懸索橋吊索疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究.pdf

1、橋梁營(yíng)運(yùn)中，由于吊桿系統(tǒng)受到氣候、氧化、腐蝕、老化等因素影響，以及長(zhǎng)期在靜載和動(dòng)載作用下，會(huì)發(fā)生損耗，甚至斷裂。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，任何構(gòu)件中都存在各種探傷手段難以完全發(fā)現(xiàn)的細(xì)小裂紋，在受到疲勞載荷或應(yīng)力腐蝕作用下，會(huì)逐漸擴(kuò)展至達(dá)臨界值而導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。隨著具有吊索體系的橋梁修建的越來(lái)越多，吊桿(拉索)作為結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件，其疲勞問(wèn)題日顯突出。 現(xiàn)有疲勞分析理論存在的主要問(wèn)題是，將疲勞過(guò)程這一連續(xù)的物理過(guò)程人為劃分成疲勞裂紋形成與疲

2、勞裂紋擴(kuò)展，采用截然不同的理論與方法分別進(jìn)行分析與計(jì)算。近年來(lái)，許多研究者都力圖用適當(dāng)?shù)牧W(xué)模型分析疲勞裂紋擴(kuò)展，并由此得到疲勞裂紋擴(kuò)展速率的描述方法。近年來(lái)，介觀斷裂力學(xué)的一個(gè)最新研究進(jìn)展就是建立了一個(gè)跨宏微觀尺度的介觀裂紋模型，提出用跨尺度的介觀應(yīng)力強(qiáng)度及局部能量密度來(lái)描述疲勞進(jìn)程的損傷。本論文的核心內(nèi)容就是基于宏/微觀跨尺度裂紋模型，以杭州江東大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)其吊桿鋼絲的疲勞裂紋擴(kuò)展行為展開(kāi)分析討論。 本文在總結(jié)已有斷裂

3、力學(xué)理論相關(guān)研究方法的基礎(chǔ)上，以杭州江東大橋自錨式懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)含裂紋吊桿高強(qiáng)鋼絲的斷裂機(jī)理進(jìn)行了闡述，并對(duì)含不同裂紋形狀和大小的鋼絲的斷裂強(qiáng)度進(jìn)行了理論計(jì)算。然后在已知索力的情況下，考慮到預(yù)張拉、松馳等效應(yīng)的影響，對(duì)吊桿中鋼絲的應(yīng)力水平與變化幅度進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)吊桿鋼絲的疲勞設(shè)計(jì)壽命，擬合出疲勞模型參數(shù)，建立宏/微觀跨尺度裂紋模型，對(duì)吊桿鋼絲的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行分析。最后，根據(jù)理論分析結(jié)果和以往工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)吊桿(拉索)疲勞壽

4、命設(shè)計(jì)、使用與維護(hù)策略提出相應(yīng)的建議。本文的主要研究工作如下： (1)在仔細(xì)研究相關(guān)中外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)各種金屬材料的疲勞裂紋擴(kuò)展的研究結(jié)果進(jìn)行了分析和總結(jié)，對(duì)金屬疲勞裂紋擴(kuò)展的一般規(guī)律、影響因素以及微觀機(jī)制進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述。 (2)對(duì)含裂紋高強(qiáng)鋼絲的斷裂機(jī)理進(jìn)行闡述，介紹了兩種含裂紋高強(qiáng)鋼絲斷裂強(qiáng)度的計(jì)算方法，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)含不同臨界尺寸裂紋的鋼絲的斷裂強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算： (3)利用大型通用有限元程序ANSYS，建

5、立江東大橋整體有限元模型，對(duì)全橋各根吊索及其中的高強(qiáng)鋼絲不同設(shè)計(jì)工況下的受力情況進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算； (4)以介觀局部能量密度因子Smacro micro作為控制參量，采用跨尺度疲勞裂紋擴(kuò)展統(tǒng)一模型da/dN=A(Smacromicro)n，對(duì)江東大橋吊桿高強(qiáng)鋼絲的疲勞斷裂行為進(jìn)行分析與探討： (5)分析討論不同的微觀缺陷形態(tài)對(duì)鋼絲疲勞壽命的影響，以及吊索預(yù)張拉與松馳效應(yīng)的影響等； (6)根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果和以往工程實(shí)踐