側向沖擊荷載作用下鋼絲繩動力響應試驗?

馮竹君，王秀麗，胡 義，王賽龍，姚 勇，褚云朋

（1.蘭州理工大學土木工程學院 蘭州，730050）（2.中國十七冶集團有限公司 蘭州，730050）（3.西南科技大學工程材料與結構沖擊振動四川省重點實驗室 綿陽，621010）

引言

鋼絲繩因其良好的承載能力和變形能力使得其應用領域越來越多樣化［1-7］。通常，其在自重相對較小的情況下具有很高的承載力。繩索結構使鋼絲繩能夠在一根或多根鋼絲斷裂的情況下繼續承載［8］。

鋼絲繩在應用過程中常會受到沖擊作用而發生失效。Krishnadev 等［9］的研究結果表明，與拉伸試驗相比，沖擊試驗能更好地評估鋼絲繩的脆性斷裂敏感性，鋼絲繩應用需考慮動態載荷的作用。Ren等［10］研究了鋼絲繩在沖擊荷載下的失效模式，并給出了安全使用鋼絲繩的建議。Sun 等［11］通過爆破試驗研究了新型錨索的抗沖擊性能。任志乾等［12］針對單股鋼絲繩在受到沖擊載荷作用下的失效問題，通過建立鋼絲繩的三維有限元模型，對靜載荷和沖擊載荷下的鋼絲繩內部鋼絲的受力進行了計算。Zheng 等［13］通過預應力鋼索沖擊響應譜計算，研究了激勵持續時間和阻尼比對沖擊響應譜的影響。以上研究多集中于鋼絲繩的軸向沖擊方面，針對鋼絲繩的側向抗沖擊性能研究較少。

筆者通過縮尺試驗，考慮鋼絲繩表面狀態及材質，研究不同直徑的單根鋼絲繩在螺栓連接和卡扣連接2 種連接方式下的側向抗沖擊性能，以及交叉鋼絲繩網在沖擊荷載下的動力響應，為工程應用提供參考。

1 試驗研究

由于實際工程中的鋼絲繩多暴露在大氣環境中或處于復雜的地區環境下，常存在防腐蝕和耐久性問題。不銹鋼和熱鍍鋅鋼絲繩是工程中常用的2 種材料，這2 種不同的表面處理方式都能在一定程度上減緩鋼絲繩的腐蝕問題。故本次試驗中采用光面304 不銹鋼和熱鍍鋅碳素鋼2 種表面狀態及材質的鋼絲繩，對比其抗沖擊性能差異。考慮不同直徑對鋼絲繩抗沖擊性能的影響，以及實際工程中因條件限制等因素存在不同的連接方式，試驗根據不同的表面狀態及材質、直徑和連接方式等共設計8 個試驗工況。

1.1 試驗裝置

試驗在蘭州理工大學結構實驗室沖擊試驗臺上進行，沖擊試驗裝置如圖1 所示。試驗臺總高度為5.2 m，軌道長度為7.9 m，坡度為42°。試驗中的沖擊物是直徑分別為100，150，200 和300 mm 的實心鋼球，對應的質量分別為4.11，13.87，32.87 和110.92 kg，這里分別用M1，M2，M3和M4表示。

圖1 沖擊試驗裝置Fig.1 Impact test apparatus

1.2 試件設計

縮尺試驗是在研究構件或結構的力學性能時的一種常用手段。以常用于實際柔性防護工程中直徑為28 mm 的鋼絲繩為例，按照鋼絲繩截面積1/5 的幾何縮尺進行試件設計。實際試驗中選取直徑為12 mm 的鋼絲繩，同時，對比考慮直徑為8 mm 的鋼絲繩抗沖擊性能，分析不同直徑對鋼絲繩抗沖擊性能的影響。鋼絲繩長度為1 500 mm。2 種直徑的鋼絲繩長徑比為125 和187.5，滿足一般細長索的要求。

沖擊試驗的試件具體參數如表1 所示。表1 中，鋼絲繩公稱抗拉強度均為1 770 MPa。試件編號中第1 部分SS 代表304 不銹鋼絲繩，HG 代表熱鍍鋅鋼絲繩；第2 部分數字代表鋼絲繩直徑（mm）；第3部分代表鋼絲繩組合形式，N 表示交叉鋼絲繩網，否則為單根鋼絲繩。根據文獻［14-15］，得到直徑分別為8 mm 和12 mm 的不銹鋼絲繩理論最小破斷力分別為40.1 kN 和85.6 kN；12 mm 的熱鍍鋅鋼絲繩理論最小破斷力為84.6 kN。

表1 試件具體參數Tab.1 Specimen list

1.3 力學性能試驗

多數研究在進行鋼絲繩彈性模量測試時選用拆股成單根鋼絲的拉伸試驗，此種試驗不能完整表現出整股鋼絲繩的彈性變形規律，故本試驗直接對完整的鋼絲繩股進行拉伸，研究其真實變形規律。根據鋼絲繩不同的材料，分別制作了3 個直徑為8 mm和3 個直徑為12 mm 的光面304 不銹鋼拉伸試樣，以及3 個直徑為12 mm 的熱鍍鋅碳素鋼拉伸試樣，共9 個拉伸試樣，每個試樣總長為500 mm。拉伸過程中用型號為YYU-25/100 的電子引伸計測量鋼絲繩的彈性變形。采用上海華龍廠家制造的型號為WAW-2000 的電液伺服萬能試驗機進行拉伸試驗。鋼絲繩彈性模量Es的計算公式［16］為

其中：Le為引伸計標距長度；F30%為30%的鋼絲繩最小破斷拉力；F10%為10%的鋼絲繩最小破斷拉力；Ac為鋼絲繩計算金屬橫截面積；x2為F30%的力對應的引伸計讀數；x1為F10%的力對應的引伸計讀數。

圖2 為鋼絲繩拉伸前后對照圖。由圖2 可知，鋼絲繩斷裂位置均發生在試件中部，且鋼絲繩實測破斷力均大于規范規定的理論計算值，說明拉伸試驗有效。經拉伸試驗后得到鋼絲繩拉伸力學性能參數如表2 所示。試件編號的第1 部分SS 代表不銹鋼絲繩，HG 代表熱鍍鋅鋼絲繩；第2 部分數字代表鋼絲繩直徑（mm）；第3 部分T1，T2，T3代表拉伸試件，每組3 個。

表2 鋼絲繩拉伸力學性能參數Tab.2 Tensile mechanical properties of wire rope

圖2 鋼絲繩拉伸前后對照圖Fig.2 Comparison of wire ropes before and after stretching

由表2 可知，針對304 不銹鋼絲繩，直徑的改變對彈性模量影響較小。針對同直徑的鋼絲繩，相比304 不銹鋼絲繩，熱鍍鋅鋼絲繩的彈性模量增幅較明顯，平均增幅達到53.99%。說明相同荷載條件下熱鍍鋅鋼絲繩的彈性變形較小，更容易進入塑性變形階段。但是，兩者的破斷拉力結果相差不大。不同的表面狀態及材質只影響鋼絲繩彈性階段的變形能力，而對鋼絲繩靜力承載能力影響不大。

1.4 沖擊試驗

試驗中將提前制作好的試件安裝在構件支撐架上面，利用坡道滾落的鋼球施加沖擊荷載。目前，工程中常用的索力測量方法有壓力表法、錨索計測試法、振動法和磁通量法。其中：壓力表法只能測試緩慢張拉過程中的索力變化；錨索計測試操作不便，自身重量較大，不適于本試驗；振動法只能測試輕微振動后產生的索力，不適于強沖擊下的索力測試；磁通量法測試頻率過低，不適于短時沖擊荷載的測量。從試驗量測的可行性考慮，本次試驗選取直接在鋼絲繩表面粘貼應變片的方法來測定鋼絲繩的動態應變，并研究其傳力規律。固定加速度傳感器用來測試受沖擊后鋼絲繩的加速度變化。連接位移傳感器測試鋼絲繩的變形。試驗使用江蘇東華測試技術股份有限公司DHDAS 動態信號采集系統，DH5922采集儀進行數據采集。

1.4.1 測點布置及裝置

單根鋼絲繩測點布置如圖3 所示，圖中短粗實線代表應變片，空心圓代表位移傳感器，空心三角形代表加速度傳感器。S1，S2和S3代表3 個應變片，A1，A2和A3代表3 個加速度傳感器，D1，D2和D3代表3 個位移傳感器。電阻應變片型號為BX120-5AA，量程為±20 000 με。加速度傳感器類型為IEPE 壓電式傳感器，型號為1A531E，量程為5 000g。位移傳感器采用德國ASM 拉繩式位移傳感器，型號為CLMD2-AJ1A8P01250 和CLMD1-AJ1A8P01750，量程分別為250 mm 和750 mm。

圖3 單根鋼絲繩測點布置圖（單位：mm）Fig.3 Arrangement of measuring points of single wire rope(unit:mm)

鋼絲繩網沖擊試驗結合實際考慮三邊支撐連接，鋼絲繩網測點布置如圖4 所示。表面粘貼S1～S12共12 個應變片，從下往上連接A1，A2和A3共3 個加速度傳感器和D1，D2和D3共3 個位移傳感器。

圖4 鋼絲繩網測點布置圖（單位：mm）Fig.4 Layout of measuring points of wire rope net (unit:mm)

1.4.2 加載方案

單根鋼絲繩沖擊試驗如圖5 所示。圖中，鋼絲繩沖擊點均為鋼絲繩中點。在進行單根鋼絲繩沖擊試驗時，針對直徑為8 mm 的304 不銹鋼絲繩，對比鋼絲繩在螺栓連接和卡扣連接下的動力響應，研究不同連接方式對鋼絲繩抗沖擊性能的影響。針對直徑為12 mm 的螺栓連接的鋼絲繩，對比304 不銹鋼絲繩和熱鍍鋅鋼絲繩的動力響應，研究不同表面狀態及材質對鋼絲繩抗沖擊性能影響。針對螺栓連接方式下的304 不銹鋼絲繩，對比不同直徑的鋼絲繩動力響應，研究不同直徑對鋼絲繩抗沖擊性能影響。

圖5 單根鋼絲繩沖擊試驗Fig.5 Single wire rope impact test

在進行鋼絲繩網沖擊試驗時，考慮不同連接方式，分別進行了3×3 鋼絲繩網和4×4 鋼絲繩網的沖擊試驗，對比在相同沖擊荷載作用下不同連接方式的鋼絲繩網抗沖擊性能的影響。3×3 鋼絲繩沖擊點為網格中部縱橫鋼絲繩交叉中心點，4×4 鋼絲繩網沖擊點為由下往上第2 根和第3 根橫向鋼絲繩中點，分別將沖擊工況定義為N2-1 和N2-2。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象

受沖擊載荷后鋼絲繩的破壞形態如圖6 所示。如圖6（a）所示，單根鋼絲繩受M2質量沖擊時，只發生沖擊部位的局部損傷。如圖6（b）所示，受M4質量沖擊時，鋼絲繩斷裂。如圖6（c）所示，鋼絲繩網受沖擊后主要發生連接端部失效現象，鋼絲繩網HG-12-N2-2 在受M3質量沖擊時，從下往上第3 根鋼絲繩端部脫開。如圖6（d）所示，鋼絲繩網SS-12-N2-2 在受M4質量沖擊時，從下往上第3 根鋼絲繩端部脫開。

圖6 鋼絲繩破壞形態Fig.6 Failure modes of wire rope

試驗中不同連接方式的鋼絲繩網受沖擊后的動力響應存在明顯差異，螺栓連接的鋼絲繩網變形較小，震蕩劇烈。卡扣連接的鋼絲繩網變形較大，震蕩較緩慢。隨著沖擊物質量的增大，2 種連接方式下鋼絲繩網均發生連接處脫開的失效破壞，但鋼絲繩未發生斷裂。

2.2 應變結果分析

因沖擊過程中鋼絲繩受沖擊荷載后振動劇烈，導致多個應變片損壞，僅給出有效的幾個應變值。圖7 為單根鋼絲繩應變時程曲線。試件SS-8-1 受不同沖擊物質量沖擊時，S1應變片的應變時程曲線如圖7（a）所示。由圖可知，隨著沖擊物質量的增大，相同應變片的應變增大，波動幅度也越大，但是波動頻率變慢。試件SS-8-2 受不同沖擊物質量沖擊時，S1應變片的應變時程曲線如圖7（b）所示。可以看出，應變曲線振動頻率變慢，波峰包含的面積增大。可見，同直徑的304 不銹鋼絲繩在不同連接方式下受沖擊荷載時，卡扣連接的鋼絲繩變形能力和耗能能力相較螺栓連接的鋼絲繩大。

圖7 單根鋼絲繩應變時程曲線Fig.7 Strain time history curve of single wire rope

試件SS-12-1 受不同沖擊物質量沖擊時，S3應變片的應變時程曲線如圖7（c）所示。可以看出，隨著沖擊物質量的增大，相同測點的應變增大，波動幅度也越大，但是波動頻率變慢。試件HG-12-1 受不同沖擊物質量沖擊時，S3應變片的應變時程曲線如圖7（d）所示。對比圖7（c）和（d）可知，相同直徑螺栓連接的鋼絲繩在受沖擊荷載時，304 不銹鋼和熱鍍鋅鋼絲繩應變變化規律差別不大，說明表面狀態及材質對鋼絲繩的抗沖擊性能影響不大。

試件SS-8-1 應變片S3因應變過大而損傷，試件SS-12-1 應變片S1因應變過大而損傷。由此可知，螺栓連接的304 不銹鋼絲繩，相同沖擊物質量沖擊時直徑越小的鋼絲繩中部應變值較大，直徑越大的鋼絲繩端部應變值較大。這是因為材料相同時直徑較小的鋼絲繩本身剛度較小，在受到沖擊時局部發生損傷甚至斷裂，故沖擊點處的應變較大。隨著直徑增大，鋼絲繩剛度變大，在受到沖擊時局部損傷不明顯也不會發生斷裂，故沖擊點處的應變較小。

由鋼絲繩網受不同質量沖擊時各點的峰值應變εmax結果可知，對比3×3 的鋼絲繩網，在沖擊質量較大時，螺栓連接的鋼絲繩網主要為沖擊荷載所在橫向鋼絲繩受力，卡扣連接的鋼絲繩網主要為沖擊荷載所在的縱橫向鋼絲繩同時受力，受力較均勻。對比4×4 的鋼絲繩網，在沖擊質量較大時，沖擊從下往上第2 根橫向鋼絲繩時，2 種連接方式下鋼絲繩網均為沖擊點附近及與之相連鋼絲繩邊界處受力較大。在沖擊從下往上第3 根橫向鋼絲繩時，2 種連接方式下鋼絲繩網沖擊點附近受力較大。

2.3 位移結果分析

單根鋼絲繩位移傳感器D2的位移時程曲線如圖8 所示。可以看出，鋼絲繩的變形經歷了3 個重要階段，分別是正向變形、反向回彈變形和最終殘余變形。定義3 個特征值分別為正向峰值位移um、反向回彈峰值位移uRm和最終殘余位移up。

圖8 單根鋼絲繩位移傳感器D2位移時程曲線Fig.8 Displacement time history curve of single wire rope displacement sensor D2

如圖8（a）所示，由于位移計拉線被震斷，僅測到試件SS-8-1 在M2質量沖擊時，位移傳感器D2的um值為15.25 mm，uRm值達到72.66 mm，up值為3.89 mm。在M4質量沖擊時試件發生斷裂，試件SS-8-2 受不同沖擊物質量沖擊時，位移傳感器D2的位移時程曲線如圖8（b）所示，隨著沖擊物質量的增大，uRm值增大，相同測點殘余位移up值也越來越大。在M2質量沖擊時，um值為33.01 mm，uRm值為50.23 mm，up值達到8.52 mm。在M4質量沖擊時試件同樣發生斷裂。綜上，同直徑的304 不銹鋼絲繩在受相同沖擊荷載時，卡扣連接的鋼絲繩最終殘余位移比螺栓連接的更大，振動頻率更低。其原因是螺栓連接的鋼絲繩初始狀態存在的軸向約束力強于卡扣連接。因軸力的效果是顯著減少鋼絲繩的最終變形［17］，則可知螺栓連接的鋼絲繩變形較小。

試件SS-12-1 受不同沖擊物質量沖擊時，位移傳感器D2的位移時程曲線如圖8（c）所示。由圖可知，在沖擊質量較小時，鋼絲繩發生彈性變形，且uRm值比um值大，振動頻率較高，鋼絲繩主要通過回彈變形進行耗能。在M1質量沖擊時，um值為16.87 mm，uRm值達到42.71 mm。在M2質量沖擊時，um值為18.63 mm，uRm值達到45.15 mm，up值為0.949 mm。在M3質量沖擊時，um較大，um值為53.76 mm，uRm值為41.32 mm，鋼絲繩產生殘余變形，殘余位移up值達到42.16 mm，同時波動頻率變慢。由試件SS-12-1 和試件SS-8-1 對比結果可知，相同沖擊物質量沖擊時，直徑越小的鋼絲繩變形越大。

試件HG-12-1 在M1質量沖擊時位移傳感器D2的um值為19.28 mm，uRm值達到48.80 mm，up值為0.945 mm。對比試件SS-12-1 在相同沖擊物質量沖擊下的位移結果，兩者相差不大。由此可知，表面狀態及材質對鋼絲繩的抗沖擊性能影響不大。

由于篇幅所限，僅給出試件SS-12-N1和HG-12-N13 個測點位移時程曲線。M1質量沖擊時鋼絲繩網位移時程曲線如圖9 所示。由圖可知，螺栓連接的鋼絲繩網在受M1質量沖擊荷載時振動頻率較卡扣連接的鋼絲繩高。2 種鋼絲繩網都經歷了3 個階段，包括沖擊之初的正向變形um，然后發生回彈變形uRm，最終產生殘余變形up。卡扣連接的鋼絲繩網殘余變形比螺栓連接的鋼絲繩網大。這是因為卡扣連接的鋼絲繩網受沖擊時，鋼絲繩經歷張緊到受力的過程，最終產生的變形等于鋼絲繩張緊所需的變形與實際受力產生的變形之和。

圖9 M1質量沖擊時鋼絲繩網位移時程曲線Fig.9 Displacement time history curve of mass M1 impact wire rope net

對比鋼絲繩網2 種不同的連接方式，螺栓連接的鋼絲繩網最終殘余變形up較小，但是正向峰值位移um和反向回彈峰值位移uRm較大。這說明螺栓連接的鋼絲繩網主要通過彈性變形耗能，而卡扣連接的鋼絲繩網主要通過塑性變形耗能。

2.4 加速度結果分析

圖10 為單根鋼絲繩加速度傳感器A1的加速度時程曲線，可以看出，鋼絲繩加速度幅值均隨沖擊物質量的增加而增大。試件SS-8-1 受不同沖擊物質量沖擊時，加速度傳感器A1的加速度時程曲線如圖10（a）所示。由圖可知，在M4質量沖擊下，A1加速度幅值達1 451.53g，同時鋼絲繩發生斷裂。試件SS-8 mm-2 受不同沖擊物質量沖擊時，A1的加速度時程曲線如圖10（b）所示。由圖可知，在M4質量沖擊下，A1加速度幅值為865.40g。由以上對比可知，相同直徑的304 不銹鋼絲繩受沖擊荷載時，相較于螺栓連接的304 不銹鋼絲繩，卡扣連接時鋼絲繩的加速度幅值更小。試件SS-12-1 受不同沖擊物質量沖擊時，A1的加速度時程曲線如圖10（c）所示。由圖可知，在M3質量沖擊下，A1加速度幅值為1 245.52g。由以上對比可知，304不銹鋼絲繩受相同質量小球沖擊時，直徑越大的鋼絲繩加速度越大。

圖10 單根鋼絲繩加速度傳感器A1的加速度時程曲線Fig.10 Acceleration time history curve of single wire rope acceleration sensor A1

由于試驗中加速度值超限或傳輸線損壞等原因，僅給出M2質量沖擊鋼絲繩網加速度時程曲線，如圖11 所示。由圖可知，沖擊荷載所在的橫向鋼絲繩加速度值A1最大，最上方橫向鋼絲繩加速度值A3最小，加速度值A2介于兩者之間。對比相同工況，螺栓連接的鋼絲繩網振動更劇烈。其原因為螺栓連接的鋼絲繩網初始受到的約束軸力值較卡扣連接的大，相同條件下，軸力越大的構件加速度也越大。

圖11 M2質量沖擊鋼絲繩網加速度時程曲線Fig.11 Acceleration time history curve of mass M2 impact wire rope net

3 結論

1）單根鋼絲繩受沖擊荷載后振動較劇烈，會發生明顯的反向回彈變形，回彈變形較正向變形大。在沖擊物質量較小時，只發生沖擊部位的局部損傷，在沖擊物質量較大時，鋼絲繩斷裂。表面狀態及材質對鋼絲繩的抗沖擊性能影響不大，對鋼絲繩抗沖擊性能影響較大的因素是連接方式，卡扣連接的鋼絲繩變形能力和耗能能力相較螺栓連接的鋼絲繩大。

2）隨著沖擊物質量的增大，相同測點的應變增大，波動幅度也越大，但是波動頻率變慢。對于單根鋼絲繩，相同沖擊物質量沖擊時，直徑越小的鋼絲繩中部應變值較大，直徑越大的鋼絲繩端部應變值較大。

3）不同連接方式的鋼絲繩網受沖擊后的動力響應存在明顯差異，螺栓連接的鋼絲繩網變形較小，振動頻率較快。卡扣連接的鋼絲繩網變形較大，振動頻率較慢。螺栓連接的鋼絲繩網主要通過彈性變形耗能，而卡扣連接的鋼絲繩網主要通過塑性變形耗能。卡扣連接的鋼絲繩經歷了由松弛狀態到繃緊狀態再到受荷狀態3 個不同的階段，最終變形相較螺栓連接的鋼絲繩大。

4）對比2 種不同的連接方式，鋼絲繩網主要發生沖擊點處的局部損傷和鋼絲繩端部連接失效。卡扣連接的鋼絲繩網受沖擊荷載時容易失效，連接可靠度低。相較于螺栓連接的鋼絲繩，卡扣連接時單根鋼絲繩的加速度幅值更小。