悬索桥吊索疲劳裂纹扩展行为研究

【摘要】： 桥梁营运中,由于吊杆系统受到气候、氧化、腐蚀、老化等因素影响,以及长期在静载和动载作用下,会发生损耗,甚至断裂。根据断裂力学理论,任何构件中都存在各种探伤手段难以完全发现的细小裂纹,在受到疲劳载荷或应力腐蚀作用下,会逐渐扩展至达临界值而导致构件断裂。随着具有吊索体系的桥梁修建的越来越多,吊杆(拉索)作为结构主要受力构件,其疲劳问题日显突出。 现有疲劳分析理论存在的主要问题是,将疲劳过程这一连续的物理过程人为划分成疲劳裂纹形成与疲劳裂纹扩展,采用截然不同的理论与方法分别进行分析与计算。近年来,许多研究者都力图用适当的力学模型分析疲劳裂纹扩展,并由此得到疲劳裂纹扩展速率的描述方法。近年来,介观断裂力学的一个最新研究进展就是建立了一个跨宏微观尺度的介观裂纹模型,提出用跨尺度的介观应力强度及局部能量密度来描述疲劳进程的损伤。本论文的核心内容就是基于宏/微观跨尺度裂纹模型,以杭州江东大桥为工程背景,对其吊杆钢丝的疲劳裂纹扩展行为展开分析讨论。 本文在总结已有断裂力学理论相关研究方法的基础上,以杭州江东大桥自锚式悬索桥为工程背景,对含裂纹吊杆高强钢丝的断裂机理进行了阐述,并对含不同裂纹形状和大小的钢丝的断裂强度进行了理论计算。然后在已知索力的情况下,考虑到预张拉、松驰等效应的影响,对吊杆中钢丝的应力水平与变化幅度进行分析计算,根据吊杆钢丝的疲劳设计寿命,拟合出疲劳模型参数,建立宏/微观跨尺度裂纹模型,对吊杆钢丝的疲劳裂纹扩展行为进行分析。最后,根据理论分析结果和以往工程经验,对吊杆(拉索)疲劳寿命设计、使用与维护策略提出相应的建议。本文的主要研究工作如下: (1)在仔细研究相关中外文献的基础上,对各种金属材料的疲劳裂纹扩展的研究结果进行了分析和总结,对金属疲劳裂纹扩展的一般规律、影响因素以及微观机制进行了简单阐述。 (2)对含裂纹高强钢丝的断裂机理进行阐述,介绍了两种含裂纹高强钢丝断裂强度的计算方法,结合工程实际,对含不同临界尺寸裂纹的钢丝的断裂强度进行计算; (3)利用大型通用有限元程序ANSYS,建立江东大桥整体有限元模型,对全桥各根吊索及其中的高强钢丝不同设计工况下的受力情况进行详细计算; (4)以介观局部能量密度因子S mmiaccrroo作为控制参量,采用跨尺度疲劳裂纹扩展统一模型da / dN = A( Smmiaccrroo )n,对江东大桥吊杆高强钢丝的疲劳断裂行为进行分析与探讨; (5)分析讨论不同的微观缺陷形态对钢丝疲劳寿命的影响,以及吊索预张拉与松驰效应的影响等; (6)根据理论计算结果和以往工程实践经验,对吊杆(拉索)疲劳寿命设计、使用与维护策略提出相应的建议。