懸索橋吊索疲勞裂紋擴展行為研究.pdf

1、橋梁營運中，由于吊桿系統(tǒng)受到氣候、氧化、腐蝕、老化等因素影響，以及長期在靜載和動載作用下，會發(fā)生損耗，甚至斷裂。根據斷裂力學理論，任何構件中都存在各種探傷手段難以完全發(fā)現的細小裂紋，在受到疲勞載荷或應力腐蝕作用下，會逐漸擴展至達臨界值而導致構件斷裂。隨著具有吊索體系的橋梁修建的越來越多，吊桿(拉索)作為結構主要受力構件，其疲勞問題日顯突出。 現有疲勞分析理論存在的主要問題是，將疲勞過程這一連續(xù)的物理過程人為劃分成疲勞裂紋形成與疲

2、勞裂紋擴展，采用截然不同的理論與方法分別進行分析與計算。近年來，許多研究者都力圖用適當的力學模型分析疲勞裂紋擴展，并由此得到疲勞裂紋擴展速率的描述方法。近年來，介觀斷裂力學的一個最新研究進展就是建立了一個跨宏微觀尺度的介觀裂紋模型，提出用跨尺度的介觀應力強度及局部能量密度來描述疲勞進程的損傷。本論文的核心內容就是基于宏/微觀跨尺度裂紋模型，以杭州江東大橋為工程背景，對其吊桿鋼絲的疲勞裂紋擴展行為展開分析討論。 本文在總結已有斷裂

3、力學理論相關研究方法的基礎上，以杭州江東大橋自錨式懸索橋為工程背景，對含裂紋吊桿高強鋼絲的斷裂機理進行了闡述，并對含不同裂紋形狀和大小的鋼絲的斷裂強度進行了理論計算。然后在已知索力的情況下，考慮到預張拉、松馳等效應的影響，對吊桿中鋼絲的應力水平與變化幅度進行分析計算，根據吊桿鋼絲的疲勞設計壽命，擬合出疲勞模型參數，建立宏/微觀跨尺度裂紋模型，對吊桿鋼絲的疲勞裂紋擴展行為進行分析。最后，根據理論分析結果和以往工程經驗，對吊桿(拉索)疲勞壽

4、命設計、使用與維護策略提出相應的建議。本文的主要研究工作如下： (1)在仔細研究相關中外文獻的基礎上，對各種金屬材料的疲勞裂紋擴展的研究結果進行了分析和總結，對金屬疲勞裂紋擴展的一般規(guī)律、影響因素以及微觀機制進行了簡單闡述。 (2)對含裂紋高強鋼絲的斷裂機理進行闡述，介紹了兩種含裂紋高強鋼絲斷裂強度的計算方法，結合工程實際，對含不同臨界尺寸裂紋的鋼絲的斷裂強度進行計算： (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，對全橋各根吊索及其中的高強鋼絲不同設計工況下的受力情況進行詳細計算； (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展統(tǒng)一模型da/dN=A(Smacromicro)n，對江東大橋吊桿高強鋼絲的疲勞斷裂行為進行分析與探討： (5)分析討論不同的微觀缺陷形態(tài)對鋼絲疲勞壽命的影響，以及吊索預張拉與松馳效應的影響等； (6)根據理論計算結果和以往工程實踐