本發(fā)明涉及土木工程結(jié)構(gòu)中大跨度結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)領域，特別是一種聲發(fā)射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置。

背景技術(shù)：

纜索結(jié)構(gòu)廣泛應用于大跨度橋梁和房屋結(jié)構(gòu)之中，纜索作為主要承重和傳力的構(gòu)件，其力學性能研究得到了日益廣泛的關注。但纜索結(jié)構(gòu)一直暴露在自然環(huán)境中，而且長期承受外荷載的作用，纜索結(jié)構(gòu)往往會產(chǎn)生腐蝕、開裂、疲勞損傷等破壞形態(tài)。雖然，在實際工程中，在纜索基體面鍍金屬保護膜，例如熱鍍鋅、鋅鋁涂層和鍍鈦銀涂層等，鍍有金屬保護膜的纜索結(jié)構(gòu)就形成了典型的薄膜/基體系統(tǒng)。

然而，由于薄膜和鋼基體材料性能的差異，在腐蝕環(huán)境和動荷載長期作用下，腐蝕疲勞損傷不斷在鍍層中累計，當損傷超過臨界值時，裂紋就開始萌生。因此導致國內(nèi)外眾多纜索達不到30年使用壽命，不得不提早換索，從而造成了重大的經(jīng)濟損失。

另外，由于材料腐蝕產(chǎn)物在裂紋尖端楔入，造成裂紋尖端局部應力集中，即使外荷載消失，裂紋也會持續(xù)擴展，導致開裂和脫粘等失效行為。

因此，對纜索鍍層在腐蝕疲勞環(huán)境下進行開裂行為的監(jiān)測，預防鍍層的開裂和減少基體在環(huán)境中的損傷，對于延長纜索結(jié)構(gòu)的壽命和減少經(jīng)濟損失具有重要意義。

目前，能夠有效監(jiān)測纜索鍍層裂紋萌生和擴展的方法較少，根據(jù)薄膜理論和斷裂力學理論，存在一個臨界薄膜厚度，如果薄膜厚度小于臨界厚度，裂紋則不會出現(xiàn)。因此，研究腐蝕疲勞工況下的涂層裂紋開展規(guī)律很有必要。得到最佳薄膜厚度，延長纜索涂層使用壽命，減少經(jīng)濟損失。為此，申請人發(fā)明了一種簡單而有效的用聲發(fā)射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種聲發(fā)射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置，該聲發(fā)射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置能夠有效監(jiān)測鍍層纜索試樣的裂紋萌生時刻和裂紋擴展速率，并能尋找到不同應力幅下的最佳薄膜厚度，延長纜索鍍層使用壽命，減少經(jīng)濟損失。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種聲發(fā)射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置，包括疲勞試驗機、拉伸夾具、腐蝕槽、腐蝕介質(zhì)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)、電子內(nèi)窺鏡和計算機；聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和電子內(nèi)窺鏡均與計算機相連接。

疲勞試驗機的加載波形包括正弦波，疲勞試驗機的應力比能夠調(diào)節(jié)。

拉伸夾具包括同軸設置的上拉伸固定頭和下拉伸固定頭，下拉伸固定頭連接在疲勞試驗機的底座上，上拉伸固定頭連接在疲勞試驗機的拉伸壓頭底部，拉伸壓頭的高度能夠升降。

多根鍍層纜索試樣能相互平行固定在上拉伸固定頭和下拉伸固定頭之間。

每根鍍層纜索試樣的外周分別套設一個所述腐蝕槽。

每個腐蝕槽均包括耐腐蝕套管和兩個橡膠塞，兩個橡膠塞分別密封封堵在耐腐蝕套管的兩端；鍍層纜索試樣分別從對應腐蝕槽中的兩個橡膠塞穿過，使耐腐蝕套管套設在鍍層纜索試樣外周。

腐蝕介質(zhì)充填在耐腐蝕套管與鍍層纜索試樣之間的空腔內(nèi)。

在每根耐腐蝕套管的內(nèi)壁面上均固設一個所述電子內(nèi)窺鏡，電子內(nèi)窺鏡能對鍍層纜索試樣的表面進行攝像與拍攝。

聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)包括聲發(fā)射裝置、聲發(fā)射采集裝置以及與鍍層纜索試樣數(shù)量相等的聲發(fā)射探頭。

聲發(fā)射裝置用于向每根鍍層纜索試樣表面發(fā)射彈性波信號。

位于耐腐蝕套管外的每根鍍層纜索試樣上各設置一個所述聲發(fā)射探頭，每個聲發(fā)射探頭均與聲發(fā)射采集裝置相連接。

每根鍍層纜索試樣的形狀均為兩端粗中間細的狗骨形狀或啞鈴形狀。

所述腐蝕介質(zhì)為nacl溶液，nacl溶液的濃度范圍為4-6%，ph值范圍為6.5-7.2。

耐腐蝕套管為有機玻璃套管。

上拉伸固定頭和下拉伸固定頭之間能相互平行固定三根鍍層纜索試樣。

還包括測厚儀，該測厚儀能對鍍層纜索試樣表面的鍍層厚度進行測量。

本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)后，具有如下有益效果：

1.本發(fā)明通過在耐腐蝕套管中設置nacl溶液，放入鍍層纜索試樣，將耐腐蝕套管兩頭密封，在鍍層纜索試樣表面裝聲發(fā)射探頭，進行疲勞拉伸試驗。

2.本發(fā)明能夠有效的為不同鍍層和不同型號纜索鋼基體組成的薄膜/基底系統(tǒng)提供觀測。測量在nacl溶液鹽霧腐蝕環(huán)境和不同疲勞荷載作用下的薄膜斷裂機理，得到表面裂紋和界面裂紋的萌生時刻，找到不同應力幅下鍍層纜索試樣表面鍍層的最佳臨界厚度。

3.本發(fā)明中的耐腐蝕套管為有機透明玻璃，耐鹽霧腐蝕，能夠在試驗中有效觀測鍍層纜索試樣表面裂紋的擴展，聲發(fā)射探頭能夠有效監(jiān)測鍍層纜索試樣表面裂紋的開始與擴展速率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明聲發(fā)射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2顯示了鍍層纜索試樣的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中有：1.耐腐蝕套管；2.鍍層纜索試樣；3.橡膠塞；4.疲勞試驗機；41.上拉伸固定頭；42.下拉伸固定頭；43.拉伸壓頭；5.腐蝕介質(zhì)；6.聲發(fā)射探頭；7.聲發(fā)射裝置；8.聲發(fā)射采集裝置；9.計算機；10.電子內(nèi)窺鏡。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體較佳實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

如圖1所示，一種聲發(fā)射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗裝置，包括疲勞試驗機4、拉伸夾具、腐蝕槽、腐蝕介質(zhì)5、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)、電子內(nèi)窺鏡10和計算機9。

其中，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和電子內(nèi)窺鏡均與計算機相連接。

疲勞試驗機為現(xiàn)有技術(shù)，為市場購買，疲勞試驗機的加載波形包括正弦波，疲勞試驗機的應力比能夠調(diào)節(jié)。

纜索作為橋梁的承重構(gòu)件，所有上部結(jié)構(gòu)的自重及活荷載均由纜索承擔，但活恒比一般只有10%左右，纜索破壞的原因是腐蝕疲勞，是先發(fā)生腐蝕，誘發(fā)疲勞裂紋的產(chǎn)生。所以，加載波形為正弦波，應力比優(yōu)選選擇為0、0.1或0.2；每次試驗選擇一種應力比即可。每秒10個循環(huán)，即f=10hz。

拉伸夾具包括同軸設置的上拉伸固定頭41和下拉伸固定頭42。

下拉伸固定頭優(yōu)選可拆卸連接在疲勞試驗機的底座上，上拉伸固定頭優(yōu)選可拆卸連接在疲勞試驗機的拉伸壓頭43底部，拉伸壓頭的高度能夠升降。

多根鍍層纜索試樣2能相互平行固定在上拉伸固定頭和下拉伸固定頭之間。

上拉伸固定頭和下拉伸固定頭之間優(yōu)選能相互平行固定三根鍍層纜索試樣。

每根鍍層纜索試樣的形狀均優(yōu)選為如圖2所示的兩端粗中間細的狗骨形狀或啞鈴形狀，能增大端部抗滑移能力，方便考察試件中部涂層裂紋的開展。

另外，根據(jù)薄膜理論和斷裂力學理論可知，因為纜索用涂層在靜荷載的臨界斷裂拉伸應力不大，多個鍍層纜索試樣之間位移近似，因而，在疲勞實驗時，能夠?qū)崿F(xiàn)多根鍍層纜索試樣同時加載。

本發(fā)明的鍍層纜索試樣的涂層厚度優(yōu)選為0.08mm、0.12mm、0.16mm、0.20mm或0.24mm。

進一步，本發(fā)明的試驗裝置還優(yōu)選包括測厚儀，該測厚儀能對上述鍍層纜索試樣表面的鍍層厚度進行測量。

每根鍍層纜索試樣的外周分別套設一個腐蝕槽。

每個腐蝕槽均包括耐腐蝕套管1和兩個橡膠塞3。

耐腐蝕套管優(yōu)選為有機玻璃套管。

兩個橡膠塞分別密封封堵在耐腐蝕套管的兩端；鍍層纜索試樣分別從對應腐蝕槽中的兩個橡膠塞穿過，使耐腐蝕套管套設在鍍層纜索試樣外周。

鍍層纜索試樣余兩個橡膠塞之間為密封接觸，可以有較小的滑動位移。

腐蝕介質(zhì)5充填在耐腐蝕套管與鍍層纜索試樣之間的空腔內(nèi)。

上述腐蝕介質(zhì)優(yōu)選為nacl溶液，nacl溶液的濃度范圍優(yōu)選為4-6%，進一步優(yōu)選為5%。ph值范圍優(yōu)選為6.5-7.2；本發(fā)明的nacl溶液，能完全模擬全國各種沿海地區(qū)環(huán)境下的腐蝕情況。

在每根耐腐蝕套管的內(nèi)壁面上均固設一個電子內(nèi)窺鏡10，電子內(nèi)窺鏡優(yōu)選能180°轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對鍍層纜索試樣的表面進行攝像與拍攝。電子內(nèi)窺鏡與計算機相連接，故而能將所拍攝的圖片或攝像傳送給計算機，計算機內(nèi)置有三維拍攝軟件與標尺，能自動判別圖片中的裂紋及裂紋長度。

聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)包括聲發(fā)射裝置7、聲發(fā)射采集裝置8以及與鍍層纜索試樣數(shù)量相等的聲發(fā)射探頭6。

位于耐腐蝕套管外的每根鍍層纜索試樣上各設置一個聲發(fā)射探頭，每個聲發(fā)射探頭均與聲發(fā)射采集裝置相連接。

上述聲發(fā)射探頭，能實現(xiàn)同時對多個鍍層纜索試樣表面涂層的監(jiān)測。根據(jù)前期研究，對聲發(fā)射采集裝置的各項參數(shù)進行設置，帶寬為10khz-2.0mhz，增益設置為40db，門檻值35db，采樣頻率5msps。

聲發(fā)射裝置用于向每根鍍層纜索試樣表面發(fā)射彈性波信號。

聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)檢測裂紋的原理為：聲發(fā)射裝置發(fā)射的彈性波最終傳播到達鍍層纜索試樣的表面，引起聲發(fā)射探頭探測的表面位移，當涂層表面裂紋萌生與擴展時，會引起鍍層纜索試樣鐘涂層材料的能量釋放，聲發(fā)射探頭將涂層材料的機械振動轉(zhuǎn)換為電信號，然后再被放大、處理和記錄。

一種聲發(fā)射探測纜索鍍層腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展的試驗方法，包括如下步驟。

步驟1，鍍層纜索試樣制作。

在鍍層纜索試樣制作前，先對纜索鋼基體進行酸洗，去除鋼表面氧化膜，晾干，再鍍上所需研究的不同厚度的鍍層，并用測厚儀分別測出每個鍍層纜索試樣的實際鍍層厚度。

取五種不同鍍層厚度的鍍層纜索試樣若干根，其中，每根鍍層纜索試樣的長度相等，每根纜索鋼基體的尺寸和形狀相同。

上述鍍層纜索試樣的五種不同鍍層厚度，分別優(yōu)選為0.08mm、0.12mm、0.16mm、0.20mm和0.24mm。

步驟2，臨界斷裂拉力尋找：將步驟1制作完成的五種不同鍍層厚度的鍍層纜索試樣各取1-3根，采用疲勞試驗機，按照設定的固定位移值，分別進行靜力拉伸試驗，得到每種鍍層斷裂時的臨界斷裂拉力；由于五種不同鍍層厚度鍍層纜索試樣的臨界斷裂拉力相差較小，故取靜力拉伸試驗所得的所有臨界斷裂拉力的均值作為所需尋找的臨界斷裂拉力nl。

步驟3，腐蝕介質(zhì)配置：配置濃度范圍為4-6%，優(yōu)選為5%；ph值范圍為6.5-7.2的nacl溶液。

本發(fā)明中，可以在保持鍍層纜索試樣厚度及荷載應力保持不變時，進行不同鹽霧腐蝕環(huán)境、不同氯化鈉溶液濃度和不同ph值的試驗，以便選取最佳的腐蝕環(huán)境，最佳的氯化鈉溶液濃度和最佳的ph值。本發(fā)明中的氯化鈉溶液、4-6%濃度和6.5-7.2的ph值，則是申請人已經(jīng)經(jīng)過長期、反復多次試驗驗證后得出的，完全可以模擬全國各種沿海地區(qū)環(huán)境下的腐蝕情況。

步驟4，腐蝕介質(zhì)裝填：腐蝕介質(zhì)裝填，包括如下兩個步驟。

步驟41，套裝耐腐蝕套管。

1）取三根耐腐蝕套管，在每根耐腐蝕套管的內(nèi)壁面上均固設一個與計算機相連接的電子內(nèi)窺鏡。

2）將三根耐腐蝕套管的一端分別用橡膠塞密封封堵，每個橡膠塞的中部均優(yōu)選設置有打孔。安裝有電子內(nèi)窺鏡的耐腐蝕套管能多次重復使用，利用率高。

3）取步驟1制作的其中一種鍍層厚度（如0.08mm）的鍍層纜索試樣三根，如鍍層厚度為0.08mm的鍍層纜索試樣三根。

4）將三根鍍層纜索試樣依次穿過橡膠塞后，裝入耐腐蝕套管，并使耐腐蝕套管垂直放置，鍍層纜索試樣的兩端均從耐腐蝕套管露出，且密封封堵有橡膠塞的一端位于底部。

步驟42，裝填腐蝕介質(zhì)：將步驟2配置的腐蝕介質(zhì)依次裝入步驟31中的三根耐腐蝕套管內(nèi)，裝滿后，再用橡膠塞穿過鍍層纜索試樣頂端后，將三根耐腐蝕套管頂端均密封封堵。

步驟5，鍍層纜索試樣裝夾：將步驟3腐蝕介質(zhì)裝填完成的三根鍍層纜索試樣，分別相互平行地固定在上拉伸固定頭和下拉伸固定頭之間；然后，在位于耐腐蝕套管外的每根鍍層纜索試樣上各安裝一個聲發(fā)射探頭，并將所有聲發(fā)射探頭均與聲發(fā)射采集裝置相連接，聲發(fā)射采集裝置與計算機相連接。

聲發(fā)射探頭與對應鍍層纜索試樣的優(yōu)選安裝方法為：先將聲發(fā)射探頭用凡士林與鍍層纜索試樣表面進行耦合，然后用膠布進行粘接固定，保證聲發(fā)射探頭在加載期間不出現(xiàn)剝落和滑移。當材料或者結(jié)構(gòu)在受外力荷載作用下所產(chǎn)生的變形或者斷裂能會以彈性波的形式釋放彈性能，經(jīng)介質(zhì)傳播到達鍍層纜索試樣表面，引起鍍層纜索試樣表面的機械振動。聲發(fā)射探頭會接收這種信號并轉(zhuǎn)換為電信號。

步驟6，疲勞試驗：疲勞試驗，包括如下步驟。

步驟61，彈性波發(fā)射：先開啟與計算機相連接的聲發(fā)射裝置，聲發(fā)射裝置開始向步驟4裝夾完成的三根鍍層纜索試樣發(fā)射彈性波。

步驟62，應力幅水平設置：應力幅水平數(shù)量設置不少于6個，分別為：nl/2、（nl/2±nl/10）、（nl/2±2nl/10）、（nl/2±3nl/10）……。

步驟63，疲勞應力加載：疲勞試驗機工作，并對步驟4裝夾完成的三根鍍層纜索試樣進行疲勞試驗，其中，疲勞試驗機的加載波形為正弦波，加載應力比為0.1，應力幅水平選擇為nl/2。

疲勞試驗機加載時，纜索鋼基體只是彈性變形，而纜索鋼基體上的金屬鍍層則會發(fā)生塑性變形。卸載時，金屬鍍層已發(fā)生塑性變形，會受到一個纜索鋼基體彈性回復給薄膜的壓應力，所以只需施加拉-拉疲勞荷載或拉-零荷載。

步驟64，聲發(fā)射反饋曲線形成：疲勞試驗過程中，聲發(fā)射采集裝置通過三個聲發(fā)射探頭，分別采集三根鍍層纜索試樣的聲發(fā)射反饋信號，并形成聲發(fā)射反饋曲線，聲發(fā)射反饋曲線包括聲發(fā)射振鈴曲線和聲發(fā)射能量曲線，其中，聲發(fā)射振鈴曲線為聲發(fā)射采集裝置采集的振鈴計數(shù)或累計計數(shù)隨時間的變化曲線，聲發(fā)射能量曲線為聲發(fā)射采集裝置采集的聲發(fā)射信號的能量值隨時間的變化曲線。

步驟65，裂紋識別與長度計算：在聲發(fā)射反饋曲線形成的同時，電子內(nèi)窺鏡將實時對位于耐腐蝕套管內(nèi)的鍍層纜索試樣表面進行攝像并傳送給計算機，計算機按固定間隔時間，優(yōu)選為五分鐘，進行一次圖片拍攝，并對拍攝的圖片進行裂紋識別判斷及裂紋長度計算。

步驟7，記錄裂紋萌生時刻：在步驟64形成的聲發(fā)射反饋曲線中，當振鈴激增，也即聲發(fā)射信號急劇增加時，所對應的時間點即為鍍層的裂紋萌生時刻。

鍍層的裂紋萌生時刻記錄完成后，通過步驟64記錄裂紋萌生時刻的裂紋長度值，并求取對應鍍層的斷裂韌性。

步驟8，裂紋擴展試驗：當步驟7記錄到裂紋萌生時刻后，疲勞試驗機繼續(xù)按照步驟63的方式進行加載試驗，直至鍍層纜索試樣表面出現(xiàn)裂紋飽和為止；裂紋擴展試驗中，仍需繼續(xù)采集并記錄三根鍍層纜索試樣的聲發(fā)射反饋曲線；當裂紋達到飽和時，所施加的應力循環(huán)次數(shù)即為該種厚度鍍層纜索試樣在應力幅為nl/2時的鍍層腐蝕疲勞壽命。

步驟9，裂紋擴展速率評估：采用如下所述評估方法中的任一種或組合進行裂紋擴展速率的評估。

評估方法一，裂紋擴展速率定性評估：對步驟8中記錄的聲發(fā)射反饋曲線中的聲發(fā)射振鈴曲線，通過聲發(fā)射振鈴計數(shù)或累計振鈴數(shù)隨時間的疏密變化情況，對裂紋擴展的快慢程度進行定性評估。

評估方法二，裂紋擴展速率定量評估一：根據(jù)疲勞理論中的paris公式，裂紋擴展速率即為載荷循環(huán)一次的裂紋增長量。

評估方法三，裂紋擴展速率定量評估二：對步驟8中記錄的聲發(fā)射反饋曲線中的聲發(fā)射能量曲線，裂紋擴展速率即為載荷循環(huán)一次的聲發(fā)射能量變化量。

步驟10，繪制s-n曲線：在鍍層厚度、加載波形和加載應力比均不變的情況下，按照步驟3至步驟9的方法，對步驟63選擇的每種應力幅分別獲取裂紋萌生時刻、裂紋擴展速率以及鍍層腐蝕疲勞壽命值；并根據(jù)所有的應力幅值和鍍層腐蝕疲勞壽命值，繪制該種鍍層厚度所對應的s-n曲線。

步驟11，最佳鍍層厚度尋找：將步驟1中的另外四種不同鍍層厚度（如0.12mm、0.16mm、0.20mm和0.24mm）的鍍層纜索試樣各取若干根，對每種鍍層厚度的鍍層纜索試樣分別按照步驟3至步驟10的方法進行操作，并分別記錄每種鍍層厚度在各個應力幅水平時所對應的裂紋萌生時刻、裂紋擴展速率和s-n曲線，將五種不同鍍層厚度所對應的裂紋萌生時刻、裂紋擴展速率和s-n曲線進行比較，獲取每種應力幅水平下所對應的最佳鍍層厚度。

以上詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護范圍。