[发明专利]声发射探测缆索镀层腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展的试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程结构中大跨度结构的健康监测技术领域，特别是一种声发射探测缆索镀层腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展的试验装置。

背景技术

缆索结构广泛应用于大跨度桥梁和房屋结构之中，缆索作为主要承重和传力的构件，其力学性能研究得到了日益广泛的关注。但缆索结构一直暴露在自然环境中，而且长期承受外荷载的作用，缆索结构往往会产生腐蚀、开裂、疲劳损伤等破坏形态。虽然，在实际工程中，在缆索基体面镀金属保护膜，例如热镀锌、锌铝涂层和镀钛银涂层等，镀有金属保护膜的缆索结构就形成了典型的薄膜/基体系统。

然而，由于薄膜和钢基体材料性能的差异，在腐蚀环境和动荷载长期作用下，腐蚀疲劳损伤不断在镀层中累计，当损伤超过临界值时，裂纹就开始萌生。因此导致国内外众多缆索达不到30年使用寿命，不得不提早换索，从而造成了重大的经济损失。

另外，由于材料腐蚀产物在裂纹尖端楔入，造成裂纹尖端局部应力集中，即使外荷载消失，裂纹也会持续扩展，导致开裂和脱粘等失效行为。

因此，对缆索镀层在腐蚀疲劳环境下进行开裂行为的监测，预防镀层的开裂和减少基体在环境中的损伤，对于延长缆索结构的寿命和减少经济损失具有重要意义。

目前，能够有效监测缆索镀层裂纹萌生和扩展的方法较少，根据薄膜理论和断裂力学理论，存在一个临界薄膜厚度，如果薄膜厚度小于临界厚度，裂纹则不会出现。因此，研究腐蚀疲劳工况下的涂层裂纹开展规律很有必要。得到最佳薄膜厚度，延长缆索涂层使用寿命，减少经济损失。为此，申请人发明了一种简单而有效的用声发射探测缆索镀层腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展的试验装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种声发射探测缆索镀层腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展的试验装置，该声发射探测缆索镀层腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展的试验装置能够有效监测镀层缆索试样的裂纹萌生时刻和裂纹扩展速率，并能寻找到不同应力幅下的最佳薄膜厚度，延长缆索镀层使用寿命，减少经济损失。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种声发射探测缆索镀层腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展的试验装置，包括疲劳试验机、拉伸夹具、腐蚀槽、腐蚀介质、声发射监测系统、电子内窥镜和计算机；声发射监测系统和电子内窥镜均与计算机相连接。

疲劳试验机的加载波形包括正弦波，疲劳试验机的应力比能够调节。

拉伸夹具包括同轴设置的上拉伸固定头和下拉伸固定头，下拉伸固定头连接在疲劳试验机的底座上，上拉伸固定头连接在疲劳试验机的拉伸压头底部，拉伸压头的高度能够升降。

多根镀层缆索试样能相互平行固定在上拉伸固定头和下拉伸固定头之间。

每根镀层缆索试样的外周分别套设一个所述腐蚀槽。

每个腐蚀槽均包括耐腐蚀套管和两个橡胶塞，两个橡胶塞分别密封封堵在耐腐蚀套管的两端；镀层缆索试样分别从对应腐蚀槽中的两个橡胶塞穿过，使耐腐蚀套管套设在镀层缆索试样外周。

腐蚀介质充填在耐腐蚀套管与镀层缆索试样之间的空腔内。

在每根耐腐蚀套管的内壁面上均固设一个所述电子内窥镜，电子内窥镜能对镀层缆索试样的表面进行摄像与拍摄。

声发射监测系统包括声发射装置、声发射采集装置以及与镀层缆索试样数量相等的声发射探头。

声发射装置用于向每根镀层缆索试样表面发射弹性波信号。

位于耐腐蚀套管外的每根镀层缆索试样上各设置一个所述声发射探头，每个声发射探头均与声发射采集装置相连接。

每根镀层缆索试样的形状均为两端粗中间细的狗骨形状或哑铃形状。

所述腐蚀介质为Nacl 溶液，Nacl 溶液的浓度范围为4-6%，PH值范围为6.5-7.2。

耐腐蚀套管为有机玻璃套管。

上拉伸固定头和下拉伸固定头之间能相互平行固定三根镀层缆索试样。

还包括测厚仪，该测厚仪能对镀层缆索试样表面的镀层厚度进行测量。

本发明采用上述结构后，具有如下有益效果：

1.本发明通过在耐腐蚀套管中设置Nacl溶液，放入镀层缆索试样，将耐腐蚀套管两头密封，在镀层缆索试样表面装声发射探头，进行疲劳拉伸试验。

2.本发明能够有效的为不同镀层和不同型号缆索钢基体组成的薄膜/基底系统提供观测。测量在Nacl溶液盐雾腐蚀环境和不同疲劳荷载作用下的薄膜断裂机理，得到表面裂纹和界面裂纹的萌生时刻，找到不同应力幅下镀层缆索试样表面镀层的最佳临界厚度。