鋼箱梁疲勞裂紋擴展速率測試方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于金屬材料力學性能測試領域，具體涉及一種鋼箱梁疲勞裂紋擴展速率 測試方法。
【背景技術】
[0002] 鋼箱梁在起重設備、大型橋梁及鋼結構房屋的建造中擁有廣泛的應用。這種結構 件在服役時經受各種短暫的周期性的循環載荷的作用，容易在長期使用后出現疲勞失效的 現象，導致結構發生斷裂垮塌，十分危險。因此，工程設計中往往要開展鋼箱梁結構件的安 全性評估，在服役過程中還必須不斷監控其表面裂紋擴展狀況，預估結構的剩余壽命。疲勞 裂紋擴展速率試驗是評估有缺陷的構件發生疲勞裂紋擴展快慢的試驗，能有效的評估材料 的剩余壽命。目前現行的國家標準GB/T 6398-2000規定了金屬材料的疲勞裂紋擴展速率 的測試方法，但材料試驗的對象為標準試樣，其所受的約束條件與實體結構相差甚遠，材料 試驗的疲勞裂紋擴展速率試驗結果如何應用到實體鋼箱梁結構件上還有待進一步研究。
[0003] 而實體的鋼箱梁進行疲勞裂紋擴展速率試驗存在三大難點：1)鋼箱梁實體結構 尺寸過大，試驗所需載荷往往超過了現有試驗機的載荷能力；2)鋼箱梁實體結構復雜，裂 紋擴展時裂紋長度為一變量，沒法實時動態采集；3)鋼箱梁結構的應力強度因子K的幾何 解很難獲得，直接影響疲勞裂紋擴展速率Paris公式中ΔΚ的求解。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的就是針對上述技術的不足，提供一種更加真實可靠的鋼箱梁疲勞裂 紋擴展速率測試方法，其Paris公式在預測鋼箱梁結構在服役階段的剩余壽命時更具指導 性。
[0005] 為實現上述目的，本發明所設計的鋼箱梁疲勞裂紋擴展速率測試方法，包括如下 步驟：
[0006] A、制備鋼箱梁結構件試樣
[0007] al)根據被測鋼箱梁的實際尺寸進行等比例縮小，按照被測鋼箱梁實物結構的組 成及焊接工藝加工等比例縮小的鋼箱梁試樣；確保鋼箱梁試樣與被測鋼箱梁實物尺寸結構 一致，裂紋形成后其周圍約束狀態與被測鋼箱梁實物一致；
[0008] a2)在鋼箱梁試樣上確定危險截面，在危險截面上加工機械缺口，方便后期在機械 缺口尖端預制疲勞裂紋，而后開展疲勞裂紋擴展速率試驗；
[0009] a3)在機械缺口的前端加工供安裝裂紋張開位移夾規的槽；
[0010] B、裂紋長度a標定
[0011] bl)在危險截面上粘貼標定板，標定板上設置有確定尺寸的圖形；
[0012] b2)將鋼箱梁試樣置于疲勞試驗機上且危險截面朝下，然后將視頻攝像機伸入危 險截面正下方固定；
[0013] b3)視頻攝像機拍攝標定板上的圖形獲得圖像圖形，測量圖像圖形上的尺寸，將圖 像圖形的尺寸除以標定板上圖形的尺寸得到圖像的比例尺，并將比例尺輸入圖像采集分析 軟件；
[0014] b4)對疲勞試驗機施加多級靜載，使裂紋擴展逐級伸長，每一級靜載下，讀取裂紋 張開位移夾規C0D讀數，并且通過視頻攝像機進行拍照記錄每一級靜載下的裂紋擴展路徑 圖片，在圖像采集分析軟件中測量每一級的裂紋長度a ;
[0015] b5)依據步驟b4)繪制COD-a曲線，確定COD讀數與裂紋長度a的函數關系a = f (COD)，完成裂紋長度a的標定過程；
[0016] C、疲勞裂紋擴展速率試驗
[0017] cl、根據靜載試驗確定鋼箱梁試樣在各加載階段的最大載荷和最小載荷 Fmin1 ；
[0018] c2、更換鋼箱梁試樣，啟動疲勞試驗，在各加載階段實時記錄裂紋張開位移夾規 C0D讀數和疲勞次數隊，根據采集的C0D讀數及標定的函數關系a = f (C0D)得出疲勞試驗 過程中各加載階段實時的裂紋長度a1;根據各加載階段實時的裂紋長度a 對應的疲勞次 數隊、根據公式（da/dN)，^「士打沉鳴上計算得到各加載階段的疲勞裂紋擴展速率 (da/dN) i；
[0019] C4、根據各加載階段的實時實時的裂紋長度％，計算出各加載階段實時的應力強 度因子K_iP K K_與K J作差得到各加載階段實時的應力強度因子幅值Δ κ 1;
[0020] D、疲勞裂紋擴展速率試驗數據處理
[0021] 以計算得到的疲勞裂紋擴展速率（da/dN) i和應力強度因子幅值△ K i為原始數據 繪制（da/dN)^&曲線，對該曲線的縱坐標和橫坐標分別取對數，并對原始數據進行冪函 數擬合得到擬合方程為da/dN = c △ Γ，即為疲勞裂紋擴展速率試驗測試結果Paris公式。
[0022] 進一步地，所述步驟B中bl)具體過程如下：在鋼箱梁試樣的危險截面上噴涂白 色啞光底漆，待漆干后，在危險截面上預設的裂紋擴展路徑周圍粘貼標定板，并在標定板上 設置有圓形點矩陣，且橫向相鄰兩圓形點的圓心之間的距離為L，縱向相鄰兩圓形點的圓心 之間的距離為P ;所述步驟B中b3)具體過程如下：截取標定板上橫向η個圓形點和縱向η 個圓形點組成的圖形，計算出圖形的橫向圓形點圓心之間和縱向圓形點圓心之間的實際尺 寸；視頻攝像機拍攝標定板上的圖形獲得圖像圖形，測量圖像圖形上橫向圓形點圓心之間 和縱向圓形點圓心之間的圖像尺寸，將圖像尺寸除以實際尺寸得到圖像的比例尺，并將比 例尺輸入圖像采集分析軟件。
[0023] 進一步地，所述步驟Β中b4)每一級靜載下，讀取裂紋張開位移夾規C0D讀數后， 保持載荷不變的情況下，在裂紋尖端注射藍色墨水，藍色墨水一直擴展到裂紋末端，通過視 頻攝像機進行拍照，記錄每一級靜載下的裂紋擴展路徑圖片，在圖像采集分析軟件中測量 裂紋長度a。
[0024] 進一步地，所述步驟C中c4)根據載荷條件及鋼箱梁試樣危險截面的幾何形態，查 詢《應力強度因子手冊》，確定應力強度因子K值的計算公式& = 其中F為形狀系 數，σ為裂紋尖端應力，a為裂紋長度；根據各加載階段的最大載荷？^^和最小載荷？^^求 得各加載階段的〇 并將各加載階段實時的裂紋長度ai，代入應力強度因子K值 的計算公式A： = 中，求得各加載階段實時的Κ_4Ρ K ^與K 作差得到各加 載階段實時的應力強度因子幅值A K1;
[0025] 若鋼箱梁試樣結構復雜且裂紋位置特殊、無法在《應力強度因子手冊》中查詢到Κ 值計算模型時，則用有限元軟件建立鋼箱梁模型，計算各加載階段實時的裂紋長度對應的 〖_和Κ Κ_與K J作差得到各加載階段實時的應力強度因子幅值Δ Κ 1<3
[0026] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：
[0027] 1)本發明涉及的鋼箱梁實體的疲勞裂紋擴展速率試驗方法，相對目前的材料試驗 得到的疲勞裂紋擴展速率Paris公式，由本發明結構實體試驗得到的疲勞裂紋擴展速率更 加真實可靠，其Paris公式在預測結構服役階段的剩余壽命時更具指導性；
[0028] 2)本發明在裂紋長度測量時不同于常規的停機用游標卡尺測量的方法，在鋼箱梁 試樣機械缺口前端加裝C0D夾規，通過靜載試驗標定C0D夾規與游標卡尺測量裂紋長度a 的線性關系，將該關系應用于疲勞裂紋擴展速率動態試驗，直接通過COD夾規讀數測量實 時的裂紋長度a，避免了動態疲勞試驗中停導致的裂紋尖端塑性鈍化，影響疲勞試驗結果準 確性；同時也節省了中停試驗測量裂紋長度的時間，提高了試驗效率。
【附圖說明】
[0029] 圖1為實施例1的等比例縮小加工的鋼箱梁試樣及其加工機械缺口示意圖；
[0030] 圖2為實施例1的C0D夾規測試鋼箱梁試樣裂紋長度a標定曲線；
[0031 ] 圖3為實施例1的鋼箱梁試樣da/dN- Δ K曲線；
[0032] 圖4為鋼箱梁試樣所用材料Q345的標