摘要
由于具有跨度大、形状优美等特点，缆索体系桥梁被广泛应用于实际工程中，而索体结构作为主要承重构件，对桥梁安全起着至关重要的作用。在所处环境中的腐蚀介质以及循环荷载作用下，桥梁索体的保护套容易产生破损，从而引起索体内部锈蚀，严重影响桥梁的运营安全。因为索体材料大部分为高强钢绞线，所以有必要研究锈蚀后高强钢绞线的力学性能。本文通过电化学腐蚀试验、静力拉伸试验以及疲劳试验，对高强钢绞线的力学性能进行展开研究，并结合有限元软件，研究含蚀坑钢绞线在静力荷载作用下的应力集中现象以及在疲劳荷载作用下的损伤演化。主要内容及结论如下： （1）通过电化学腐蚀试验，制备了不同通电时间下的均匀腐蚀钢绞线试件和含蚀坑的钢绞线试件，通过测定均匀腐蚀的钢绞线质量损失率，分析得到钢绞线的质量损失率随通电时间大体呈线性增长。 （2）对不同腐蚀阶段的均匀腐蚀钢绞线进行静力拉伸试验，结果表明，钢绞线的极限强度随腐蚀率的增加而下降明显，名义屈服强度的下降幅度稍缓，而极限应变虽然呈下降趋势，但到达一定程度后会趋于稳定；对不同通电时间的含蚀坑钢绞线进行静力拉伸试验，研究蚀坑深度对钢绞线力学性能的影响，结果表明，随着蚀坑深度的增加，钢绞线的名义屈服强度几乎不发生明显变化，而名义极限强度和极限应变下降明显。 （3）通过ABAQUS有限元软件建立含蚀坑的钢绞线模型，研究蚀坑长、宽、深的尺寸变化对钢绞线应力集中系数的影响，并确定最为显著的影响因素。研究发现，在半圆球蚀坑中，应力集中系数随蚀坑半径的增大而增大，并且增长速度呈现先快后慢的趋势；在半椭球蚀坑中，长度的增加会使应力集中系数减小，而宽度和深度的增加会使应力集中系数增大，对各尺寸变化所对应的应力集中系数进行拟合，都表现出明显的线性关系，综合对比发现，深度对应力集中系数的影响最为显著。 （4）对含蚀坑的钢绞线试件开展疲劳试验，统计不同蚀坑尺寸下钢绞线试件的疲劳寿命，研究蚀坑深度对钢绞线疲劳寿命的影响，并为后续的疲劳损伤模拟奠定数据基础。研究发现，大部分钢绞线最先破坏位置都在蚀坑处，比较符合理想状态，钢绞线的疲劳寿命离散程度较大；将有效断裂试件的疲劳寿命随蚀坑深度尺寸的变化关系进行线性拟合，大体表现出线性下降的趋势。 （5）将CDM疲劳损伤模型应用于钢绞线试件中，研究疲劳荷载作用下钢绞线试件的损伤演化，为预测锈蚀钢绞线的疲劳寿命提供了新的途径。通过编写UMAT用户子程序将疲劳损伤模型用于ABAQUS有限元分析，得到含蚀坑钢绞线的疲劳寿命，通过对比试验结果，发现模拟误差大体在20%以内；通过观察蚀坑底部的损伤演变过程，发现损伤累积速度在疲劳过程中不断加快，呈非线性增长。
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