蚀坑对不同捻角钢丝绳股力学性能的影响研究

秦玮

摘 要：为揭示不同捻角钢丝绳股受腐蚀后产生的蚀坑对其拉伸力学性能的影响，本研究对腐蚀绳股进行拉伸力学性能仿真，分析了蚀坑对不同捻角腐蚀绳股应力特性和轴向承载特性等力学性能的影响。结果表明，腐蚀绳股蚀坑内产生了明显的应力集中，且蚀坑的存在会降低绳股的承载性能。绳股最大应力、应力集中系数均随绳股捻角的增大而增大。

关键词：力学性能;蚀坑;捻角;有限元仿真

中图分类号：TD532文献标识码：A文章编号：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

鋼丝绳被广泛应用于工程作业中，而长期在酸性等恶劣环境下服役的钢丝绳极易被腐蚀[1]，使其服役性能降低甚至发生断裂[2-3]。所以，对腐蚀引起的钢丝绳性能变化规律进行探究，对于确保工程作业安全有着重要意义。

钢丝绳受腐蚀后造成的表面缺陷将降低其抗拉性能，对此，学者进行了相关研究。受腐钢结构件的拉伸加载试验表明，受腐钢结构件应变硬化随加载时间的增加逐渐变得平缓[4]，其应变速率效应和承载力与腐蚀率表现为反比关系[5-7]，并存在一个腐蚀临界值，超过该值，拉伸性能受腐蚀的影响会显著增大[8]。

对于受腐钢丝绳的服役性能，诸多学者已开展了相关研究，但他们研究的大多数为钢丝等结构相对简单的对象。而被广泛应用的钢丝绳股具有结构复杂、受腐蚀后蚀坑参数多变、计入蚀坑后建模困难等特点，因而深入研究服役性能受腐蚀影响的较少。对此，本研究建立了具有不同内层侧丝捻角的腐蚀多层结构钢丝绳股的几何模型（蚀坑均位于外层侧丝外轮廓），并对其进行拉伸载荷作用下的有限元仿真，探究了蚀坑对不同捻角钢丝绳股承载特性和应力特性等力学性能的影响，以明确钢丝绳股服役特性受腐蚀的影响。

1 有限元建模

为探究蚀坑对不同捻角多层结构钢丝绳股的影响，本文建立了不同内层侧丝捻角的腐蚀绳股模型，几何参数如表1所示。其中，绳股蚀坑位于绳股外层侧丝外轮廓位置，几何模型如图1所示。同时，对其极限拉伸载荷进行有限元分析，以此来探究蚀坑对不同内层侧丝捻角多层结构钢丝绳股性能的影响。

2 结果与讨论

拉伸载荷下，不同内层侧丝捻角受腐多层结构钢丝绳股的应力分布如图2所示。由图2可知，不同内层侧丝捻角[ηI]的腐蚀绳股应力分布相同，均表现为以蚀坑长轴为对称轴的轴对称分布;高应力区均集中在蚀坑内部及蚀坑短轴方向的蚀坑边缘并向外发散，低应力区分布在沿蚀坑长轴两端的蚀坑边缘，该区域同样也是绳股受腐蚀后的应力安全区。由图2还可知，绳股的最大应力和应力分布差值（最大应力和最小应力的差值）均随内层侧丝捻角[ηI]的增加而增大。由上述可知，相同条件下，腐蚀绳股内层侧丝捻角越大，应力分布均匀性越差，产生的最大应力值也越大，更容易发生应力屈服，产生疲劳损伤等危险。

拉伸荷载作用下，蚀坑对不同内层侧丝捻角多层结构钢丝绳股承载力的影响如图3所示。图中，左侧Y轴为无蚀坑条件下不同内层侧丝捻角绳股的轴向力，右侧Y轴的承载力差值为无蚀坑与有蚀坑条件下绳股轴向力差值。由图3可知，各类绳股在无蚀坑条件下受拉伸荷载时轴向力均表现为先近似线性增加，其增加速率随拉伸应变的增大而逐渐减小;轴向力差值均表现为随拉伸应变的增加而逐渐增大。图3中，轴向力差值均表现为正值，表明不同捻角绳股轴向承载力均受腐蚀的影响而减小。由图3还可知，绳股轴向力和承载力均随内层侧丝捻角[ηI]的增大而增大。综上所述，绳股内层侧丝捻角越大，轴向承载力越大，同时其承载能力受腐蚀的影响也更大。

為更深入地探究蚀坑对不同内层侧丝捻角绳股的影响，图4给出了拉伸荷载作用下绳股腐蚀区域应力集中系数随内层侧丝捻角[ηI]变化的曲线。由图4可知，在拉伸荷载作用下，腐蚀绳股蚀坑区域应力集中系数均随内层侧丝捻角[ηI]的增加而增加。由上述可知，腐蚀对大内层侧丝捻角绳股的影响更大。

3 结论

对于不同内层侧丝捻角的腐蚀多层结构钢丝绳股来说，在蚀坑位置相同的条件下，腐蚀区域最大应力值随捻角的增加而增大，而且该区域应力集中系数随内层侧丝捻角的增加而增加。多层结构钢丝绳股内层侧丝捻角越大，轴向承载力越大，同时其承载能力受腐蚀的影响也越大。

参考文献：

[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.

[2]SHU Q J，WANG K J，YUAN G L，et al.Assessing capacity of corroded angle members in steel structures based on experiment and simulation[J].Construction and Building Materials，2020（244）：15.

[3]ZHANG W P，SONG X B，GU X L，et al.Tensile and fatigue behavior of corroded rebars[J].Construction and Building Materials，2012（34）：409-417.

[4]XU J，CHEN W Z.Behavior of wires in parallel wire stayed cable under general corrosion effects[J].Journal of Constructional Steel Research，2013（85）：40-47.

[5]ZHANG M Y，NAOKI N，MITSUYOSHI A，et al.Effect of the correlation of steel corrosion in the transverse direction between tensile rebars on the structural performance of RC beams[J].Construction and Building Materials，2020（264）：120678.

[6]BEAULIEU L V，LEGERON F，LANGLOIS S.Compression strength of corroded steel angle members[J].Journal of Constructional Steel Research，2010（11）：1366-1373.

[7]ZHANG W P，CHEN H，GU X L.Tensile behaviour of corroded steel bars under different strain rates[J].Magazine of Concrete Research，2016（3）：127-140.

[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.