悬索桥主鞍座内钢丝复杂应力状态及其极限承载力分析
作者单位：西南交通大学
学位级别：硕士
导师姓名：沈锐利
授予年度：2022年
主 题：悬索桥 鞍座 主缆 钢丝 极限承载力 断裂 材料匹配 腐蚀
摘 要：作为悬索桥的关键承载结构,主缆在通过索鞍实现跨间平顺过渡的同时,将在鞍槽内作用强大的挤压力。随着悬索桥的设计跨度突破2000m,上层钢丝对下层钢丝的径向压力作用以及底层钢丝与鞍槽间的竖向压力作用愈发显著,但目前设计人员将钢丝的受力状态视为单向受拉状态,与鞍座内钢丝实际受力状态并不一致,因而探明复杂应力对钢丝极限承载力的影响极为必要。基于此,本文采用数值模拟的研究方法,对鞍座内钢丝极限承载力的变化规律及影响因素进行了系统的分析,主要研究工作如下:(1)以离散体钢丝及鞍座为研究对象,从几何构造和力学过程的角度对实际问题进行简化,并对接触关系的模拟、材料损伤破坏的定义以及求解的算法过程进行阐述,建立鞍座内钢丝极限承载力数值模型,为后续参数研究提供基本分析方法。结果表明:延性金属损伤本构模型以单元达到材料极限应力时对应的等效塑性应变作为损伤累积的起始点,以损伤失效位移作为单元失效的判定准则,可有效模拟复杂应力状态对结构极限承载力的影响,实现鞍座内钢丝断裂全过程分析。(2)基于对国内外悬索桥主缆尺寸的分析,考虑鞍座半径及鞍座内钢丝位置对钢丝极限承载力的影响,通过多工况的数值模拟,对不同应力状态下钢丝的断裂过程、断裂位置及极限承载力的发展规律等关键问题展开深入研究,并结合鞍座及钢丝的塑性发展趋势、鞍槽压入深度等参数,评价设计荷载下鞍座、钢丝的损伤程度。结果表明:在复杂应力状态下,钢丝与钢丝间、钢丝与鞍座间的接触挤压作用增强,造成钢丝最不利截面第三主应变显著增大,导致钢丝的断裂;随着鞍槽底面圆弧半径的减小,鞍座内钢丝极限承载力退化比率呈线性增大的发展趋势,但整体变化幅度较小;随着高度的增加,来自上部钢丝的径向总压力逐渐减小,钢丝极限承载力退化比率呈下降趋势,钢丝塑性变形分布由集中分布过渡为均匀分布,即钢丝受力状态由复杂应力状态过渡为单向拉伸应力状态。(3)考虑不同材料性能下钢丝与鞍座间接触摩擦作用的差异对结构实际受力及变形状态的影响,对不同钢丝、鞍座材料下钢丝极限承载力、塑性区域及鞍座应力、塑性区域的变化规律展开深入研究,并对钢丝与鞍座材料性能的合理匹配提供判断依据。结果表明:随着钢丝标准抗拉强度的提高,鞍座内底层钢丝极限承载力退化比率呈上升趋势,但总体涨幅较小;鞍座材料对钢丝极限承载力基本无影响,其根本原因是过大的接触应力导致鞍槽先于钢丝发生塑性变形,使得截面最不利位置由钢丝与钢丝接触面控制;若以设计荷载下鞍槽塑性区域比例小于10%作为评判材料匹配度好坏的标准,ZG200-400H和ZG230-450H鞍座材料均无法与现行主缆高强钢丝材料匹配。(4)基于1860MPa级高强钢丝加速腐蚀实验数据,建立不同腐蚀度下腐蚀坑随机分布的钢丝几何模型,分析复杂应力状态下鞍座内腐蚀钢丝的破坏模式、极限承载力以及塑性发展规律,为鞍座内腐蚀钢丝的工作性能评估提供依据。结果表明:随着腐蚀坑的增大,裂纹萌发于钢丝与钢丝接触面附近的重叠腐蚀坑区域,并沿其圆心连线迅速扩展,腐蚀坑的随机分布对钢丝纵向断裂位置影响较大;在复杂应力状态和腐蚀的联合作用下,钢丝极限承载力将进一步降低,当腐蚀度?(29)11.46%时,复杂应力状态对腐蚀钢丝极限承载力的影响极大,使钢丝在远小于屈服强度的拉力下脆性破坏。
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