含裂纹高强钢丝的腐蚀损伤与拉伸性能研究

为了研究桥梁含裂纹拉索钢丝的腐蚀损伤机理和受拉力学特性,以含预置裂纹的腐蚀高强钢丝为研究对象,采用电弧线切割方法、中性盐雾腐蚀试验、拉伸试验、电镜试验和有限元分析,开展相关内容研究。提出了考虑中性盐雾腐蚀影响的含裂纹高强钢丝拉伸受力性能的评价方法。结果表明：刻痕的应力集中系数远大于正常腐蚀蚀坑的系数,钢丝力学性能的变化是由于初始裂纹进一步腐蚀而引起,特别在腐蚀初期,钢丝处于非常不利的阶段,其受拉性能较低。建立的初始裂纹钢丝有限元模型,能较好地描述中性盐雾腐蚀试验和静力拉伸试验得出的质量损失率、截面面积损失率及极限强度的关系。     

氯盐腐蚀钢绞线的受拉性能退化特征

通过制作专门的掺盐混凝土试件获取腐蚀钢绞线试样,然后通过静力拉伸试验研究了腐蚀钢绞线的受拉性能退化特征.结果表明:含氯盐混凝土中钢绞线具有典型的坑蚀形态特征;坑蚀引起钢绞线钢丝脆性断口的比例增大;由于坑蚀钢绞线中各钢丝的蚀坑形状、尺寸以及分布不同,使得其在静力拉伸时出现了各钢丝不同步断裂的现象;受蚀坑应力集中效应及截面削弱效应的影响,钢绞线的最大承拉力和极限平均应变出现了显著降低:在0～0.85%的腐蚀率水平下,前者约降低了9%～23%,后者约降低了50%～80%;但在上述腐蚀率水平下,钢绞线的名义弹性模量未出现明显降低.     

应力水平对2219铝合金腐蚀损伤力学性能的影响

为明确应力水平及暴露时间对2219铝合金腐蚀损伤力学性能的影响,选择在不同应力水平作用下暴露于EXCO腐蚀溶液中,经不同时间加速腐蚀后的2219铝合金试样,开展表面蚀坑深度测量、力学性能测试、拉伸断口形貌观察试验。结果表明,应力水平、暴露时间都是影响试样应力腐蚀损伤发展从而影响材料力学性能变化的重要因素。在腐蚀的初期阶段,即0.0~1.5 h,应力水平因素的影响有限;当暴露时间大于等于2.0 h,应力水平引起的以蚀坑平均深度为表征的腐蚀损伤更加显著。但在试验时间（2.5 h）内,应力水平对腐蚀损伤所产生的影响小于暴露时间,因而对材料力学性能变化的影响也小于暴露时间。腐蚀损伤造成的点蚀坑、微裂纹破坏了材料的连续性,使试样材料的抗拉强度、延伸率、弹性模量等力学性能指标下降,是促使材料在拉伸试验中没有经过充分的塑性变形阶段就发生瞬间断裂的重要原因。深度大的点蚀坑、微裂纹,可能成为断口主裂纹的起源。     

高强钢丝蚀坑尺寸对应力集中效应的影响

斜拉桥拉索钢丝的力学性能对腐蚀极为敏感,腐蚀使钢丝表面产生的蚀坑会导致应力集中,削弱钢丝局部的疲劳抵抗能力,从而吸引疲劳裂纹从这里成核,这通常是斜拉桥拉索承载力和使用寿命降低的直接原因。为研究钢丝蚀坑尺寸的影响,基于数值模拟的方法,建立三维蚀坑模型来探讨蚀坑的长、宽、深对应力集中的影响。采用ANSYS建立高强钢丝的有限元实体模型,基于蚀坑的不同尺寸比例,即蚀坑深宽比、长宽比,模拟了深窄形和开放形蚀坑。通过有限元软件计算所得数据拟合出蚀坑尺寸因素与应力集中系数的曲线,根据所得曲线,拟合出蚀坑处应力集中系数随不同尺寸比变化的近似计算公式。基于蚀坑的应力分布图和应力集中系数随尺寸比的变化规律,探讨了蚀坑的长、宽、深对应力集中效应以及蚀坑处应力分布的影响,并横向比较了3个尺寸因素对应力集中效应的影响程度,结果表明,高强钢丝应力集中系数会随蚀坑深宽比或宽深比的增加而增加,而随蚀坑长度的增加而减小。此外,蚀坑长度的变化对高强钢丝应力集中系数的影响最为显著,蚀坑深度次之,而蚀坑宽度的影响最弱。     

管道表面蚀坑-裂纹的应力强度因子分析

针对在役的海底管道遭受腐蚀疲劳损伤时其管道表面出现点蚀坑问题,应力强度因子成为衡量蚀坑向裂纹转变的临界条件之一.断裂力学的腐蚀疲劳寿命分析的基础是腐蚀疲劳裂纹扩展,裂纹的不稳定扩展又由应力强度因子来判别.因此,在腐蚀疲劳破坏中,将点蚀坑和应力强度因子结合起来研究变得尤为重要.基于应力集中是导致裂纹萌生的主导因素,建立了双参数蚀坑模型,合理地解释了腐蚀疲劳裂纹在蚀坑处萌生位置差异的现象.在管道内流体压力的作用下,管道外表面轴向I型裂纹在环向应力的作用下成为最为危险的一种裂纹型式.基于线弹性断裂力学,利用ABAQUS软件,在管道内压作用下,采用二维模型,对管道表面的轴向I型蚀坑+裂纹的应力强度因子展开了分析.结果显示,蚀坑对裂纹应力强度因子的取值产生明显影响,可显著降低裂纹扩展的门槛值.进一步采用三维模型,利用扩展有限元法,对影响轴向I型蚀坑-裂纹应力强度因子的蚀坑参数开展了敏感性分析.结果显示,蚀坑参数的不同,对蚀坑-裂纹应力强度因子、裂纹形状因子的影响趋势各异.随着蚀坑参数深径比?、深度d的增大,蚀坑-裂纹应力强度因子的取值也逐渐变大;蚀坑参数深径比?、深度d对形状因子F取值的影响存在一定的区间效应.     

桥梁缆索钢丝裂纹扩展速率预测及疲劳寿命计算

为给桥梁缆索钢丝疲劳性能分析提供简单有效的方法,根据钢丝的微观组织结构和相关试验数据的统计分析结果,建立了钢丝疲劳裂纹扩展速率预测模型,并给出了模型参数的计算方法.通过变载刻痕法在原状钢丝上获取了稳定扩展区的疲劳裂纹扩展速率,预测模型较好地描述了试验获取的数据和文献中近门槛值区域钢丝的疲劳裂纹扩展规律.在此基础上,通过断裂力学方法计算了新钢丝和腐蚀钢丝的疲劳寿命并与试验数据相比较,结果表明:钢丝腐蚀不会对疲劳裂纹扩展速率产生影响,仍可用未腐蚀钢丝的力学性能通过本文方法进行预测,腐蚀钢丝疲劳寿命的变化是由于初始裂纹尺寸发生改变而引起.对于新钢丝和轻微腐蚀钢丝,可采用等效初始裂纹法进行疲劳寿命计算;当钢丝腐蚀较为严重时,疲劳总寿命基本由裂纹扩展寿命构成,初始裂纹尺寸即为真实锈坑深度.鉴于蚀坑深度分布的随机性,宜采用最大蚀坑深度对腐蚀钢丝进行疲劳寿命计算.     

预腐蚀桥梁缆索高强钢丝疲劳试验

为了研究桥梁缆索高强钢丝腐蚀后的疲劳性能,采用酸性盐雾试验制作了6种不同腐蚀程度的钢丝试件共30根,并对这些试件进行了单轴拉伸疲劳试验.分析了腐蚀程度、应力水平对高强钢丝的影响,研究了预腐蚀桥梁缆索高强钢丝的疲劳性能退化规律.试验结果表明:腐蚀使得钢丝的疲劳寿命显著降低,腐蚀下的高强钢丝应力-疲劳寿命曲线仍呈双直线形式,在相同应力幅下,钢丝疲劳寿命对数值随质量损失率线性降低.通过试验数据建立了预腐蚀桥梁缆索高强钢丝的疲劳曲面方程,并给出了不同保证率以及失重率下的钢丝疲劳强度建议值.     

斜拉索退化机理及钢丝力学模型

通过分析实桥锈蚀钢丝的断口特征,确定钢丝存在着3种失效模式,分别是均匀腐蚀与孔蚀、腐蚀疲劳、应力腐蚀.通过试验研究总结了钢丝力学性能随锈蚀程度变化的规律,将锈蚀钢丝建模为带单边裂纹的圆柱,并对钢丝的退化过程进行了模拟.     

随机点蚀对Q460等边角钢抗拉性能的影响

为了揭示点蚀损伤对构件破坏模式和极限承载力的影响机理,完善腐蚀角钢构件的力学性能评估体系,基于腐蚀试验数据和数值模拟,提出针对随机点蚀角钢构件的有限元模型构建方法,研究腐蚀损伤体积、蚀坑尺寸和蚀坑分布位置对Q460点蚀等边角钢构件极限抗拉承载力的影响,并根据其极限抗拉承载力劣化规律,采用非线性回归的方式拟合了点蚀角钢极限抗拉承载力的折减公式.结果表明,随机点蚀角钢的极限抗拉承载力退化整体上与腐蚀损伤体积呈正相关,蚀坑半径和蚀坑分布位置对承载力的影响较小,但蚀坑深度和蚀坑分布范围的影响不容忽视,拟合的点蚀角钢极限抗拉承载力的折减公式较刚度折减法和厚度折减法误差更小,准确度较高,可见其适用于点蚀角钢构件极限抗拉承载力的计算,可以应用到实际工程分析中.     

水饱和混凝土静力抗拉强度降低细观机理及本构模型

试验研究表明裂纹及孔隙中的自由水降低了混凝土的静力抗拉强度.本文根据表面物理学及水的特性探讨了自由水降低混凝土静力抗拉强度的细观机理,并根据拉伸荷载作用下混凝土中微裂纹的扩展规律和不同阶段微裂纹引起的混凝土非弹性柔度张量的变化,考虑自由水的作用,利用线弹性断裂力学建立了饱和混凝土的受拉本构模型.理论计算与试验应力-应变关系曲线的对比表明:理论模型可以较好地反映饱和混凝土的受拉力学特性.     

剥落腐蚀对7055铝合金板材力学性能的影响

通过室温拉伸、金相显微镜和扫描电镜研究剥落腐蚀(腐蚀时间为0～48 h)对7055铝合金板材力学性能的影响。研究结果表明:随着腐蚀时间的延长,板材的强度和伸长率在最初6 h内快速下降,6 h后慢速下降;腐蚀24 h后,板材的抗拉强度降至500 MPa以下,伸长率降至1%左右;腐蚀48 h后,板材的强度和伸长率分别下降约28%和87%;剥落腐蚀后板材表层产生了大量的沿晶腐蚀裂纹和腐蚀缺口;在拉伸时,腐蚀缺口处产生应力集中,增加了裂纹源数量,这是力学性能下降的主要原因。     

钢丝网增强混凝土复合材料结构参数优化试验

为提高混凝土复合材料的力学性能,提出了一种新型防护材料——钢丝网增强混凝土,并优化了其结构参数。以混凝土为基体材料、多种规格的钢丝网为增强材料,设计了多种层间距,研制了多种钢丝网增强混凝土复合材料。通过试验分析,比较了复合材料的结构参数对其静态抗压、抗弯、抗劈拉性能以及动态抗冲击性能的影响。研究表明,直径0.5 mm、网格边长3 mm和层间距5 mm的钢丝网增强混凝土复合材料的力学性能较好、成本较低,是本试验中最优的复合材料。     

含共线等长双裂纹损伤钢构件的力学试验及分析

在实际工程中,钢构件在同一条直线上的多条裂纹共线排列现象,既是一种较为常见的形式,也是最具有危险性的形式。这种共线裂纹可能导致钢构件发生脆性破坏,所以有必要深入研究共线裂纹对钢构件力学性能的影响。以含共线等长双裂纹损伤钢构件为研究对象,展开了单轴拉伸试验,研究了相对裂纹长度和相对裂纹间距对钢构件的断后伸长率、屈服强度和剩余极限强度的影响规律,且在此基础上提出了含共线等长双裂纹损伤钢构件的剩余极限强度计算公式。通过与试验值进行对比分析,本文所提出的剩余极限强度计算公式的相对误差小于1%,验证了本文所提出公式的有效性和准确性。针对含多裂纹损伤钢构件的安全评估,本文提出的剩余极限强度计算公式,在一定程度上弥补了该领域的空白,为其剩余极限强度分析研究提供了一种行之有效的方法,对含多裂纹损伤钢构件后期的预防和修复等具有一定的理论价值和现实意义。     

水泥基材料裂缝对钢筋锈蚀过程的影响

裂缝的存在对混凝土中钢筋的锈蚀过程有重大影响,目前关于裂缝对钢筋锈蚀过程的影响程度有很多不同的观点.针对该问题,在实验室条件下利用模拟的海水氯盐环境对带裂缝的圆饼试验中铁丝的锈蚀过程进行了研究.研究首先将铁丝预埋入圆饼形砂浆试件,待试件具有一定强度后,利用机械方法在圆饼表面制造不同宽度的贯穿与非贯穿裂缝;然后通过比较裂缝底部暴露的铁丝表面和未暴露表面随时间的不同腐蚀程度来确定裂缝的存在对锈蚀过程的影响.研究表明:当贯穿裂纹的表面宽度为0.5mm时,锈蚀位置与裂缝位置的相关性大于60%;裂纹宽度为0.2mm时,两者的相关程度低于20%.     

改进310奥氏体不锈钢长期时效后的组织与性能

借助扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及高温、室温拉伸和硬度测试研究了实验室研发的改进310奥氏体不锈钢在700℃长期时效后的组织与性能.700℃时效1000 h后,实验钢在晶界和晶内析出了大量(Cr,Fe,Mo)23C6、(Cr,Fe)23C6、σ相和少量的χ相.析出相对实验钢的室温力学性能有明显的强化作用.强度增加,硬度升高20 Hv,同时延伸率仍保持在30%以上.高温下,析出强化效应减弱,延伸率轻微下降.通过断口表面和剖面观察发现,时效1000 h后,实验钢的高温拉伸断口为韧性断裂,未观察到裂纹和孔洞;而室温拉伸断口为脆性断裂,断口附近则观察到σ相中出现裂纹和孔洞.从σ相的脆-韧转变和实验钢基体的室温和高温强度的不同,讨论了在室温拉伸过程中产生裂纹和孔洞的原因,以及时效对室温和高温力学行为的不同影响.     

预应力后张和先张法联合加固受弯板试验研究

采用预应力钢丝平铺布置加固混凝土受弯板时,若用高抗拉强度的复合砂浆覆盖钢丝成本太高.针对这种情况,提出用普通高强水泥砂浆代替前述砂浆,采用预应力钢丝后张法和先张法联合加固的新方法施加预压应力,使板受拉区混凝土及覆盖砂浆均产生预压应力.详细阐明了该方法的原理和实施工艺,通过钢筋混凝土受弯板的加固试验研究和数值计算分析,表明该方法的加固原理和施工工艺是可行的.其关键是需要在结合面喷涂环氧类界面剂,以保证结合面不产生剥离破坏.从而无需使用昂贵的高抗拉强度复合砂浆,降低加固成本,且经加固处理后截面受力性能更好.