蝕坑對不同捻角鋼絲繩股力學性能的影響研究

秦瑋

摘 要：為揭示不同捻角鋼絲繩股受腐蝕后產生的蝕坑對其拉伸力學性能的影響，本研究對腐蝕繩股進行拉伸力學性能仿真，分析了蝕坑對不同捻角腐蝕繩股應力特性和軸向承載特性等力學性能的影響。結果表明，腐蝕繩股蝕坑內產生了明顯的應力集中，且蝕坑的存在會降低繩股的承載性能。繩股最大應力、應力集中系數均隨繩股捻角的增大而增大。

關鍵詞：力學性能;蝕坑;捻角;有限元仿真

中圖分類號：TD532文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）03-0051-03

Study on the Influence of Corrosion Pit on the Mechanical

Properties of Wire Ropes with Different Twist Angle

QIN Wei

（School of Shipping and Naval Engineering， Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074）

Abstract： In order to reveal the influence of corrosion pits on the tensile mechanical properties of steel wire ropes with different twist angles， the tensile mechanical properties of corroded ropes were simulated in this study， and the influence of corrosion pits on the mechanical properties of corroded ropes with different twist angles such as stress characteristics and axial bearing characteristics was analyzed. The results show that obvious stress concentration occurs in the corrosion pits of the corroded strands， and the existence of corrosion pits will reduce the load-bearing performance of the strands. The maximum stress and the stress concentration factor of the strands increase with the increase of the strand twist angle.

Keywords： mechanical properties;corrosion pit;twist angle;finite element simulation

鋼絲繩被廣泛應用于工程作業中，而長期在酸性等惡劣環境下服役的鋼絲繩極易被腐蝕[1]，使其服役性能降低甚至發生斷裂[2-3]。所以，對腐蝕引起的鋼絲繩性能變化規律進行探究，對于確保工程作業安全有著重要意義。

鋼絲繩受腐蝕后造成的表面缺陷將降低其抗拉性能，對此，學者進行了相關研究。受腐鋼結構件的拉伸加載試驗表明，受腐鋼結構件應變硬化隨加載時間的增加逐漸變得平緩[4]，其應變速率效應和承載力與腐蝕率表現為反比關系[5-7]，并存在一個腐蝕臨界值，超過該值，拉伸性能受腐蝕的影響會顯著增大[8]。

對于受腐鋼絲繩的服役性能，諸多學者已開展了相關研究，但他們研究的大多數為鋼絲等結構相對簡單的對象。而被廣泛應用的鋼絲繩股具有結構復雜、受腐蝕后蝕坑參數多變、計入蝕坑后建模困難等特點，因而深入研究服役性能受腐蝕影響的較少。對此，本研究建立了具有不同內層側絲捻角的腐蝕多層結構鋼絲繩股的幾何模型（蝕坑均位于外層側絲外輪廓），并對其進行拉伸載荷作用下的有限元仿真，探究了蝕坑對不同捻角鋼絲繩股承載特性和應力特性等力學性能的影響，以明確鋼絲繩股服役特性受腐蝕的影響。

1 有限元建模

為探究蝕坑對不同捻角多層結構鋼絲繩股的影響，本文建立了不同內層側絲捻角的腐蝕繩股模型，幾何參數如表1所示。其中，繩股蝕坑位于繩股外層側絲外輪廓位置，幾何模型如圖1所示。同時，對其極限拉伸載荷進行有限元分析，以此來探究蝕坑對不同內層側絲捻角多層結構鋼絲繩股性能的影響。

2 結果與討論

拉伸載荷下，不同內層側絲捻角受腐多層結構鋼絲繩股的應力分布如圖2所示。由圖2可知，不同內層側絲捻角[ηI]的腐蝕繩股應力分布相同，均表現為以蝕坑長軸為對稱軸的軸對稱分布;高應力區均集中在蝕坑內部及蝕坑短軸方向的蝕坑邊緣并向外發散，低應力區分布在沿蝕坑長軸兩端的蝕坑邊緣，該區域同樣也是繩股受腐蝕后的應力安全區。由圖2還可知，繩股的最大應力和應力分布差值（最大應力和最小應力的差值）均隨內層側絲捻角[ηI]的增加而增大。由上述可知，相同條件下，腐蝕繩股內層側絲捻角越大，應力分布均勻性越差，產生的最大應力值也越大，更容易發生應力屈服，產生疲勞損傷等危險。

拉伸荷載作用下，蝕坑對不同內層側絲捻角多層結構鋼絲繩股承載力的影響如圖3所示。圖中，左側Y軸為無蝕坑條件下不同內層側絲捻角繩股的軸向力，右側Y軸的承載力差值為無蝕坑與有蝕坑條件下繩股軸向力差值。由圖3可知，各類繩股在無蝕坑條件下受拉伸荷載時軸向力均表現為先近似線性增加，其增加速率隨拉伸應變的增大而逐漸減小;軸向力差值均表現為隨拉伸應變的增加而逐漸增大。圖3中，軸向力差值均表現為正值，表明不同捻角繩股軸向承載力均受腐蝕的影響而減小。由圖3還可知，繩股軸向力和承載力均隨內層側絲捻角[ηI]的增大而增大。綜上所述，繩股內層側絲捻角越大，軸向承載力越大，同時其承載能力受腐蝕的影響也更大。

為更深入地探究蝕坑對不同內層側絲捻角繩股的影響，圖4給出了拉伸荷載作用下繩股腐蝕區域應力集中系數隨內層側絲捻角[ηI]變化的曲線。由圖4可知，在拉伸荷載作用下，腐蝕繩股蝕坑區域應力集中系數均隨內層側絲捻角[ηI]的增加而增加。由上述可知，腐蝕對大內層側絲捻角繩股的影響更大。

3 結論

對于不同內層側絲捻角的腐蝕多層結構鋼絲繩股來說，在蝕坑位置相同的條件下，腐蝕區域最大應力值隨捻角的增加而增大，而且該區域應力集中系數隨內層側絲捻角的增加而增加。多層結構鋼絲繩股內層側絲捻角越大，軸向承載力越大，同時其承載能力受腐蝕的影響也越大。

參考文獻：

[1]CHAVES I A，MELCHERS R E.Extreme value analysis for assessing structural reliability of welded offshore steel structures[J].Structural Safety，2014（50）：9-15.

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[8]YOO D Y，SHIN W，CHUN B.Corrosion effect on tensile behavior of ultra-high-performance concrete reinforced with straight steel fibers[J].Cement & Concrete Composites，2020（109）：13.