摘要
大跨桥梁长期承受车辆、风、浪、流等疲劳载荷作用并暴露在自然环境中，侵蚀介质和疲劳载荷共同作用所导致的腐蚀疲劳破坏是桥梁缆索用高强钢丝典型的失效模式之一。本文在总结国内外腐蚀疲劳领域试验和数值模拟的基础上，通过含缺陷钢丝的疲劳试验、腐蚀疲劳试验和疲劳裂纹扩展试验，获得其疲劳S-N曲线、腐蚀疲劳S-N曲线和疲劳裂纹尺寸-循环次数曲线，分析不同腐蚀因素、表面缺陷的形貌特征对钢丝疲劳性能的影响规律。结合理论分析和数值模拟，实现索用钢丝的疲劳损伤演化过程、腐蚀疲劳损伤演化过程和疲劳裂纹扩展过程的可视化。本文的具体研究内容及成果如下：(1) 设计一套针对桥梁缆索用钢丝的腐蚀疲劳试验装置，实现对多根钢丝的多级同步脉动疲劳加载，大大缩短试验时长。(2) 为了简化钢丝表面初始蚀坑的电化学形成过程，通过在钢丝表面预制机器切口，对含预制切口的钢丝开展不同浓度及不同 pH 值下的腐蚀疲劳耦合试验，获取各工况下的 S-N 曲线，分析溶液浓度、pH值对钢丝寿命的影响。结果表明：腐蚀介质和疲劳荷载耦合下切口钢丝寿命比单纯疲劳荷载作用时显著降低。随着NaCl溶液浓度从3.5%变为0.5%、溶液酸性的增强，钢丝寿命显著缩短。(3) 通过腐蚀疲劳试验研究切口尺寸和形貌对钢丝寿命的影响。通过在钢丝表面切割不同尺寸、不同形状的切口来等效钢丝由于环境侵蚀作用所产生的不同形貌的初始蚀坑，利用腐蚀疲劳耦合试验装置研究切口尺寸和形貌对钢丝寿命的影响，结果表明：钢丝表面切口的深度越大、宽度越小，形状越尖锐，钢丝寿命越短。(4) 提出基于载荷波形变化的疲劳裂纹扩展识别方法，通过降载勾线试验研究切口尺寸和形貌对疲劳裂纹扩展速率的影响。开展疲劳裂纹扩展试验，基于降载勾线法在钢丝断面制造出“海滩状花纹”，采用AutoCAD临摹断口形貌并精确测定裂纹尺寸。通过对断口形貌的观测，分析来判定疲劳裂纹的扩展行为。依据疲劳裂纹尺寸与循环加载次数的定量关系确定疲劳裂纹的扩展速率。结果表明：钢丝表面切口的深度越大、宽度越小，形状越尖锐，疲劳裂纹扩展速率越高。(5) 为了精确获得疲劳加载过程中钢丝内部的损伤演化情况，基于连续损伤力学和断裂力学相结合的理论，利用商用软件 ABAQUS 实现切口钢丝疲劳损伤演化和腐蚀疲劳损伤演化过程的可视化，分析其损伤演化规律，并将数值计算获得的钢丝疲劳寿命、腐蚀疲劳寿命与上述疲劳试验、腐蚀疲劳试验的结果进行对比来验证数值模拟的准确性。结果表明：计算的疲劳寿命和腐蚀疲劳寿命与试验结果基本一致。随着演化过程不断进行，最大应力出现在切口底部，最小应力出现在切口边缘。随着加载次数增加，越来越多的损伤单元出现在钢丝内部，损伤不断累积且钢丝的应力分布也随加载过程不断变化。腐蚀介质和疲劳荷载耦合作用下的钢丝寿命低于单纯疲劳荷载作用下的寿命，损伤演化速率也是前者高于后者，且耦合作用下损伤单元出现的时间更早，在损伤演化的后期，由于腐蚀介质的作用，钢丝切口附近较远离切口处的损伤差值较无腐蚀作用下有所减小。(6) 为了精确获得疲劳裂纹的扩展规律，基于扩展有限元法，利用商用软件ABAQUS实现裂纹扩展过程的可视化，研究裂纹扩展过程中钢丝内部应力及位移的变化，并将模拟结果与上述疲劳裂纹扩展试验结果进行比对来验证数值模拟的准确性。结果表明：基于扩展有限元法预测的疲劳裂纹扩展规律与试验结果吻合良好，裂纹沿垂直于拉伸荷载的方向扩展，符合 I 型裂纹的扩展特征。最大应力始终出现在裂纹前缘，并随疲劳裂纹的扩展而不断前移，裂纹尖端处应力梯度变化较为剧烈。总体上，数值模拟结果与试验较为接近，验证了本文模拟方法的可靠性和实用性。本文设计的新型疲劳试验装置以传统疲劳试验机为基础，可实现对多组钢丝的多级同步脉动疲劳加载，可妥善考虑腐蚀介质与疲劳荷载的耦合作用，能弥补传统疲劳试验耗时久、难以耦合腐蚀环境的不足，大大缩短腐蚀疲劳试验的时长。同时，提出的基于连续损伤力学和断裂力学结合的方法可实现钢丝疲劳损伤演化和腐蚀疲劳损伤演化过程的可视化，基于扩展有限元的方法可实现钢丝疲劳裂纹扩展过程的可视化，数值模拟与试验结果吻合良好。
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