声发射探测缆索镀层腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展的试验方法与流程

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方法。

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、锌铝镀层和镀钛银镀层等，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镀层裂纹开展规律很有必要。得到最佳薄膜厚度，延长缆索镀层使用寿命，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方法。

技术实现要素：

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方法，该声发射探测缆索镀层腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展的试验方法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方法，包括如下步骤。

步骤1，镀层缆索试样制作：取五种不同镀层厚度的镀层缆索试样若干根，其中，每根镀层缆索试样的长度相等，每根缆索钢基体的尺寸和形状相同。

步骤2，临界断裂拉力寻找：将步骤1制作完成的五种不同镀层厚度的镀层缆索试样各取1-3根，采用疲劳试验机，按照设定的固定位移值，分别进行静力拉伸试验，得到每种镀层断裂时的临界断裂拉力；由于五种不同镀层厚度镀层缆索试样的临界断裂拉力相差较小，故取静力拉伸试验所得的所有临界断裂拉力的均值作为所需寻找的临界断裂拉力nl。

步骤3，腐蚀介质配置：配置浓度范围为4-6%，ph值范围为6.5-7.2的nacl溶液。

步骤4，腐蚀介质装填：腐蚀介质装填，包括如下两个步骤。

步骤41，套装耐腐蚀套管：取三根耐腐蚀套管，在每根耐腐蚀套管的内壁面上均固设一个与计算机相连接的电子内窥镜；接着，将三根耐腐蚀套管的一端分别用橡胶塞密封封堵；然后，取步骤1制作的其中一种镀层厚度的镀层缆索试样三根，接着将三根镀层缆索试样依次穿过橡胶塞后，装入耐腐蚀套管，并使耐腐蚀套管垂直放置，且密封封堵有橡胶塞的一端位于底部。

步骤42，装填腐蚀介质：将步骤2配置的腐蚀介质依次装入步骤31中的三根耐腐蚀套管内，装满后，再用橡胶塞穿过镀层缆索试样顶端后，将三根耐腐蚀套管顶端均密封封堵。

步骤5，镀层缆索试样装夹：将步骤3腐蚀介质装填完成的三根镀层缆索试样，分别相互平行地固定在上拉伸固定头和下拉伸固定头之间；然后，在位于耐腐蚀套管外的每根镀层缆索试样上各安装一个声发射探头，并将所有声发射探头均与声发射采集装置相连接，声发射采集装置与计算机相连接。

步骤6，疲劳试验：疲劳试验，包括如下步骤。

步骤61，弹性波发射：先开启与计算机相连接的声发射装置，声发射装置开始向步骤4装夹完成的三根镀层缆索试样发射弹性波。

步骤62，应力幅水平设置：应力幅水平数量设置不少于6个，分别为：nl/2、（nl/2±nl/10）、（nl/2±2nl/10）、（nl/2±3nl/10）……。

步骤63，疲劳应力加载：疲劳试验机工作，并对步骤4装夹完成的三根镀层缆索试样进行疲劳试验，其中，疲劳试验机的加载波形为正弦波，加载应力比为0.1，应力幅水平选择为nl/2。

步骤64，声发射反馈曲线形成：疲劳试验过程中，声发射采集装置通过三个声发射探头，分别采集三根镀层缆索试样的声发射反馈信号，并形成声发射反馈曲线，声发射反馈曲线包括声发射振铃曲线和声发射能量曲线，其中，声发射振铃曲线为声发射采集装置采集的振铃计数或累计计数随时间的变化曲线，声发射能量曲线为声发射采集装置采集的声发射信号的能量值随时间的变化曲线。

步骤65，裂纹识别与长度计算：在声发射反馈曲线形成的同时，电子内窥镜将实时对位于耐腐蚀套管内的镀层缆索试样表面进行摄像并传送给计算机，计算机按固定间隔时间进行一次图片拍摄，并对拍摄的图片进行裂纹识别判断及裂纹长度计算。

步骤7，记录裂纹萌生时刻：在步骤64形成的声发射反馈曲线中，当振铃激增，也即声发射信号急剧增加时，所对应的时间点即为镀层的裂纹萌生时刻。

步骤8，裂纹扩展试验：当步骤7记录到裂纹萌生时刻后，疲劳试验机继续按照步骤63的方式进行加载试验，直至镀层缆索试样表面出现裂纹饱和为止；裂纹扩展试验中，仍需继续采集并记录三根镀层缆索试样的声发射反馈曲线；当裂纹达到饱和时，所施加的应力循环次数即为该种厚度镀层缆索试样在应力幅为nl/2时的镀层腐蚀疲劳寿命。

步骤9，裂纹扩展速率评估：采用如下所述评估方法中的任一种或组合进行裂纹扩展速率的评估。

评估方法一，裂纹扩展速率定性评估：对步骤8中记录的声发射反馈曲线中的声发射振铃曲线，通过声发射振铃计数或累计振铃数随时间的疏密变化情况，对裂纹扩展的快慢程度进行定性评估。

评估方法二，裂纹扩展速率定量评估一：根据疲劳理论中的paris公式，裂纹扩展速率即为载荷循环一次的裂纹增长量。

评估方法三，裂纹扩展速率定量评估二：对步骤8中记录的声发射反馈曲线中的声发射能量曲线，裂纹扩展速率即为载荷循环一次的声发射能量变化量。

步骤10，绘制s-n曲线：在镀层厚度、加载波形和加载应力比均不变的情况下，按照步骤3至步骤9的方法，对步骤63选择的每种应力幅分别获取裂纹萌生时刻、裂纹扩展速率以及镀层腐蚀疲劳寿命值；并根据所有的应力幅值和镀层腐蚀疲劳寿命值，绘制该种镀层厚度所对应的s-n曲线。

步骤11，最佳镀层厚度寻找：将步骤1中的另外四种不同镀层厚度的镀层缆索试样各取若干根，对每种镀层厚度的镀层缆索试样分别按照步骤3至步骤10的方法进行操作，并分别记录每种镀层厚度在各个应力幅水平时所对应的裂纹萌生时刻、裂纹扩展速率和s-n曲线，将五种不同镀层厚度所对应的裂纹萌生时刻、裂纹扩展速率和s-n曲线进行比较，获取每种应力幅水平下所对应的最佳镀层厚度。

所述步骤3中，nacl溶液的配置浓度范围为5%。

所述步骤1中，镀层缆索试样的五种不同镀层厚度，分别为0.08mm、0.12mm、0.16mm、0.20mm和0.24mm。

所述步骤65中，计算机拍摄一次图片时的固定间隔时间为五分钟。

所述步骤7中，镀层的裂纹萌生时刻记录完成后，通过步骤64记录裂纹萌生时刻的裂纹长度值，并求取对应镀层的断裂韧性。

所述步骤5中，镀层缆索试样装夹时，声发射探头与对应镀层缆索试样的安装方法为：先将声发射探头用凡士林与镀层缆索试样表面进行耦合，然后用胶布进行粘接固定。

所述步骤1中，在镀层缆索试样制作前，先对缆索钢基体进行酸洗，去除钢表面氧化膜，晾干，再镀上所需研究的不同厚度的镀层，并用测厚仪分别测出每个镀层缆索试样的实际镀层厚度。

本发明采用上述方法后，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。

3.本发明中的耐腐蚀套管为有机透明玻璃，耐盐雾腐蚀，能够在试验中有效观测镀层缆索试样表面裂纹的扩展，声发射探头能够有效监测镀层缆索试样表面裂纹的开始与扩展速率。

附图说明

图1为本发明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的结构示意图。

图2显示了镀层缆索试样的结构示意图。

其中有：1.耐腐蚀套管；2.镀层缆索试样；3.橡胶塞；4.疲劳试验机；41.上拉伸固定头；42.下拉伸固定头；43.拉伸压头；5.腐蚀介质；6.声发射探头；7.声发射装置；8.声发射采集装置；9.计算机；10.电子内窥镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，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4、拉伸夹具、腐蚀槽、腐蚀介质5、声发射监测系统、电子内窥镜10和计算机9。

其中，声发射监测系统和电子内窥镜均与计算机相连接。

疲劳试验机为现有技术，为市场购买，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。

缆索作为桥梁的承重构件，所有上部结构的自重及活荷载均由缆索承担，但活恒比一般只有10%左右，缆索破坏的原因是腐蚀疲劳，是先发生腐蚀，诱发疲劳裂纹的产生。所以，加载波形为正弦波，应力比优选选择为0、0.1或0.2；每次试验选择一种应力比即可。每秒10个循环，即f=10hz。

拉伸夹具包括同轴设置的上拉伸固定头41和下拉伸固定头42。

下拉伸固定头优选可拆卸连接在疲劳试验机的底座上，上拉伸固定头优选可拆卸连接在疲劳试验机的拉伸压头43底部，拉伸压头的高度能够升降。

多根镀层缆索试样2能相互平行固定在上拉伸固定头和下拉伸固定头之间。

上拉伸固定头和下拉伸固定头之间优选能相互平行固定三根镀层缆索试样。

每根镀层缆索试样的形状均优选为如图2所示的两端粗中间细的狗骨形状或哑铃形状，能增大端部抗滑移能力，方便考察试件中部镀层裂纹的开展。

另外，根据薄膜理论和断裂力学理论可知，因为缆索用镀层在静荷载的临界断裂拉伸应力不大，多个镀层缆索试样之间位移近似，因而，在疲劳实验时，能够实现多根镀层缆索试样同时加载。

本发明的镀层缆索试样的镀层厚度优选为0.08mm、0.12mm、0.16mm、0.20mm或0.24mm。

进一步，本发明的试验装置还优选包括测厚仪，该测厚仪能对上述镀层缆索试样表面的镀层厚度进行测量。

每根镀层缆索试样的外周分别套设一个腐蚀槽。

每个腐蚀槽均包括耐腐蚀套管1和两个橡胶塞3。

耐腐蚀套管优选为有机玻璃套管。

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。

镀层缆索试样余两个橡胶塞之间为密封接触，可以有较小的滑动位移。

腐蚀介质5充填在耐腐蚀套管与镀层缆索试样之间的空腔内。

上述腐蚀介质优选为nacl溶液，nacl溶液的浓度范围优选为4-6%，进一步优选为5%。ph值范围优选为6.5-7.2；本发明的nacl溶液，能完全模拟全国各种沿海地区环境下的腐蚀情况。

在每根耐腐蚀套管的内壁面上均固设一个电子内窥镜10，电子内窥镜优选能180°转动，实现对镀层缆索试样的表面进行摄像与拍摄。电子内窥镜与计算机相连接，故而能将所拍摄的图片或摄像传送给计算机，计算机内置有三维拍摄软件与标尺，能自动判别图片中的裂纹及裂纹长度。

声发射监测系统包括声发射装置7、声发射采集装置8以及与镀层缆索试样数量相等的声发射探头6。

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

上述声发射探头，能实现同时对多个镀层缆索试样表面镀层的监测。根据前期研究，对声发射采集装置的各项参数进行设置，带宽为10khz-2.0mhz，增益设置为40db，门槛值35db，采样频率5msps。

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。

声发射监测系统检测裂纹的原理为：声发射装置发射的弹性波最终传播到达镀层缆索试样的表面，引起声发射探头探测的表面位移，当镀层表面裂纹萌生与扩展时，会引起镀层缆索试样钟镀层材料的能量释放，声发射探头将镀层材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。

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方法，包括如下步骤。

步骤1，镀层缆索试样制作。

在镀层缆索试样制作前，先对缆索钢基体进行酸洗，去除钢表面氧化膜，晾干，再镀上所需研究的不同厚度的镀层，并用测厚仪分别测出每个镀层缆索试样的实际镀层厚度。

取五种不同镀层厚度的镀层缆索试样若干根，其中，每根镀层缆索试样的长度相等，每根缆索钢基体的尺寸和形状相同。

上述镀层缆索试样的五种不同镀层厚度，分别优选为0.08mm、0.12mm、0.16mm、0.20mm和0.24mm。

步骤2，临界断裂拉力寻找：将步骤1制作完成的五种不同镀层厚度的镀层缆索试样各取1-3根，采用疲劳试验机，按照设定的固定位移值，分别进行静力拉伸试验，得到每种镀层断裂时的临界断裂拉力；由于五种不同镀层厚度镀层缆索试样的临界断裂拉力相差较小，故取静力拉伸试验所得的所有临界断裂拉力的均值作为所需寻找的临界断裂拉力nl。

步骤3，腐蚀介质配置：配置浓度范围为4-6%，优选为5%；ph值范围为6.5-7.2的nacl溶液。

本发明中，可以在保持镀层缆索试样厚度及荷载应力保持不变时，进行不同盐雾腐蚀环境、不同氯化钠溶液浓度和不同ph值的试验，以便选取最佳的腐蚀环境，最佳的氯化钠溶液浓度和最佳的ph值。本发明中的氯化钠溶液、4-6%浓度和6.5-7.2的ph值，则是申请人已经经过长期、反复多次试验验证后得出的，完全可以模拟全国各种沿海地区环境下的腐蚀情况。

步骤4，腐蚀介质装填：腐蚀介质装填，包括如下两个步骤。

步骤41，套装耐腐蚀套管。

1）取三根耐腐蚀套管，在每根耐腐蚀套管的内壁面上均固设一个与计算机相连接的电子内窥镜。

2）将三根耐腐蚀套管的一端分别用橡胶塞密封封堵，每个橡胶塞的中部均优选设置有打孔。安装有电子内窥镜的耐腐蚀套管能多次重复使用，利用率高。

3）取步骤1制作的其中一种镀层厚度（如0.08mm）的镀层缆索试样三根，如镀层厚度为0.08mm的镀层缆索试样三根。

4）将三根镀层缆索试样依次穿过橡胶塞后，装入耐腐蚀套管，并使耐腐蚀套管垂直放置，镀层缆索试样的两端均从耐腐蚀套管露出，且密封封堵有橡胶塞的一端位于底部。

步骤42，装填腐蚀介质：将步骤2配置的腐蚀介质依次装入步骤31中的三根耐腐蚀套管内，装满后，再用橡胶塞穿过镀层缆索试样顶端后，将三根耐腐蚀套管顶端均密封封堵。

步骤5，镀层缆索试样装夹：将步骤3腐蚀介质装填完成的三根镀层缆索试样，分别相互平行地固定在上拉伸固定头和下拉伸固定头之间；然后，在位于耐腐蚀套管外的每根镀层缆索试样上各安装一个声发射探头，并将所有声发射探头均与声发射采集装置相连接，声发射采集装置与计算机相连接。

声发射探头与对应镀层缆索试样的优选安装方法为：先将声发射探头用凡士林与镀层缆索试样表面进行耦合，然后用胶布进行粘接固定，保证声发射探头在加载期间不出现剥落和滑移。当材料或者结构在受外力荷载作用下所产生的变形或者断裂能会以弹性波的形式释放弹性能，经介质传播到达镀层缆索试样表面，引起镀层缆索试样表面的机械振动。声发射探头会接收这种信号并转换为电信号。

步骤6，疲劳试验：疲劳试验，包括如下步骤。

步骤61，弹性波发射：先开启与计算机相连接的声发射装置，声发射装置开始向步骤4装夹完成的三根镀层缆索试样发射弹性波。

步骤62，应力幅水平设置：应力幅水平数量设置不少于6个，分别为：nl/2、（nl/2±nl/10）、（nl/2±2nl/10）、（nl/2±3nl/10）……。

步骤63，疲劳应力加载：疲劳试验机工作，并对步骤4装夹完成的三根镀层缆索试样进行疲劳试验，其中，疲劳试验机的加载波形为正弦波，加载应力比为0.1，应力幅水平选择为nl/2。

疲劳试验机加载时，缆索钢基体只是弹性变形，而缆索钢基体上的金属镀层则会发生塑性变形。卸载时，金属镀层已发生塑性变形，会受到一个缆索钢基体弹性回复给薄膜的压应力，所以只需施加拉-拉疲劳荷载或拉-零荷载。

步骤64，声发射反馈曲线形成：疲劳试验过程中，声发射采集装置通过三个声发射探头，分别采集三根镀层缆索试样的声发射反馈信号，并形成声发射反馈曲线，声发射反馈曲线包括声发射振铃曲线和声发射能量曲线，其中，声发射振铃曲线为声发射采集装置采集的振铃计数或累计计数随时间的变化曲线，声发射能量曲线为声发射采集装置采集的声发射信号的能量值随时间的变化曲线。

步骤65，裂纹识别与长度计算：在声发射反馈曲线形成的同时，电子内窥镜将实时对位于耐腐蚀套管内的镀层缆索试样表面进行摄像并传送给计算机，计算机按固定间隔时间，优选为五分钟，进行一次图片拍摄，并对拍摄的图片进行裂纹识别判断及裂纹长度计算。

步骤7，记录裂纹萌生时刻：在步骤64形成的声发射反馈曲线中，当振铃激增，也即声发射信号急剧增加时，所对应的时间点即为镀层的裂纹萌生时刻。

镀层的裂纹萌生时刻记录完成后，通过步骤64记录裂纹萌生时刻的裂纹长度值，并求取对应镀层的断裂韧性。

步骤8，裂纹扩展试验：当步骤7记录到裂纹萌生时刻后，疲劳试验机继续按照步骤63的方式进行加载试验，直至镀层缆索试样表面出现裂纹饱和为止；裂纹扩展试验中，仍需继续采集并记录三根镀层缆索试样的声发射反馈曲线；当裂纹达到饱和时，所施加的应力循环次数即为该种厚度镀层缆索试样在应力幅为nl/2时的镀层腐蚀疲劳寿命。

步骤9，裂纹扩展速率评估：采用如下所述评估方法中的任一种或组合进行裂纹扩展速率的评估。

评估方法一，裂纹扩展速率定性评估：对步骤8中记录的声发射反馈曲线中的声发射振铃曲线，通过声发射振铃计数或累计振铃数随时间的疏密变化情况，对裂纹扩展的快慢程度进行定性评估。

评估方法二，裂纹扩展速率定量评估一：根据疲劳理论中的paris公式，裂纹扩展速率即为载荷循环一次的裂纹增长量。

评估方法三，裂纹扩展速率定量评估二：对步骤8中记录的声发射反馈曲线中的声发射能量曲线，裂纹扩展速率即为载荷循环一次的声发射能量变化量。

步骤10，绘制s-n曲线：在镀层厚度、加载波形和加载应力比均不变的情况下，按照步骤3至步骤9的方法，对步骤63选择的每种应力幅分别获取裂纹萌生时刻、裂纹扩展速率以及镀层腐蚀疲劳寿命值；并根据所有的应力幅值和镀层腐蚀疲劳寿命值，绘制该种镀层厚度所对应的s-n曲线。

步骤11，最佳镀层厚度寻找：将步骤1中的另外四种不同镀层厚度（如0.12mm、0.16mm、0.20mm和0.24mm）的镀层缆索试样各取若干根，对每种镀层厚度的镀层缆索试样分别按照步骤3至步骤10的方法进行操作，并分别记录每种镀层厚度在各个应力幅水平时所对应的裂纹萌生时刻、裂纹扩展速率和s-n曲线，将五种不同镀层厚度所对应的裂纹萌生时刻、裂纹扩展速率和s-n曲线进行比较，获取每种应力幅水平下所对应的最佳镀层厚度。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。