[发明专利]钢箱梁疲劳裂纹扩展速率测试方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料力学性能测试领域，具体涉及一种钢箱梁疲劳裂纹扩展速率测试方法。

背景技术

钢箱梁在起重设备、大型桥梁及钢结构房屋的建造中拥有广泛的应用。这种结构件在服役时经受各种短暂的周期性的循环载荷的作用，容易在长期使用后出现疲劳失效的现象，导致结构发生断裂垮塌，十分危险。因此，工程设计中往往要开展钢箱梁结构件的安全性评估，在服役过程中还必须不断监控其表面裂纹扩展状况，预估结构的剩余寿命。疲劳裂纹扩展速率试验是评估有缺陷的构件发生疲劳裂纹扩展快慢的试验，能有效的评估材料的剩余寿命。目前现行的国家标准GB/T6398-2000规定了金属材料的疲劳裂纹扩展速率的测试方法，但材料试验的对象为标准试样，其所受的约束条件与实体结构相差甚远，材料试验的疲劳裂纹扩展速率试验结果如何应用到实体钢箱梁结构件上还有待进一步研究。

而实体的钢箱梁进行疲劳裂纹扩展速率试验存在三大难点：1)钢箱梁实体结构尺寸过大，试验所需载荷往往超过了现有试验机的载荷能力；2)钢箱梁实体结构复杂，裂纹扩展时裂纹长度为一变量，没法实时动态采集；3)钢箱梁结构的应力强度因子K的几何解很难获得，直接影响疲劳裂纹扩展速率Paris公式中ΔK的求解。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种更加真实可靠的钢箱梁疲劳裂纹扩展速率测试方法，其Paris公式在预测钢箱梁结构在服役阶段的剩余寿命时更具指导性。

为实现上述目的，本发明所设计的钢箱梁疲劳裂纹扩展速率测试方法，包括如下步骤：

A、制备钢箱梁结构件试样

a1)根据被测钢箱梁的实际尺寸进行等比例缩小，按照被测钢箱梁实物结构的组成及焊接工艺加工等比例缩小的钢箱梁试样；确保钢箱梁试样与被测钢箱梁实物尺寸结构一致，裂纹形成后其周围约束状态与被测钢箱梁实物一致；

a2)在钢箱梁试样上确定危险截面，在危险截面上加工机械缺口，方便后期在机械缺口尖端预制疲劳裂纹，而后开展疲劳裂纹扩展速率试验；

a3)在机械缺口的前端加工供安装裂纹张开位移夹规的槽；

B、裂纹长度a标定

b1)在危险截面上粘贴标定板，标定板上设置有确定尺寸的图形；

b2)将钢箱梁试样置于疲劳试验机上且危险截面朝下，然后将视频摄像机伸入危险截面正下方固定；

b3)视频摄像机拍摄标定板上的图形获得图像图形，测量图像图形上的尺寸，将图像图形的尺寸除以标定板上图形的尺寸得到图像的比例尺，并将比例尺输入图像采集分析软件；

b4)对疲劳试验机施加多级静载，使裂纹扩展逐级伸长，每一级静载下，读取裂纹张开位移夹规COD读数，并且通过视频摄像机进行拍照记录每一级静载下的裂纹扩展路径图片，在图像采集分析软件中测量每一级的裂纹长度a；

b5)依据步骤b4)绘制COD-a曲线，确定COD读数与裂纹长度a的函数关系a＝f(COD)，完成裂纹长度a的标定过程；

C、疲劳裂纹扩展速率试验

c1、根据静载试验确定钢箱梁试样在各加载阶段的最大载荷F_maxⁱ和最小载荷F_minⁱ；

c2、更换钢箱梁试样，启动疲劳试验，在各加载阶段实时记录裂纹张开位移夹规COD读数和疲劳次数N_i，根据采集的COD读数及标定的函数关系a＝f(COD)得出疲劳试验过程中各加载阶段实时的裂纹长度a_i；根据各加载阶段实时的裂纹长度a_i和对应的疲劳次数N_i、根据公式(da/dN)_i＝(a_i-a_i-1)/(N_i-N_i-1)，计算得到各加载阶段的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)_i；

c4、根据各加载阶段的实时实时的裂纹长度a_i，计算出各加载阶段实时的应力强度因子K_maxⁱ和K_minⁱ，K_maxⁱ与K_minⁱ作差得到各加载阶段实时的应力强度因子幅值ΔK_i；

D、疲劳裂纹扩展速率试验数据处理