷量的原理，令单次循环下的服役工况与腐蚀疲劳试验工况，腐蚀作用产生的电荷量相同，即可计算腐蚀疲劳试验的加速腐蚀速率，使得腐蚀疲劳试验能够反映服役工况下的载荷频率对腐蚀疲劳寿命的影响。
(2)本发明可以合理地预估服役工况下的实桥缆索钢丝的使用寿命和剩余使用寿命。由于本发明在进行缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测试中可以精确得到新钢丝至其断裂时的循环次数Nf，CFT，在扣除其中的已进行的循环次数NCFT后，即可得到精准的使用寿命和剩余使用寿命。
(3)本发明所述测定装置为获取服役工况下的缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律提供了所需的测试装备，通过引入高精度电阻测量仪，来将腐蚀疲劳损伤值通过电阻变化率的形式表现出来，在实际运用中，工程人员仅需通过高精度电阻测量仪来获得其当前的损伤值，继而获得其剩余寿命，操作便捷。
(4)本发明提供了一种多态的腐蚀装置，当进行液态腐蚀时，通过将恒温箱内腐蚀液水槽中的恒温水引入至内层腐蚀腔形成循环系统，将钢丝穿入腐蚀腔内部来进行腐蚀疲劳试验，通过调节水温、Ph及酸性离子配比来控制腐蚀条件。当进行盐雾态腐蚀时，通过雾室将盐雾箱的喷雾导至腐蚀腔内层腔体形成雾化环境，通过引入恒温循环水至环形外腐蚀腔来实现控温，通过插入式温湿度传感器调节反馈腔体内部温湿度，通过调整盐雾箱喷雾压力来调节湿度，通过调整恒温水温度来调节环境温度，通过调整盐雾箱内的腐蚀液Ph及酸性离子配比来调整其他腐蚀条件。由此可见，该装置能够提供两种腐蚀形态，在疲劳加载过程中，能够实现对腐蚀环境的多参数控制。此外，用于提供高强钢丝腐蚀作用的腐蚀腔，是采用的双层筒体结构，在腐蚀疲劳试验过程中，通过调整装置的连接，可快速实现盐雾态和液态的腐蚀作用转换。
(4)本发明提出的夹具具有很好的绝缘性能，是采用的绝缘材料外裹试样的绝缘措施，通过设计钢材与玻璃钢构件的具体构造，采用C型钢卡壳托住咬合垫片的承力形式，将夹持剪力转换为托举力，避免了常规绝缘处理时，外裹绝缘材料被钳口过高的剪力造成剪切破坏，从而有效地避免了疲劳试验机对高精度电阻测量仪测试时的影响。
附图说明
图1为本发明装置的总体效果示意图；
图2为绝缘夹具剖面图。
图3为双层腐蚀腔俯视效果图。
图4为腐蚀疲劳损伤演化律计算流程。
图5为腐蚀疲劳损伤演化律简图。
其中：
1为双层腐蚀腔；1-1为内腔室盐雾进口；1-2为内腔室溢水口；1-3为外腔室溢流口；1-4为外腔室下进水口；1-5为固定端；1-6为兼为排空内腔室内流体之用的内腔室腐蚀液进口；2为盐雾箱简图；2-1为雾化室；2-2为盐雾箱喷嘴；2-3为插入式温湿度传感器；3为试验钢丝；4为高精度电阻测试仪；4-1和4-2均为导线；5为恒温箱；5-1为腐蚀槽；5-2为过滤器；5-3为气泵；5-4为水泵；6为疲劳试验机夹具；6-1为钳口；6-2为C型钢卡壳；6-3为咬合垫片；6-4为C形玻璃钢垫块，6-5为夹紧活塞杆。
具体实施方式
实施例1
一种缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法，
步骤1获取相关参数
提取服役工况下的一段工作时间T内的含有温度、湿度及腐蚀性离子浓度参数的实桥缆索钢丝环境谱、缆索静应力值和应力时程谱，其中，腐蚀性离子主要是指在环境中能够明显促进腐蚀电化学反应的离子，一般是Cl-或者SO3 2-；实桥缆索钢丝环境谱的提取过程为：通过在实桥缆索附近设置温湿度传感器获取此段时间的温湿度，可根据护套内积水或者雨水来判定是否腐蚀性离子浓度；缆索静应力值的提取过程为：根据设计文件来获取；应力时程谱的提取过程为：根据安装在缆索上的引申计来获取变形量，计算得到应力的时程变化曲线；
使用雨流计数法处理应力时程谱，得到n组应力幅及其对应循环次数Ni，并计算其等效应力幅σeq和等效载荷频率feq，其中，等效应力幅σeq和等效载荷频率feq采用下式计算：
式中：σi表示第i组应力幅，Ni表示第i组应力幅对应的循环次数；m为钢丝S-N曲线的材料常数，取2.511。
环境谱是温度湿度以及腐蚀性离子浓度随时间变化的数值组合，可直接选取其最大值组成SCE，即：将从环境谱中提取的温度最大值、湿度最大值及酸性离子最大浓度作为最严重腐蚀环境SCE的变量组合，并使用电阻法测定SCE作用下的腐蚀速率vSCE；
使用腐蚀当量法将服役工况下的腐蚀作用转化为腐蚀疲劳试验下所需要的加速腐蚀作用，得到最严重环境腐蚀速率vSCE对应的腐蚀疲劳试验的加速腐蚀速率vacc，CFT(acc即accelerate，加速腐蚀作用，CFT即Corrosion Fatigue Test，表示腐蚀疲劳试验)，其具体计算方法为：
式中：ISCE(t)为腐蚀速率vSCE对应的腐蚀电流强度，ICFT(t)为腐蚀疲劳试验下加速腐蚀速率vacc，CFT对应的腐蚀电流强度；fCFT为腐蚀疲劳试验加载频率；F为为法拉第恒量；M为铁元素的摩尔质量，n为铁元素的化合价，t为时间变量。上式可简化为：
步骤2获取与实桥缆索钢丝具有相同技术参数的钢丝在静态应力σ0状态下的应力腐蚀SC(即Stress Corrosion，表示应力腐蚀)损伤演化规律，其方法为：
将与实桥缆索钢丝具有同等技术参数的钢丝加载至疲劳试验机上，并将钢丝试验段的两端连接至高精度电阻测量仪(高精度电阻测量仪可以采用美瑞克RK2515)，以缆索静应力值作为指定静态应力σ0，张拉至指定静态应力σ0，调节温度、湿度、腐蚀性离子浓度并通过电阻法测试当前腐蚀速率，选取等于加速腐蚀速率vacc，CFT的当前腐蚀速率所对应的温度、湿度及腐蚀性离子浓度的腐蚀环境作为应力腐蚀的测试环境进行应力腐蚀测试，测得不同时间tSC下的试验段钢丝电阻值RSC，得到应力腐蚀所对应的电阻值变化率(ΔR/R0)SC，进而得到应力腐蚀损伤DSC，
其中，p，q分别为拟合系数，tSC为测试时间，
所述电阻值变化率(ΔR/R0)SC是指腐蚀应力腐蚀过程中电阻值变化与原始电阻的比率，计算方法为：
其中，R0是钢丝试验段初始电阻。
由于在应力腐蚀作用下，钢丝表明萌生的蚀坑会诱导裂纹生成，损伤增长，其累积速率逐渐增大，因此可以使用幂函数关系式来描述应力腐蚀作用下R/R0与时间tc的非线性关系，即：
具体步骤为，首先测得不同时间tSC下的试验段钢丝电阻值RSC，得到应力腐蚀所对应的电阻值变化率(ΔR/RO)SC，其次，建立(ΔR/R0)SC与tSC的散点图，使用幂函数来拟合二者之间的关系，最后，可得到幂函数的两个系数p，q的具体值；
步骤3获取腐蚀疲劳试验下的电阻变化规律
将与实桥缆索钢丝具有相同技术参数的钢丝加载至疲劳试验机上，将钢丝试验段的两端连接至高精度电阻测量仪，采用步骤2所述的加速腐蚀速率vacc，CFT所对应的温度、湿度及腐蚀性离子浓度的腐蚀环境，预设腐蚀疲劳试验加载频率fCFT，并使用正弦波的载荷形式对钢丝进行疲劳加载，并且，将缆索静应力σ0作为正弦波的载荷的平均应力、等效幅σeq作为试验的应力幅、将加载频率fCFT作为正弦波频率，开始疲劳加载直至钢丝断裂，测得不同循环次数NCFT下的电阻值RCFT，以及钢丝断裂时的循环次数Nf，CFT，得到不同循环次数NCFT下的电阻值变化率(ΔR/R0)CFT，其中，
腐蚀疲劳试验加载频率fCFT取值在1～10Hz，过大会导致腐蚀效应不明显，在腐蚀疲劳试验中，载荷频率的选择对寿命影响很大，载荷频率越大，试样达到疲劳断裂历经的时间越短，因此腐蚀作用的时间也越短。一般来说，载荷频率约为1Hz左右，腐蚀疲劳裂纹扩展速率最快。试验表明，腐蚀疲劳载荷频率6Hz下腐蚀疲劳效果明显，但是在30Hz则不明显。
电阻值变化率(ΔR/R0)CFT是指腐蚀疲劳试验过程中电阻值变化与原始电阻的比率，其计算方法为：
其中，R0是钢丝试验段初始电阻。
步骤4获取缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律
消除不同循环次数NCFT下的电阻值变化率(ΔR/R0)CFT中的应力腐蚀所对应的电阻值变化率(ΔR/R0)SC，得到缆索钢丝腐蚀疲劳的电阻值变化率(ΔR/R0)CF，进而得到缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律，即：
NCFT为当前循环次数，Nf，CFT为钢丝断裂时的循环次数，使用上式拟合(ΔR/R0)CF与NCFT的关系，即可得到β的值。从而得到该工况下钢丝的腐蚀疲劳损伤演化规律，计算β的具体方法为：在计算得到(ΔR/R0)CF值后，建立(ΔR/R0)CF值与NCFT的散点图，使用上述(ΔR/R0)CF与NCFT的函数关系式来拟合该散点关系，即可得到参数β的值。
需要注意的是，在腐蚀疲劳试验中不同循环次数NCFT下的(ΔR/R0)CFT值包括了应力腐蚀对其产生的影响，因此，本发明采用了上述由腐蚀疲劳作用对ΔR/R0产生的影响应减去来自应力腐蚀损伤的作用。
在本实施例中，所述的电阻法为：将与实桥缆索钢丝具有同等技术参数的钢丝加载至疲劳试验机上，并将钢丝试验段的两端连接至高精度电阻测量仪，调节温度、湿度及腐蚀性离子浓度，测得时间t下的不同温度、湿度及腐蚀性离子浓度对应的钢丝试验段电阻值Rc，并计算腐蚀速率：
其中，φ0为钢丝初始直径，ρ为密度，L0为钢丝腐蚀区域的长度，Rc为腐蚀后的电阻值。
电阻法测定SCE作用下的腐蚀速率vSCE具体为，将与实桥缆索钢丝具有同等技术参数的钢丝加载至疲劳试验机上，并将钢丝试验段的两端连接至高精度电阻测量仪，调节温度、湿度及腐蚀性离子浓度，使的当前环境下的温度、湿度及腐蚀性离子浓度均能匹配SCE对应的最大值，调整完毕后，将钢丝张拉至指定静态应力σ0，经过时间t之后，使用上式计算其腐蚀速率。
实施例2
一种缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法在实桥缆索钢丝剩余使用寿命估算中的应用，实桥缆索钢丝剩余使用寿命为Nf，CFT-NCFT，Nf，CFT是由权利要求1得到的实桥缆索钢丝的断裂时的循环次数，NCFT为当前循环次数，并通过使用高精度电阻测量仪测量得到实桥缆索钢丝的当前电阻，并计算出当前电阻的变化值ΔR，进而确定当前循环次数NCFT。
实施例3
一种缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定装置，包括双层腐蚀腔1、盐雾箱2、高精度电阻测试仪4、恒温箱5及疲劳试验机，双层腐蚀腔1由内腔室和包裹在内腔室外部的环形外腔室组成，在内腔室的上下两端分别设有用于插入待测钢丝的过孔，在内腔室的上部设有内腔室盐雾进口1-1和溢水口1-2，在内腔室的下部设有兼为排空内腔室内流体之用的内腔室腐蚀液进口1-6，在内腔室内设有插入式温湿度传感器2-3，在环形外腔室的上部设有外腔室溢流口1-3，在环形外腔室的下部设有外腔室进水口1-4；图1可见双层腐蚀腔1的剖面图，图3可见双层腐蚀腔1的俯视图，其中1-1为内腔室盐雾进口，对称布置4个；1-2为内腔室溢水口，对称布置4个；1-3为外腔室溢流口，对称布置4个；1-4为外腔室进水口，对称布置4个；1-5为固定端，上下共两处；1-6为内腔室下进口，对称布置4个。
盐雾箱2包括盐雾箱体，在盐雾箱体设有雾化室2-1，在雾化室2-1内设有盐雾箱喷嘴2-2，所述雾化室2-1通过内腔室盐雾进口1-1与内腔室连通并为待测钢丝提供盐雾环境；所述恒温箱5包括内储腐蚀液的腐蚀槽5-1、气泵5-3和水泵5-4，所述气泵5-3用于腐蚀液的增氧，所述水泵5-4用于将腐蚀液经内腔室腐蚀液进口1-6泵入内腔室并为待测钢丝提供腐蚀环境，或者，用于将腐蚀液经外腔室进水口1-4泵入环形外腔室并为试验钢丝提供或保证测试所需的温度环境；所述高精度电阻测试仪4用于测量试验钢丝的电阻；所述疲劳试验机包括用于夹持试验钢丝夹具并给试验钢丝施加荷载。在本实施例中，从溢水口1-2溢出的腐蚀液以及从溢流口1-3流出的腐蚀液分别通过回流管流入腐蚀槽5-1内，在回流管上设有过滤器5-2。
所述夹具包括设在夹具体内的钳口6-1和C型钢卡壳6-2，在C型钢卡壳6-2的C形内壁设有C形玻璃钢垫块6-4，在C形玻璃钢垫块6-4的C形内室上设有咬合垫片6-3，并且，所述C形玻璃钢垫块6-4用于阻断咬合垫片6-3与C型钢卡壳6-2之间的电连接，在所述钳口6-1的上方设有夹紧活塞杆6-5，在夹紧活塞杆6-5的作用下，钳口6-1向内收缩，并使C型钢卡壳6-2、C形玻璃钢垫块6-4及咬合垫片6-3向试验钢丝3收拢，最终紧紧夹住试验钢丝3。
当进行液态腐蚀疲劳试验时：
首先，根据预定Ph及离子配比调配好腐蚀液，并加至腐蚀液水槽5-1内，再将水槽5-1置于恒温箱5内，设定好预定的恒温箱温度，再使用微型气泵5-3给腐蚀液水体充分入空气以达到氧饱和。然后，将双层腐蚀腔1悬置于钢丝试样上，将钢丝夹紧于带有绝缘夹具的疲劳试验机中。悬置前，在固定端1-5与钢丝相接触的位置处，使用白色生料带缠绕钢丝表面数圈，再将腐蚀腔1悬挂，悬挂后再使用白色生料带包裹多道。白色生料带的作用是提供较大的摩擦力以及止水。其次，使用透明软管连接水泵5-4和内层腐蚀腔进口1-6，再将内层腔室溢水口1-2连接透明软管至水槽5-1中，通过过滤器5-2来滤清反应液，从而形成循环系统。所述循环系统能够提供试样以液态腐蚀作用，并保持恒温，根据温湿度传感器2-3的温度反馈来调节恒温箱的温度，根据高精度电阻测试仪3的电阻变化来计算在该腐蚀条件下试样的腐蚀速率。
当腐蚀环境为盐雾态时：
首先，根据预定Ph及离子配比调配好腐蚀液，并加至盐雾箱2的腐蚀液缸内，根据试验需求来调试盐雾箱的各类参数。使用雾室2-1替换盐雾箱的喷雾塔，并外套在喷嘴上，并将另一端连接在双层腐蚀腔的内腔室盐雾进口1-1，连接的盐雾进口1-1共计四处，所进入的盐雾可通过内腔室内腔室腐蚀液进口1-6来排出。使用透明软管连接水泵5-4和外腔室进水口1-4，再将外腔室溢流口1-3连接透明软管至水槽5-1中，通过过滤器5-2来滤清反应液，从而形成循环系统。所述循环系统的作用主要是利用恒温水来使雾态环境保持一定温度。然后，再将钢丝夹紧于带有绝缘夹具的疲劳试验机上，相关步骤详见上文。其次，开启盐雾箱喷雾，通过插入式温湿度传感器2-3所反馈的湿度来调试盐雾箱喷雾压力，满足所需值后，再调节恒温箱5中的温度来使恒温水产生所需的雾态腐蚀环境温度。
实施例4
一种用于缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法或所述测定装置的夹具，包括设在夹具体内的钳口6-1和C型钢卡壳6-2，在C型钢卡壳6-2的C形内壁设有C形玻璃钢垫块6-4，在C形玻璃钢垫块6-4的C形内室上设有咬合垫片6-3，并且，所述C形玻璃钢垫块6-4用于阻断咬合垫片6-3与C型钢卡壳6-2之间的电连接，在所述钳口6-1的上方设有夹紧活塞杆6-5，在夹紧活塞杆6-5的作用下，钳口6-1向内收缩，并使C型钢卡壳6-2、C形玻璃钢垫块6-4及咬合垫片6-3向试验钢丝3收拢，最终紧紧夹住试验钢丝3。

Claims (8)

1.一种缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法，其特征在于，
步骤1获取相关参数
提取服役工况下的一段工作时间T内的含有温度、湿度及腐蚀性离子浓度参数的实桥缆索钢丝环境谱、缆索静应力值和应力时程谱；
使用雨流计数法处理应力时程谱，得到n组应力幅及其对应循环次数Ni，并计算其等效应力幅σeq和等效载荷频率feq；将从环境谱中提取的温度最大值、湿度最大值及酸性离子最大浓度作为最严重腐蚀环境SCE的变量组合，并使用电阻法测定SCE作用下的腐蚀速率vSCE；
使用腐蚀当量法将服役工况下的腐蚀作用转化为腐蚀疲劳试验下所需要的加速腐蚀作用，得到最严重环境腐蚀速率vSCE对应的腐蚀疲劳试验的加速腐蚀速率vacc，CFT；
步骤2获取与实桥缆索钢丝具有相同技术参数的钢丝在静态应力σ0状态下的应力腐蚀SC损伤演化规律，其方法为：
将与实桥缆索钢丝具有同等技术参数的钢丝加载至疲劳试验机上，并将钢丝试验段的两端连接至高精度电阻测量仪，以缆索静应力值作为指定静态应力σ0，张拉至指定静态应力σ0，调节温度、湿度、腐蚀性离子浓度并通过电阻法测试当前腐蚀速率，选取等于加速腐蚀速率vacc，CFT的当前腐蚀速率所对应的温度、湿度及腐蚀性离子浓度的腐蚀环境作为应力腐蚀的测试环境进行应力腐蚀测试，测得不同时间tSC下的试验段钢丝电阻值RSC，得到应力腐蚀所对应的电阻值变化率(ΔR/R0)SC，进而得到应力腐蚀损伤DSC，
其中，p，q分别为拟合系数，tSC为测试时间。
步骤3获取腐蚀疲劳试验下的电阻变化规律
将与实桥缆索钢丝具有相同技术参数的钢丝加载至疲劳试验机上，将钢丝试验段的两端连接至高精度电阻测量仪，采用步骤2所述的加速腐蚀速率vacc，CFT所对应的温度、湿度及腐蚀性离子浓度的腐蚀环境，预设腐蚀疲劳试验加载频率fCFT，并使用正弦波的载荷形式对钢丝进行疲劳加载，并且，将缆索静应力σ0作为正弦波的载荷的平均应力、等效幅σeq作为试验的应力幅、将加载频率fCFT作为正弦波频率，开始疲劳加载直至钢丝断裂，测得不同循环次数NCFT下的电阻值R，以及钢丝断裂时的循环次数Nf，CFT，得到不同循环次数NCFT下的电阻值变化率(ΔR/R0)CFT。
步骤4获取缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律
消除不同循环次数NCFT下的电阻值变化率(ΔR/R0)CFT中的应力腐蚀所对应的电阻值变化率(ΔR/R0)SC，得到缆索钢丝腐蚀疲劳的电阻值变化率(ΔR/R0)CF，进而得到缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律，即：
其中，NCFT为当前循环次数，Nf，CFT为钢丝断裂时的循环次数，β为拟合系数系数，。
2.根据权利要求1所述的缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法，其特征在于，所述的电阻法为：将与实桥缆索钢丝具有同等技术参数的钢丝加载至疲劳试验机上，并将钢丝试验段的两端连接至高精度电阻测量仪，调节温度、湿度及腐蚀性离子浓度，测得时间t下的不同温度、湿度及腐蚀性离子浓度对应的钢丝试验段电阻值Rc，并计算腐蚀速率：
其中，φ0为钢丝初始直径，ρ为密度，L0为钢丝腐蚀区域的长度，Rc为腐蚀后的电阻值。
3.一种缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法在实桥缆索钢丝剩余使用寿命估算中的应用，其特征在于，实桥缆索钢丝剩余使用寿命为Nf，CFT-NCFT，Nf，CFT是由权利要求1得到的实桥缆索钢丝的断裂时的循环次数，NCFT为当前循环次数，并通过使用高精度电阻测量仪测量得到实桥缆索钢丝的当前电阻，并计算出当前电阻的变化值ΔR，进而确定当前循环次数NCFT。
4.一种缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定装置，其特征在于，包括双层腐蚀腔(1)、盐雾箱(2)、高精度电阻测试仪(4)、恒温箱(5)及疲劳试验机，双层腐蚀腔(1)由内腔室和包裹在内腔室外部的环形外腔室组成，在内腔室的上下两端分别设有用于插入待测钢丝的过孔，在内腔室的上部设有内腔室盐雾进口(1-1)和溢水口(1-2)，在内腔室的下部设有兼为排空内腔室内流体之用的内腔室腐蚀液进口(1-6)，在内腔室内设有插入式温湿度传感器(2-3)，在环形外腔室的上部设有外腔室溢流口(1-3)，在环形外腔室的下部设有外腔室进水口(1-4)；盐雾箱(2)包括盐雾箱体，在盐雾箱体设有雾化室(2-1)，在雾化室(2-1)内设有盐雾箱喷嘴(2-2)，所述雾化室(2-1)通过内腔室盐雾进口(1-1)与内腔室连通并为待测钢丝提供盐雾环境；所述恒温箱(5)包括内储腐蚀液的腐蚀槽(5-1)、气泵(5-3)和水泵(5-4)，所述气泵(5-3)用于腐蚀液的增氧，所述水泵(5-4)用于将腐蚀液经内腔室腐蚀液进口(1-6)泵入内腔室并为待测钢丝提供腐蚀环境，或者，用于将腐蚀液经外腔室进水口(1-4)泵入环形外腔室并为试验钢丝提供或保证测试所需的温度环境；所述高精度电阻测试仪(4)用于测量试验钢丝的电阻；所述疲劳试验机包括用于夹持试验钢丝夹具并给试验钢丝施加荷载。
5.根据权利要求4所述的测定装置，其特征在于，从溢水口(1-2)溢出的腐蚀液以及从溢流口(1-3)流出的腐蚀液分别通过回流管流入腐蚀槽(5-1)内。
6.根据权利要求5所述的测定装置，其特征在于，在回流管上设有过滤器(5-2)。
7.根据权利要求4、5或6所述的测定装置，其特征在于，所述夹具包括设在夹具体内的钳口(6-1)和C型钢卡壳(6-2)，在C型钢卡壳(6-2)的C形内壁设有C形玻璃钢垫块(6-4)，在C形玻璃钢垫块(6-4)的C形内室上设有咬合垫片(6-3)，并且，所述C形玻璃钢垫块(6-4)用于阻断咬合垫片(6-3)与C型钢卡壳(6-2)之间的电连接，在所述钳口(6-1)的上方设有夹紧活塞杆(6-5)，在夹紧活塞杆(6-5)的作用下，钳口(6-1)向内收缩，并使C型钢卡壳(6-2)、C形玻璃钢垫块(6-4)及咬合垫片(6-3)向试验钢丝(3)收拢，最终紧紧夹住试验钢丝(3)。
8.一种用于权利要求1所述缆索钢丝腐蚀疲劳损伤律的测定方法或权利要求4所述测定装置的夹具，其特征在于，包括设在夹具体内的2～3片钳口(6-1)和C型钢卡壳(6-2)，在C型钢卡壳(6-2)的C形内壁设有C形玻璃钢垫块(6-4)，在C形玻璃钢垫块(6-4)的C形内室上设有咬合垫片(6-3)，并且，所述C形玻璃钢垫块(6-4)用于阻断咬合垫片(6-3)与C型钢卡壳(6-2)之间的电连接，在所述钳口(6-1)的上方设有夹紧活塞杆(6-5)，在夹紧活塞杆(6-5)的作用下，钳(6-1)向内收缩，并使C型钢卡壳(6-2)、C形玻璃钢垫块(6-4)及咬合垫片(6-3)向试验钢丝(3)收拢，最终紧紧夹住试验钢丝(3)。
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