Введение в зависимое от времени поведение в производстве стали

Престрессовые сухожилия и стержни являются основой многих современных конструкций, от мостов с длинным пролетом до высотных гаражей. Помещая сталь под постоянное сжимающее усилие, инженеры могут противодействовать растягивающим напряжениям, которым не может противостоять один бетон. Однако за десятилетия службы два различных, но взаимосвязанных зависящих от времени явления & #8212; ползучесть и усталость & #8212; могут ухудшить престрессовую сталь. Хотя оба могут привести к потере силы престресса, инициированию трещин или внезапному разрыву, они возникают из-за различных условий нагрузки и микроструктурных механизмов. Глубокое понимание ползучести и усталости имеет важное значение для проектирования более безопасных структур, планирования значимых интервалов осмотра и продления срока службы. В этой статье исследуются физические истоки, влияющие факторы, методы измерения и стратегии смягчения ползучести и усталости в предварительных напряженных стальных компонентах.

Что такое крик в престрессовой стали?

Крип — это зависящая от времени необратимая деформация материала при постоянном или медленно меняющемся напряжении ниже предела текучести. Для предварительного натяжения стали ползучесть проявляется как постепенное удлинение сухожилия. Это удлинение снижает эффективную силу престресса (так называемая потеря престресса), которая, в свою очередь, может увеличить растягивающие напряжения в бетоне, расширить трещины и уменьшить структурную жесткость. Ползучесть в стали наиболее выражена при повышенных температурах (выше примерно 0,3 до 0,4 точки плавления в Кельвине), но для типичных сред моста (0—40 °C) ползучесть все еще происходит с более медленной, но измеримой скоростью.

Штамм ползучести обычно описывается в три этапа:

  • Первичный (переходный) ползучесть: Скорость деформации быстро уменьшается со временем по мере перемещения и перегруппировки дислокаций.
  • Вторичный (устойчивый) ползучесть: Преобладает постоянная скорость деформации, управляемая диффузионно-контролируемым вывихом.
  • Третичный ползучесть: Скорость деформации ускоряется из-за склеивания, коалесценции микропустоты или кавитации границы зерна, что приводит к разрыву.

При типичных уровнях престресса (от 0,6 до 0,8 раз превышающих предел прочности на растяжение) сталь работает в основном в режиме первичного и раннего вторичного ползучести, с незначительным третичным ползучестью, если температура не становится повышенной.

Факторы, которые влияют на Creep в производстве стали

Скорость ползучести зависит от нескольких ключевых параметров:

  • Уровень стресса: Штамм крипа увеличивается нелинейно при приложенном стрессе. Более высокий начальный предстресс ускоряет потери ползучести.
  • Температура:] Даже умеренное повышение температуры (например, солнечное нагревание сухожилий моста) может удвоить или утроить скорость ползучести. На каждые 10-15 °C увеличение скорости ползучести может повышаться в два-три раза.
  • Стальной состав и микроструктура: Закаленные и закаленные высокопрочные стали (например, ASTM A416) имеют более тонкие зерновые структуры, которые улучшают сопротивление ползучести по сравнению с нормализованными сортами. Легирующие элементы, такие как хром, ванадий и молибден, помогают вывихам штифта.
  • Релаксация от стресса: В то время как ползучесть обусловлена напряжением, релаксация от стресса является дополнительным явлением, когда стресс распадается при постоянном напряжении. Системы стресса испытывают оба одновременно; стандарты часто рассматривают их вместе как комбинированную потерю от стресса.

Международные коды проектирования (ACI 318, AASHTO LRFD) предоставляют эмпирические формулы для оценки потерь ползучести на основе исходного соотношения напряжений к силе и температуры окружающей среды. Например, руководство по дизайну PCI (Precast / Prestressed Concrete Institute) рекомендует коэффициент ползучести, который учитывает температуру и уровень стресса. Руководство по дизайну PCI .

Понимание усталости в стрессовой стали

Усталость — прогрессирующее, локализованное структурное повреждение, возникающее при циклической нагрузке материала. При предварительном нагрузке стали утомляющее повреждение проявляется как инициация и медленный рост одной или нескольких трещин, которые в конечном итоге могут распространиться до критического размера и вызвать внезапный, хрупкий перелом. Усталость является ведущей причиной отказа в сухожилиях мостов и парковочных сооружений, испытывающих колеблющиеся живые нагрузки, ветер и вибрацию.

Процесс усталости делится на три этапа:

  • Спуск крэка: В точках концентрации напряжения (например, дефекты поверхности, коррозионные ямы, натяжение якорных стоянок) после определенного количества циклов образуются микроскопически мелкие трещины.
  • Распространение трещины: Трещина растет постепенно с каждым циклом нагрузки. Скорость роста может быть описана законом Парижа: da/dN = C (ΔK)^m, где ΔK — диапазон интенсивности напряжения, а C, m — материальные константы.
  • Окончательный перелом: Как только трещина достигает критической длины, оставшееся поперечное сечение больше не может нести пиковую нагрузку, и сухожилие разрывается.

Усталость нагружается в напряженных структурах

Типичные усталостные нагрузки включают:

  • Вибрации, вызванные движением, и живые нагрузки на мостах (осевые нагрузки, движущиеся транспортные средства).
  • Ветровые колебания на кабельных или подвесных мостах.
  • Тепловой цикл из-за ежедневного солнечного излучения.
  • Машинно-индуцированные вибрации в промышленных структурах.

Усталостная прочность предварительно напрягаемой стали определяется пределом выносливости — амплитудой напряжения, ниже которой сталь теоретически может выдерживать бесконечное количество циклов. Для высокопрочных преднапрягающих нитей предел выносливости обычно составляет около 10-20% от предельной прочности на растяжение (UTS) при 2 × 106 циклах в воздухе, но значительно уменьшается в коррозионной среде (коррозионная усталость).

Усталость против стресс-коррозионного виража

Важно отличать усталость от стресс-коррозионного крекинга (SCC). Хотя оба включают в себя крекинг при растягивании, SCC приводится в действие конкретной коррозионной средой и статическим напряжением, а не циклической нагрузкой. Однако на практике оба могут взаимодействовать: ранее существовавшие коррозионные ямы действуют как усилители стресса, которые значительно снижают усталость — явление, известное как коррозионная усталость. NIST исследование коррозионной усталости высокопрочных стальных проводов предоставляет ценные данные об этом взаимодействии.

Основные различия между грязью и усталостью

Хотя оба являются зависящими от времени механизмами отказа, ползучесть и усталость принципиально различаются по своим причинам и проявлениям:

Aspect Creep Fatigue
Loading type Constant or slowly varying stress Cyclic (repeated) stress
Deformation Gradual, permanent elongation (strain increase) Localized crack growth; minimal overall deformation until fracture
Time to failure Often long-term (months to decades) except at high temperatures Can occur in a few thousand cycles (e.g., high-amplitude loading) or many millions
Temperature sensitivity Highly sensitive; rate increases exponentially with temperature Less sensitive, but elevated temperature can accelerate
Failure mode Necking, cavitation, ductile rupture (if tertiary stage reached) Brittle fracture at a localized crack
Primary mitigation Reduce sustained stress, use creep-resistant alloys, control temperature Minimize stress ranges, avoid stress concentrations, protect from corrosion

В приложениях предварительного напряжения два явления могут действовать одновременно, особенно на мостах, где устойчивая мертвая нагрузка (производя ползучесть) сочетается с повторяющимися живыми нагрузками (производя усталость).Полевые исследования показывают, что потери ползучести могут уменьшить среднюю нагрузку на сухожилия, что несколько снижает амплитуду напряжения и может фактически продлить жизнь усталости, но этот компромисс сложен и должен оцениваться в каждом конкретном случае. Отчет FHWA о производительности предварительно напряженного бетонного моста обсуждает такие взаимодействия.

Влияние на структурную целостность и срок службы

Как ползучесть, так и усталость имеют прямые последствия для безопасности и производительности бетонных конструкций:

  • Уменьшение престресса: Ползучесть в сочетании со стальной релаксацией может снизить эффективный престресс на 10-20% по сравнению с сроком службы конструкции. Это приводит к более широким трещинам, увеличению отклонения и снижению прочности сдвига.
  • Повышенный риск коррозии: Более широкие трещины от потери престресса позволяют влаге и хлоридам достигать стали, ускоряя пропитку и коррозионную усталость.
  • Внезапный катастрофический сбой: Переломы усталости обычно происходят без предупреждения, так как трещины растут внутри, пока оставшаяся секция сетки не сможет больше нести пиковую нагрузку.Одна сломанная нить может перегружать соседние нити, вызывая каскадный сбой.
  • Снижение пластичности: Ползучесть может вызывать кавитацию границы зерна, обтягивая сталь и уменьшая ее способность деформироваться до разрушения.

Примеры таких рисков иллюстрируют тематические исследования. Крах моста Мьёса (Норвегия) в 1990 году был связан с усталостью от престрессовых сухожилий в сочетании с коррозией. Исследования показали, что недостаточный дренаж и обледенение соли создали коррозионную среду, которая резко сократила срок службы усталости нитей. Совсем недавно несколько бетонных мостов после натяжения в Соединенных Штатах были модернизированы после того, как проверки обнаружили сломанные провода в несвязанных сухожилиях, приписанные сочетанию коррозионной усталости и хрупкости водорода.

Методы испытаний и измерений

Надежная оценка ползучести и усталости требует специализированного тестирования как в лабораторных, так и в полевых условиях.

Крип-тестирование

Стандартные тесты на ползучесть (например, ASTM E139) включают применение постоянной растягивающей нагрузки на образец стали при контролируемой температуре при постоянном мониторинге удлинения. Для предварительного напряжённости прядей производители регулярно тестируют расслабление напряжения (связанное с ним явление) путем загрузки нити к целевой силе и затем удерживая её на постоянной длине при измерении распада силы в течение 1000 часов. Результаты экстраполируются для прогнозирования 50-летних потерь. Поскольку ползучесть сильно зависит от температуры, тесты часто проводятся при 20 °C, 30 °C и 40 °C для разработки моделей энергии активации.

Тестирование усталости

Испытания на усталость (ASTM E466, E468) подвергают сталь синусоидальному циклу напряжения (обычно между минимальной и максимальной нагрузкой) на частоте 1-20 Гц. Для предварительного натяжения нитей проводятся испытания на 7-проводных нитей с креплениями для репликации реальных условий переноса нагрузки. Число циклов к отказу регистрируется для различных амплитуд напряжения, производя кривую S-N (срок службы напряжения). Поскольку условия окружающей среды играют важную роль, все чаще встречаются ускоренные испытания на коррозионную усталость (например, в солевом спрее или под катодной защитой). Стандартная практика ASTM E466 для проведения испытаний на постоянную амплитуду постоянной амплитуды осевой усталости с контролем силы предлагает широко используемый протокол.

Неразрушающая оценка (NDE) в полевых условиях

Для служебных конструкций прямое измерение ползучести и усталостного повреждения является сложной задачей. Инженеры полагаются на:

  • Акустическая эмиссия (AE): Обнаружение высокочастотного звука разрывов проводов или роста трещин в реальном времени во время загрузки.
  • Утечка магнитного потока: Обнаружение участков разорванных проводов в несвязанных сухожилиях путем сканирования протока магнитом.
  • Стреновые датчики и волоконно-оптические датчики: Мониторинг долгосрочных ползучих штаммов в бетоне, прилегающем к сухожилиям.
  • Эхо-импакт и ультразвуковая томография: Выявление пустот в затираемых протоках, которые могут привести к коррозии и усталости.

Стратегии смягчения в дизайне и обслуживании

Для устранения ползучести и усталости требуется многослойный подход от выбора материала до долгосрочного мониторинга.

Меры материального уровня

  • Используйте сталь с доказанным низким уровнем релаксации (LR). нити ASTM A416 «низкого расслабления» подвергаются термомеханической обработке, которая уменьшает долгосрочные потери до 60% по сравнению со прястями, снимаемыми под напряжением.
  • Укажите мелкозернистые микролегированные стали (с ванадием, ниобием или титаном) для повышения сопротивления ползучести.
  • Нанесите защитные покрытия (цинковое цинкование, эпоксидное покрытие или коррозионно-стойкие сплавы) для смягчения коррозионной усталости.

Меры на уровне проектирования

  • Ограничьте максимальный устойчивый стресс до уровня ниже 70% от UTS, чтобы оставаться в режиме первичного ползучего.
  • Обеспечить адекватное бетонное покрытие и дренаж для предотвращения накопления влаги на якорных стоянках сухожилий.
  • Используйте параболические или драпированные профили сухожилий, чтобы уменьшить диапазоны напряжения в критических секциях.
  • Для элементов моста, имеющих критическую усталость, проектируйте диапазон напряжений живой нагрузки ниже предела усталости постоянной амплитуды (CAFL) для марки стали.
  • Детальные крепления и соединители для минимизации концентрации стресса; плавные переходы и обстреленные поверхности могут улучшить жизнь усталости в 2-5 раз.

Инспекция и техническое обслуживание

  • Внедрить программу проверки на основе рисков с интервалами в зависимости от возраста, объема трафика и воздействия на окружающую среду.
  • Проводить периодические визуальные осмотры на предмет окрашивания ржавчины, растрескивания бетона вблизи креплений или открытых проводов.
  • Используйте методы неразрушающего контроля, как описано выше, особенно в зонах высокого риска, таких как нижняя часть мостовых колод и расширительные соединения.
  • При обнаружении сломанных проводов пораженное сухожилие следует разрядить и заменить, если это возможно, или дополнить внешним предварительным натяжением.
  • Сохранение документации потерь в предстрессовой ситуации с течением времени путем мониторинга сил разгона и периодического нагрузочного тестирования.

Будущие тенденции и направления исследований

Текущие исследования направлены на улучшение нашего понимания и управления ползучестью и усталостью в предварительном напряжении стали:

  • Вероятностные модели жизненного цикла: Передовые статистические модели (например, байесовские сети) сочетают накопление ползучести и усталостного повреждения с прогрессированием коррозии для более точного прогнозирования оставшегося срока службы.
  • Высокопроизводительные стали: Новые металлургические маршруты, такие как закалка и самовозбуждение (QST) и термомеханическая контролируемая обработка (TMCP), производят стали с более тонкими микроструктурами, которые устойчивы как к ползучести, так и к усталости.
  • Умный мониторинг: Встроенные датчики решётки Брэгга (FBG) могут непрерывно измерять напряжение и температуру, позволяя в режиме реального времени оценивать потери при стрессе и раннее обнаружение аномального поведения.
  • Цифровые близнецы: Структурные цифровые близнецы объединяют данные датчиков, записи осмотра и модели материалов для моделирования эволюции ползучести и усталости, поддерживая техническое обслуживание на основе условий.
  • Машинное обучение для S-N кривых: Исследователи используют нейронные сети, обученные на больших базах данных результатов теста на усталость, чтобы предсказать жизнь усталости для новых стальных композиций и сред. Обзор приложений машинного обучения в прогнозировании усталости жизни подчеркивает потенциал.

Заключение

Ползучесть и усталость являются двумя наиболее важными долгосрочными механизмами деградации для предварительного нажатия на стальные компоненты. Ползучесть медленно разрушает силу предварительного сжатия, в то время как усталость может образовывать ядра и выращивать трещины, которые приводят к внезапному перелому. Их эффекты усиливаются факторами окружающей среды, такими как температура и коррозионные агенты. Инженеры должны учитывать оба явления на каждом этапе - выбор материала, проектирование, строительство и техническое обслуживание - чтобы гарантировать, что предварительно напряженные структуры остаются безопасными и пригодными для их предполагаемого срока службы. Интегрируя передовые методы тестирования, мониторинга и моделирования, промышленность может двигаться к более устойчивой инфраструктуре, которая выдерживает испытание временем и повторную нагрузку.

Для дальнейшего чтения обратитесь к ACI 209.2R-08 на ползучесть и усадку, AASHTO LRFD Bridge Design Specifications для конструкции усталости и Руководящая спецификация Института после натяжения для выпуклого постнапряжения для конкретных деталей снижения коррозионной усталости.