斜拉索内钢丝间联合工作模式对局部弯曲应力的影响

论文摘要

近年来,研究人员展开一系列理论和试验研究工作,一致认为锚固端弯曲应力集中是造成斜拉索弯曲疲劳的首要因素。但传统采用的用均匀弯曲刚度理论计算弯曲应力大小的方法还远不能满足工程实际的需要。为进一步解决改问题,本文以斜拉索分层滑移理论为基础,充分考虑斜拉索弯曲过程中受到的剪应力的影响,对在轴向拉伸和横向弯曲作用下、索体内产生的应力集中现象展开分析研究。着重从理论和试验方面研究了索内钢丝的联合工作机理,并在此基础上以苏通大桥工程为背景,通过ANSYS有限元分析软件进行了索体的参数化建模。计算了斜拉索在端部强制转角下的分层滑移过程和斜拉索最大弯曲应力的变化规律。论文主要完成了以下工作:1.对斜拉索弯曲疲劳性能研究的现状进行了较深入的调研。归纳总结了世界各国在斜拉索弯曲疲劳方面的理论和试验研究成果,比较了理想柔性索理论、均匀弯曲刚度索理论各自的特点和应用范围,提出了利用分层滑移概念进行斜拉索弯曲性能分析可以更加充分地考虑斜拉索在弯曲过程中所受到的剪应力的影响。2.在理论研究方面,采用微分法和积分法推导了拉索在承受两端张拉力的作用时,拉索内部钢丝层间产生的挤压应力和接触应力的计算公式。3.在试验研究方面,基于摩擦学理论,考虑外荷载、金属表面膜、工况等影响摩擦系数大小的因素,提出了试验室测定和进一步修正镀锌高强钢丝间摩擦系数的方法。4.在数值模拟方面,首次创造性地提出模拟索内钢丝间联合工作模式的计算分析力学模型。为准确分析斜拉索的弯曲应力,提出分层滑移模型以及其有限元实现的方法。实现了对斜拉索弯曲问题分层滑移过程的仿真分析。5.在工程应用方面,以苏通大桥斜拉索作为工程实例,分析了斜拉索分层滑移发生和发展过程以及该过程中最大弯曲应力的变化情况。结果表明,采用分层滑移理论分析斜拉索局部弯曲应力的大小是可行且必要的。本文对进一步研究斜拉索弯曲疲劳问题的机理具有积极的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究背景
• 1.2 现代斜拉索的发展及使用现状
• 1.2.1 斜拉桥及其拉索技术发展历史概述
• 1.2.2 平行钢丝斜拉索受力特点与索体构造
• 1.2.3 斜拉索使用现状及尚需解决的问题
• 1.2.4 斜拉索疲劳问题的研究概况
• 1.3 问题的提出
• 1.4 本文主要研究内容和技术路线
• 1.5 本文的主要贡献
• 第二章 国内外研究现状
• 2.1 引言
• 2.2 理论研究
• 2.3 试验研究
• 2.4 各国规范
• 2.5 小结
• 第三章 斜拉索力学理论基础
• 3.1 引言
• 3.2 理想柔性索理论
• 3.2.1 理论的提出
• 3.2.2 索段的力平衡微分方程
• 3.2.3 索结构线形的悬链线微分解
• 3.2.4 索结构线形的抛物线微分解
• 3.3 均匀弯曲刚度理论
• 3.3.1 单股斜拉索静力方程的求解
• 3.3.2 锚固端为固结时的斜拉索弯曲应力分析
• 3.3.3 装有弹性索套的斜拉索弯曲应力分析
• 3.4 斜拉索分层滑移理论
• 3.4.1 斜拉索中的剪应力
• 3.4.2 斜拉索分层滑移
• 3.5 小结
• 第四章 斜拉索内部钢丝间联合工作模式的研究
• 4.1 引言
• 4.2 正常工作状态下钢丝间的接触应力
• 4.2.1 拉索平行钢丝扭转角紧箍效应
• 4.2.2 切向拉力作用下拉索断面每层钢丝所受正压力计算
• 4.2.3 外裹热挤聚乙烯的紧箍效应
• 4.2.4 钢丝表面的接触应力
• 4.3 斜拉索内部钢丝层间摩擦系数的确定
• 4.3.1 摩擦理论
• 4.3.2 摩擦系数测定试验
• 4.4 平行钢丝间工作机理分析
• 4.4.1 钢丝间工作模式的分析与建模
• 4.4.2 案例计算
• 4.5 小结
• 第五章 斜拉索局部弯曲应力的有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 分层滑移有限元模型的处理
• 5.2.1 模型建立的构想
• 5.2.2 模型的简化
• 5.2.3 刚臂的选取
• 5.2.4 分层的确定
• 5.3 分层滑移的模拟
• 5.3.1 分层的模拟
• 5.3.2 加载方法
• 5.4 有限元分析结果
• 5.4.1 分层滑移过程
• 5.4.2 考虑分层滑移对最大弯曲应力的影响
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文完成的主要工作
• 6.2 本文的主要结果和讨论
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及参与的科研项目