[发明专利]一种可全过程裂纹扩展监测的桥梁平行钢丝腐蚀疲劳试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种可全过程裂纹扩展监测的桥梁平行钢丝腐蚀疲劳试验装置及方法，该装置包括：疲劳时变荷载加载装置、腐蚀环境模拟装置、温控器、无线无源RFID应力传感器、工业相机、声发射器及高性能计算机。通过该装置无线无源RFID应力传感器能够实时获取平行钢丝在腐蚀‑疲劳耦合作用下应力变化；工业相机实时监测平行钢丝表面颜色和裂纹扩展变化；声发射器监测平行钢丝内部结构裂纹生成及扩展；本发明建立了真实的腐蚀环境，可以考虑平行钢丝腐蚀‑疲劳耦合作用，并结合计算机视觉和声发射技术，尤其可揭示腐蚀‑疲劳耦合作用机理，能够用于桥梁平行钢丝疲劳寿命评估。

技术领域

本发明涉及一种桥梁平行钢丝腐蚀疲劳试验方法-全过程裂纹扩展监测技术一体化装置。

背景技术

桥梁平行钢丝在风荷载、车辆荷载和温度荷载等疲劳荷载作用下会出现累计损伤，逐渐发展成疲劳破坏甚至疲劳断裂，对桥梁结构运营产生重大的安全隐患。此外，对于近海和跨海桥梁，服役环境中的腐蚀介质会使平行钢丝遭受腐蚀作用，进而降低平行钢丝整体的抗疲劳性能。在疲劳荷载和腐蚀环境耦合作用下，桥梁平行钢丝的疲劳性能劣化过程十分复杂，在疲劳荷载的长期循环作用下，平行钢丝容易产生疲劳裂纹；同时，在腐蚀作用下，吊杆结构表面部分区域会产生腐蚀坑，形成应力集中区域；在腐蚀-疲劳耦合作用下，平行钢丝疲劳裂纹不断扩展，直至出现平行钢丝内少量平行钢丝的断裂或平行钢丝整体结构的破坏。目前，针对桥梁平行钢丝的腐蚀疲劳问题，大多都是将平行钢丝预腐蚀后进行疲劳试验，分析腐蚀对平行钢丝疲劳寿命的影响，缺乏对腐蚀-疲劳耦合作用机理(裂纹扩展规律)的深入研究。此外，平行钢丝在进行疲劳试验过程中，其疲劳荷载主要依据标准规范进行选取，即为恒定值，无法真实的反映平行钢丝服役期内受到的疲劳荷载。本发明提供的桥梁平行钢丝腐蚀疲劳-裂纹监测一体化试验方法及装置将弥补上述不足，实现腐蚀-疲劳耦合作用、疲劳荷载的时变性输入、疲劳裂纹扩展规律识别与揭示，为桥梁平行钢丝腐蚀疲劳试验装置及裂纹监测的创新设计提供新思路。

发明内容

本发明以解决目前桥梁平行钢丝疲劳试验仅考虑恒定疲劳荷载、未能考虑腐蚀疲劳耦合作用及裂纹扩展规律不清为目的，提出一种能够真实反映平行钢丝受力状态、腐蚀环境、腐蚀疲劳耦合效应及裂纹扩展规律识别的桥梁平行钢丝腐蚀疲劳-裂纹监测一体化试验方法及装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可全过程裂纹扩展监测的桥梁平行钢丝腐蚀疲劳试验的装置，包括疲劳试验机、若干无线无源RFID应力传感器、时变荷载加载装置、容器、腐蚀环境模拟装置、工业相机、声发射器、高性能计算机；待测桥梁平行钢丝上等间距装有无线无源RFID应力传感器，两端安装于疲劳试验机上，由时变荷载加载装置向桥梁平行钢丝施加时变荷载，桥梁平行钢丝部分或全部测试段设置在容器内，由腐蚀环境模拟装置在容器内模拟腐蚀环境，由工业相机实时获取平行钢丝表面颜色变化、裂纹生成情况，通过声发射器获取平行钢丝内部裂纹扩展情况，并传输至高性能计算机。

进一步地，所述的腐蚀环境模拟装置包括电化学分析仪、铂电极、银电极、汞电极、单向阀、气泵、流向控制器、温控器；容器中注满NaCl中性溶液，铂电极、银电极、汞电极插入溶液中，与容器外的电化学分析仪相连，气泵通过单向阀与流向控制器相连，流向控制器与容器连通控制溶液循环流向，温控器用于控制容器中溶液温度以模拟腐蚀速率。

本发明还提供一种可全过程裂纹扩展监测的桥梁平行钢丝腐蚀疲劳试验方法，包括以下步骤：

在桥梁平行钢丝上等间距安装无线无源RFID应力传感器，并涂抹环氧树脂进行保护，防止应力传感器被腐蚀破坏；

将桥梁平行钢丝安装在疲劳试验机上，两端夹紧；

将通过实测得到的时变荷载谱，输入至时变荷载加载装置，反映桥梁平行钢丝真实受力模式，即加载频率；

在容器中注满含Cl离子中性溶液，为模拟腐蚀环境做准备；