缆索钢丝阶梯状开裂损伤演化机理分析

高强钢丝是桥梁缆索中的关键受力构件,但在实桥中大量出现阶梯状开裂病害，威胁结构安全，而目前尚无法解释这种病害的失效机制。为此申请者在总结以往研究方法和成果的基础上，提出结合实桥环境进行此种病害的损伤演化机理研究方法。首先调查实桥阶梯状断丝所处环境，从腐蚀和开裂两方面角度对阶梯状开裂的影响因素进行研究，总结构成钢丝阶梯状开裂环境的必要条件。挑选实桥缆索中处于类似条件下的钢丝进行模拟的实桥环境应力腐蚀与腐蚀疲劳试验，通过试验检测、钢丝试件失效断口分析、空间裂纹的裂尖应力强度因子计算，找出钢丝裂纹形核以及裂纹扩展方向改变的作用机制。在此基础上，综合运用电化学理论、断裂力学理论确定钢丝阶梯状开裂的失效机理并进行试验验证。最后，建立描述钢丝阶梯状开裂裂纹形核，扩展，方向改变等系列过程的损伤演化模型，为今后预防、检测、评定缆索病害提供理论基础与技术支撑。

冷拔高强钢丝是上世纪诞生的一种主要高强度建筑钢材，其强度可达目前国内所普遍采用低合金结构钢的3~5倍。冷拔高强钢丝主要用于桥梁缆索以及各类预应力结构中，并作为其中的关键受力构件。然而，在实际应用中，这种材料逐渐暴露出了一些缺陷，除了易于锈蚀，另一种最主要的不足是在实桥中大量出现阶梯状开裂病害，威胁结构安全。为阐明冷拔高强钢丝阶梯状开裂病害的机理，本研究项目首先调研了国内外报导存在冷拔高强钢丝阶梯状开裂的桥梁及其他结构的相关资料，初步认识这种病害的形成条件和可能影响因素。在此基础之上，分别就可能导致冷拔高强钢丝阶梯状开裂的两种可能因素——应力腐蚀和疲劳——展开调查分析。研究内容包括应力腐蚀和疲劳形成钢丝阶梯状开裂的可能，特点以及有关影响因素。研究表明冷拔高强钢丝出现阶梯状开裂是由于冷拔高强钢丝的微观结构以及冷拔高强钢丝承受的使用荷载两方面因素决定的。冷拔高强钢丝的加工方式所导致的材料中晶体排列方向发生改变是冷拔高强钢丝出现阶梯状开裂的必要条件，而冷拔高强钢丝的断裂韧性及荷载作用是阶梯状开裂出现的关键影响因素。由于以上试验分析并不能提供判断实际结构中钢丝开裂机理的直接证据，本研究项目进一步对实际结构中冷拔高强钢丝的使用环境进行了分析，研究内容包括正常使用荷载作用，疲劳荷载作用，使用环境中的腐蚀介质等。研究结果表明结构中冷拔高强钢丝普遍承受着较高的拉应力，但是疲劳荷载作用的应力幅并不大，对裂纹扩展的影响较小。此外，腐蚀环境对钢丝的裂纹形核有着较高的贡献，钢丝在腐蚀环境中孔蚀形成的局部缺陷促进了阶梯状开裂的形成。