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缆索结构中高强度钢丝疲劳失效机理的研究
- 介绍
如今，桥接形式中由自由筋合并成的高强度薄钢丝或钢绞线具有较强的承载能力。它们被捆绑或合并为一个封闭的金属丝系统。根据机械和化学的影响，结构构件会受到疲劳载荷的影响，并可能经历不可逆的结构改变和裂缝，这些结构的改变和裂纹可能会延伸并直至断裂。本文描述了不同的失效机制。
2.良好保护系统的疲劳特性
2.1材料的影响
钢的性能对疲劳性能有着至关重要的影响[1]。对于有专利和冷拔的非合金钢丝，其疲劳强度随其抗拉强度增加而增加，直到拉伸时横截面减少约85%[2,3]（图1）。对于高强度钢丝，必须考虑其表面质量。由于加工和表面缺陷(如绘图标记)而引起的表面粗糙度的差异具有不利的影响。 缺口灵敏度随着强度的增加而增加。 这在图2中以不同强度的光滑和肋状预应力钢丝的疲劳强度为例进行了说明。
钢绞线和钢索的疲劳强度比单根钢丝低得多[1,2,4,5]。这是由于绑扎过程中的附加应力和钢丝之间的摩擦造成的(第3.4章)。使用无绞镀锌线、钢绞线和钢索进行疲劳试验的结果见图3所示的Smith图[4]。值得注意的是钢丝与钢绞线之间的距离，以及钢绞线与钢索之间的距离。绳索的单根钢丝疲劳强度的降低随着钢丝强度的增加而增加。根据[2]中的结果，以下情况适用：如果强度Rm仅为800-900 N / mm2，绳索的脉动强度为0.25-0.35 Rm，强度值为1700-2000 N / mm2，它只有0.1-0.2Rm。
考虑到动态特性，与使用低强度钢丝相比，使用高强度钢索没有任何优势。
图1 冷拔碳钢丝在脉动拉伸应力下的拉伸强度和疲劳强度[3]
图2具有光滑带肋截面的预应力钢丝的疲劳强度（Nuuml;rnberger）
图3 钢索，钢绞线（成股前），钢丝（成绞前）抗疲劳能力的Smith图[4]
2.2防腐蚀的影响
如果用在腐蚀性环境中，用钢索和非合金钢制成的钢束必须防止金属和/或有机涂层的腐蚀。 涂层已经提高了空气中的动态承载能力。
疲劳裂纹的形成受到环境与钢表面之间的物理化学相互作用的影响，由疲劳所致（第3.5章）。不仅液体，而且气体和蒸汽都可能加速恶化过程[6]。干燥的空气已经是一种表面活性介质，与真空相比降低了疲劳强度。不透氧气和蒸汽的涂层（例如足够厚的反应性树脂）不仅在腐蚀环境（第3.5章）中具有改善疲劳的作用，而且在空气中具有相同效果[6,7]。
通过镀锌导线，可以确定空气中的疲劳行为的恶化[2,8,9]以及改善[10]。 疲劳行为的改善是由于：
bull;钢表面对空气的密封，
bull;锌浴的热效应降低了残余应力。
不利影响是通过以下方式发挥的：
bull;钢表面的浸渍，因此增加表面粗糙度以及吸收的氢的量，
bull;铁锌合金层裂纹的缺口效应（裂纹是由处理和脉动引起的）。
3.化学攻击的影响
3.1受拉构件周围的腐蚀情况
钢索和钢束（例如用于固定塔和桥）暴露于静态/动态和腐蚀性影响之下。促进腐蚀的物质是水（高湿度，雨水和凝露）和空气（氧气）。污染物加强了对死亡的攻击[1]。极度有害的二氧化硫是燃烧化石产品的结果。如今的工业大气含有高达1毫克/立方米的二氧化硫。在氧化和与水的反应之后，产生硫酸。此外，除冰盐喷雾中所含的氯化物是有害的。 海洋环境含有高达0.1毫克/立方米，金属的腐蚀一般都是由尘埃层强化的，它们集中了腐蚀性介质和湿度.
3.2有机和金属涂层的耐久性（镀锌）
有机涂料
涂层必须将钢表面与攻击介质分离（被动防腐蚀保护）。用作金属表面的塑料对蒸汽和氧气有一定的渗透性。如果涂层足够厚，则涂层的抗扩散性非常高，可以忽略涂层下面的腐蚀。只要保护系统将钢丝与周围区域分开，就不会发生腐蚀。
根据[1，11]，只有在下列情况下才有可能发生腐蚀性攻击：
bull;涂层不可渗透，例如：毛孔存在，
bull;施工期间，保护系统受损，例如：机械损坏或过度扩张，
bull;在操作期间，机械效应（例如摩擦）或钢丝之间的相对运动导致涂层撕裂，
bull;在湿度和紫外线的影响下，涂层会在机械载荷或温度变化的影响下变脆和撕裂，
bull;永久湿度会导致机械敏感涂层的粘合失效。
由于涂层变质，可能会出现以下腐蚀性攻击[1]：
在局部缺陷区域内可能会发生氧化型腐蚀。 如果涂层变得（轻微）导电并且具有足够的透氧能力（仅在薄涂层的情况下），由于电池形成，腐蚀会增加。 弱点处的钢表面是阳极，涂层钢表面是阴极。
在涂层或涂装边缘的缺陷附近，也会出现一层锈膜。由于曝气池的作用，它经常受到缝隙腐蚀的支撑.。在裂缝里，因为可能会发生液体的溶解和酸化，例如：
FeCl2 2H2 O → Fe (OH)2 2 HClhellip;hellip;hellip;hellip;（3.1）
在底膜生锈的情况下，由于基础预处理不足（锈斑）而导致缺乏附着力，这具有特别不利的效果。 如果攻击介质含有盐分，腐蚀可能是均匀的或坑状的。 对于经常与水接触的薄涂钢而言，仅发生起泡现象。这些可能会爆裂并开始腐蚀。
镀锌
锌涂层会阻碍钢材腐蚀，因为在大气条件下会形成保护性碳酸盐层。根据气候的侵略性，风化腐蚀速率每年可达1-4mu;m[1,12]。如果地面通风不良（例如积水低点，裂缝，频繁冷凝），则会阻碍钝化膜的形成，并且腐蚀速率大幅增加[1,13]。
对于双相系统，采用了电镀和有机涂层的组合的方法。只有耐碱涂层（锌腐蚀产物具有碱性反应）才能与镀锌表面相容[1]，而在较旧的镀锌表面的情况下，粘附性得到改善。如果涂层对于蒸汽具有渗透性，但可防止CO2扩散，则可能会出现问题。在这些条件下，发生大量腐蚀产物Zn（OH）2而不是保护性碳酸锌。 因此，锌被迅速去除并且涂层剥落。如果涂层已经涂在表面上，被大气污染，则涂层的粘附性会降低。锌盐具有吸湿性，代表着涂层的扰动中心。
3.3腐蚀钢丝的疲劳行为
腐蚀钢丝的动态承载能力低于新的。 缺口效应，即腐蚀性攻击的类型和频率，都有影响[14]。 在坑状攻击的情况下，疲劳强度的降低大于主要均匀攻击的情况。
3.4 微动腐蚀和疲劳
空气中的测试表明，单根钢丝比它们制造的钢绞线和钢索具有更好的疲劳性能（图3）。 在钢索中，钢丝之间可能会发生相对运动。其结果是类似于钢丝表面变粗糙的磨损。 周围的空气，即在氧化介质的影响下，这些摩擦表面被氧化。 在疲劳载荷下，这种微动腐蚀[15]会引起额外的拉应力，这些应力会不断改变其方向。此外，机械和腐蚀活性的结合破坏了摩擦点处的金属结构，造成裂纹，形成尖锐的凹槽，促使耐力断裂的发展[16]（图4，右）。 与空气相比，其他腐蚀性影响不会显着增加微动腐蚀。
图4微动区疲劳损伤的拟合及疲劳裂纹
最重要的是，由于微动腐蚀，根据具有以下应力幅值的结构类型，锚索（钢缆）达到2times;10 6应力反转（最大应力为拉伸强度的42％）：
开放式螺旋电缆：180-200 N / mm2
闭合螺旋电缆：150-180 N / mm 2
平行线束：200 N / mm2
对于单根钢线，疲劳强度可能为gt; 400 N / mm2。
另外，还有一些结构上的影响，例如可以进一步减少由于微动腐蚀引起的上述疲劳周期的夹具和锚固装置。 由铸造锌合金锚定的锚索（钢缆），由于微动腐蚀和疲劳裂纹的发展[17]，导线进入铸件的入口受到严重威胁，因为这里钢丝之间的相对位移和压缩达到最大值。图4左图显示了实验性锚固系统铸件耐久性断裂的最常见发展。这种钢丝的疲劳强度在插座中为120-140N / mm2。 除了减小应力幅度外，还有减少微动腐蚀影响的结构可能性[17,18]。通过减少相对位移，局部压缩以及摩擦系数可以降低不利的机械应力。
最简单的方法是在接触表面之间施加耐久的润滑层。与热镀锌相反，软金属涂层如锌和铝也具有有利的效果，因为脆性铁 - 锌合金层增加了磨损。另外，省略腐蚀介质可防止微动腐蚀。 适当的措施是通过耐用涂层和密封负载支撑细节的密封（例如用塑料）来排除空气[19]。
3.5腐蚀疲劳
除了由于空气引起的钢丝接触区域产生的微动腐蚀之外，在动态载荷作用下单根钢丝，锚索或钢丝束可能会产生腐蚀疲劳裂纹[1，2，11，16]。这意味着裂纹的发展和扩散，是由同时腐蚀引起的。 因此这降低了耐受性疲劳强度[20]。不需要特定的腐蚀介质，但腐蚀疲劳裂纹取决于腐蚀介质的类型和浓度。 图5显示了冷拉线在不同介质中的特性：即使是水也会降低疲劳强度，尽管从工程角度来看可以忽略不计。酸性水（酸雨，露水等）和含有氯化物的溶液（海水，除冰盐雾）导致抗疲劳性低于空气中的微动腐蚀（100 N / mm 2，而120-140 N / mm 2）。
在非合金钢的情况下，优先的在腐蚀坑中出现裂纹，导致表面有许多裂纹（图6）。因此，由于局部腐蚀攻击是有利的，结构条件（例如通气孔形成裂缝）以及由周围介质（例如氯化物）引起的条件促进了锚索（钢缆）中的腐蚀疲劳。
另外一个主要因素是频率或持续时间：随着频率的降低或持续时间的增加，腐蚀对裂纹扩展的影响以及与空气中行为的差异更加突出（图5）。
高强度钢缆的腐蚀疲劳行为通过电镀改善[20]。 图7显示了在含氯溶液中以及在硫酸中，在镀锌丝的情况下，断裂周期数较高。
图5 冷拉非合金钢丝（R m = 1750 N / mm 2）在空气和腐蚀促进溶液中的脉动拉伸应力下的疲劳行为[20]
图6腐蚀疲劳引起的冷拔非合金钢钢丝预裂纹
图7 使用未镀锌和热镀锌拉丝在稀硫酸（pH 3）和3％CaCl 2溶液中进行脉动拉伸应力疲劳试验[20]
通过用奥氏体不锈钢制造高强度钢绞线和钢缆，可以改善一般的腐蚀行为以及应力腐蚀疲劳行为[21]。没有必要通过有机涂层进行额外的保护。 图8显示了在氯化物溶液中使用高强度奥氏体钢丝在脉动拉伸应力下的疲劳测试结果; 引用非合金钢的测试结果作为比较。 这表明，非合金钢中的钢绞线在氯化物溶液中比在空气中表现得更加不利。
图8 3.5％NaCl溶液中非合金和不锈钢的高强度钢绞线的腐蚀疲劳行为[21]
高合金钢表现得更好。 在这里，频率的影响显着大于非合金钢的情况。 在非常低的频率下，两种材料之间的差异并不突出。高合金钢丝的特性取决于其对点蚀的敏感性，因为裂纹始于腐蚀区域。 但不锈钢容易产生微动腐蚀（钝化层可能会因摩擦而破坏），这对不管是否有附加腐蚀的钢绞线的疲劳行为都有不利影响。
参考文献：
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5. Nuuml;rnberger U (1981) Dauerschwingverhalten von Spannstauml;hlen. Bauingenieur 56:311minus;319
6. Hahn H, Hempel M (1972) Schwingungsverhalten metallischer Werkstoffe in trockenen und feuchten Gasen. TUuml; 13: 320minus;326
7. Uetz H, Schick M (1967) Einfluss einer Abdeckung der Probenoberflauml;che auf die
Dauerschwingfestigkeit metallischer Werkstoffe. Schweiszlig;en und Schneiden 19: 1minus;4
8.
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