[發明專利]聲發射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置

在審

• 申請號: 201710277319.2
• 申請日: 2017-04-25
• 公開（公告）號: CN107101885A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 張華;楊健;王成龍;王悅
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N29/14
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 石艷紅

技術領域

本發明涉及土木工程結構中大跨度結構的健康監測技術領域，特別是一種聲發射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置。

背景技術

纜索結構廣泛應用于大跨度橋梁和房屋結構之中，纜索作為主要承重和傳力的構件，其力學性能研究得到了日益廣泛的關注。但纜索結構一直暴露在自然環境中，而且長期承受外荷載的作用，纜索結構往往會產生腐蝕、開裂、疲勞損傷等破壞形態。雖然，在實際工程中，在纜索基體面鍍金屬保護膜，例如熱鍍鋅、鋅鋁涂層和鍍鈦銀涂層等，鍍有金屬保護膜的纜索結構就形成了典型的薄膜/基體系統。

然而，由于薄膜和鋼基體材料性能的差異，在腐蝕環境和動荷載長期作用下，腐蝕疲勞損傷不斷在鍍層中累計，當損傷超過臨界值時，裂紋就開始萌生。因此導致國內外眾多纜索達不到30年使用壽命，不得不提早換索，從而造成了重大的經濟損失。

另外，由于材料腐蝕產物在裂紋尖端楔入，造成裂紋尖端局部應力集中，即使外荷載消失，裂紋也會持續擴展，導致開裂和脫粘等失效行為。

因此，對纜索鍍層在腐蝕疲勞環境下進行開裂行為的監測，預防鍍層的開裂和減少基體在環境中的損傷，對于延長纜索結構的壽命和減少經濟損失具有重要意義。

目前，能夠有效監測纜索鍍層裂紋萌生和擴展的方法較少，根據薄膜理論和斷裂力學理論，存在一個臨界薄膜厚度，如果薄膜厚度小于臨界厚度，裂紋則不會出現。因此，研究腐蝕疲勞工況下的涂層裂紋開展規律很有必要。得到最佳薄膜厚度，延長纜索涂層使用壽命，減少經濟損失。為此，申請人發明了一種簡單而有效的用聲發射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種聲發射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置，該聲發射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置能夠有效監測鍍層纜索試樣的裂紋萌生時刻和裂紋擴展速率，并能尋找到不同應力幅下的最佳薄膜厚度，延長纜索鍍層使用壽命，減少經濟損失。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種聲發射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置，包括疲勞試驗機、拉伸夾具、腐蝕槽、腐蝕介質、聲發射監測系統、電子內窺鏡和計算機；聲發射監測系統和電子內窺鏡均與計算機相連接。

疲勞試驗機的加載波形包括正弦波，疲勞試驗機的應力比能夠調節。

拉伸夾具包括同軸設置的上拉伸固定頭和下拉伸固定頭，下拉伸固定頭連接在疲勞試驗機的底座上，上拉伸固定頭連接在疲勞試驗機的拉伸壓頭底部，拉伸壓頭的高度能夠升降。

多根鍍層纜索試樣能相互平行固定在上拉伸固定頭和下拉伸固定頭之間。

每根鍍層纜索試樣的外周分別套設一個所述腐蝕槽。

每個腐蝕槽均包括耐腐蝕套管和兩個橡膠塞，兩個橡膠塞分別密封封堵在耐腐蝕套管的兩端；鍍層纜索試樣分別從對應腐蝕槽中的兩個橡膠塞穿過，使耐腐蝕套管套設在鍍層纜索試樣外周。

腐蝕介質充填在耐腐蝕套管與鍍層纜索試樣之間的空腔內。

在每根耐腐蝕套管的內壁面上均固設一個所述電子內窺鏡，電子內窺鏡能對鍍層纜索試樣的表面進行攝像與拍攝。

聲發射監測系統包括聲發射裝置、聲發射采集裝置以及與鍍層纜索試樣數量相等的聲發射探頭。

聲發射裝置用于向每根鍍層纜索試樣表面發射彈性波信號。

位于耐腐蝕套管外的每根鍍層纜索試樣上各設置一個所述聲發射探頭，每個聲發射探頭均與聲發射采集裝置相連接。

每根鍍層纜索試樣的形狀均為兩端粗中間細的狗骨形狀或啞鈴形狀。

所述腐蝕介質為Nacl 溶液，Nacl 溶液的濃度范圍為4-6%，PH值范圍為6.5-7.2。

耐腐蝕套管為有機玻璃套管。

上拉伸固定頭和下拉伸固定頭之間能相互平行固定三根鍍層纜索試樣。

還包括測厚儀，該測厚儀能對鍍層纜索試樣表面的鍍層厚度進行測量。

本發明采用上述結構后，具有如下有益效果：

1.本發明通過在耐腐蝕套管中設置Nacl溶液，放入鍍層纜索試樣，將耐腐蝕套管兩頭密封，在鍍層纜索試樣表面裝聲發射探頭，進行疲勞拉伸試驗。

2.本發明能夠有效的為不同鍍層和不同型號纜索鋼基體組成的薄膜/基底系統提供觀測。測量在Nacl溶液鹽霧腐蝕環境和不同疲勞荷載作用下的薄膜斷裂機理，得到表面裂紋和界面裂紋的萌生時刻，找到不同應力幅下鍍層纜索試樣表面鍍層的最佳臨界厚度。