拉索损伤演化机理与剩余使用寿命评估

论文摘要

在斜拉桥结构体系中拉索寿命最短，斜拉桥在其设计基准期内需实施多次换索工程。因此有必要对退化拉索的承载力和剩余使用寿命展开分析，确定最佳换索时间。根据实桥检测研究，钢丝锈蚀和开裂是决定拉索承载力和剩余使用寿命的致命性因素，其它病害对拉索的影响都可以忽略。钢丝损伤的主因是锈蚀，因此将拉索承载力和剩余使用寿命分析过程分解为三个步骤：根据检测结果模拟拉索锈蚀分布；根据钢丝的锈蚀程度确定钢丝的承载力；根据钢丝的承载力评估整索的承载力和剩余使用寿命。为进行拉索锈蚀程度检测，首先根据钢丝外观将钢丝的锈蚀程度划分为8个锈蚀等级。为找出拉索的锈蚀分布规律，对实桥拆换下来的拉索进行了锈蚀程度检测，发现钢丝的锈蚀程度与到护套破损位置的距离有关。在拉索截面表层钢丝的周向上，钢丝的锈蚀程度随到护套破损位置的距离增加而降低；在拉索截面径向上，钢丝的锈蚀程度由外向内逐渐降低。比较相邻钢丝的锈蚀程度变化关系，发现在这两个方向上钢丝的锈蚀程度都是按指数形式递减的。根据以上检测规律确定了拉索截面锈蚀分布模拟方法：首先对护套破损位置暴露出的表层钢丝进行检测，确定这些钢丝的锈蚀程度；根据护套位置钢丝锈蚀程度模拟截面周向上其它钢丝的锈蚀程度；根据截面周向上的钢丝锈蚀程度模拟径向上的钢丝锈蚀程度。钢丝的损伤演化过程包括6个阶段：钢丝完好阶段、镀锌层锈蚀阶段、钢丝均匀锈蚀阶段、钢丝孔蚀阶段、钢丝腐蚀疲劳阶段和钢丝应力腐蚀阶段。在孔蚀阶段、腐蚀疲劳阶段和应力腐蚀阶段，钢丝都可能失效断裂。钢丝在各阶段的失效机理是不同的，但导致钢丝力学性能降低的原因是相同的：钢丝截面积降低或外形改变导致局部应力集中。因此可以用一个模型描述钢丝的损伤演化过程。这个模型包含两个参数：等效裂纹深度和等效截面直径。在钢丝进入腐蚀疲劳阶段以前，钢丝损伤演化模型的两个参数仅与钢丝的锈蚀程度有关，应根据钢丝的锈蚀程度推算。当钢丝达到腐蚀疲劳阶段后，结合锈蚀程度以及腐蚀疲劳裂纹扩展理论分析了等效裂纹深度的计算理论。为计算拉索的承载力，可将拉索简化成一个串并联系统：拉索由高强钢丝并联构成，而高强钢丝由不同锈蚀程度的钢丝单元串联构成。当拉索内锈蚀分布已知，首先根据钢丝损伤演化模型计算钢丝单元的力学性能，然后根掘串并联规律就可得到拉索的承载力。在研究过程中，还发现拉索的承载力不仅与钢丝的强度有关，还与钢丝的伸长率有关。随着拉索的伸长量不断增加，拉索的承载力经历一个先升高，后降低的过程。在这个过程中，极限伸长率低的钢丝不断地断裂失效。拉索的极限承载力由那些极限伸长率相对较高的钢丝提供。为评估拉索的剩余使用寿命，在拉索损伤演化模型中考虑钢丝锈蚀速度的影响，分析拉索在不同寿命下的极限承载力，认为当极限承载力低于拉索的失效判据时拉索就达到了剩余使用寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 问题的提出
• 1.2 拉索系统概述
• 1.2.1 索体
• 1.2.2 锚具
• 1.2.3 防蚀措施
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 拉索锈蚀检测方法
• 1.3.2 缆索用高强钢丝钢丝退化后性能
• 1.3.3 拉索承载力分析方法
• 1.4 研究内容与技术路线
• 第2章 拉索损伤演化机理
• 2.1 拉索损伤
• 2.1.1 索体病害
• 2.1.2 拉索锚头病害
• 2.1.3 其它相关构件病害
• 2.1.4 拉索系统致命性病害
• 2.2 护套损伤演化机理及规律
• 2.2.1 护套老化机理
• 2.2.2 护套应力开裂机理
• 2.2.3 护套损伤的规律
• 2.3 钢丝的微观构造
• 2.4 钢丝锈蚀机理
• 2.4.1 钢丝锈蚀的基本原理
• 2.4.2 钢丝腐蚀的影响因素
• 2.5 退化钢丝拉伸性能
• 2.5.1 钢丝锈蚀程度的量化检测
• 2.5.2 锈蚀钢丝拉伸性能试验
• 2.5.3 退化钢丝断口形貌
• 2.5.4 退化钢丝的拉伸性能
• 2.6 钢丝的疲劳损伤演化规律
• 2.7 钢丝在应力作用下的损伤演化规律
• 2.7.1 钢丝应力腐蚀试验
• 2.7.2 钢丝的腐蚀疲劳损伤演化规律
• 2.8 小结
• 第3章 拉索锈蚀模拟
• 3.1 钢丝锈蚀程度分级标准
• 3.2 拉索锈蚀分布规律
• 3.2.1 石门大桥拉索锈蚀分布检测与试验
• 3.2.2 拉索锈蚀分布成因
• 3.2.3 拉索截面锈蚀分布规律
• 3.2.4 拉索锈蚀分布模拟
• 3.3 镀锌钢丝的锈蚀速度
• 3.4 镀锌层厚度分析
• 3.5 小结
• 第4章 钢丝损伤演化模型
• 4.1 钢丝损伤演化过程
• 4.2 钢丝损伤演化模型
• 4.3 退化钢丝的承载力
• 4.4 钢丝损伤演化模型的参数分析
• 4.4.1 计算方法
• 4.4.2 参数分析
• 4.5 钢丝损伤演化过程模拟
• 4.6 小结
• 第5章 拉索承载力与剩余使用寿命
• 5.1 拉索强度的影响因素
• 5.2 拉索损伤演化模型
• 5.2.1 钢丝单元串联模型
• 5.2.2 钢丝等伸长模型
• 5.2.3 拉索极限承载力
• 5.3 拉索的损伤演化过程模拟
• 5.3.1 拉索失效判据
• 5.3.2 拉索的损伤演化过程模拟
• 5.3.3 拉索的剩余使用寿命
• 5.4 小结
• 第6章 实例研究
• 6.1 研究对象简介
• 6.2 拉索损伤演化模型检验
• 6.2.1 退化拉索试验方法
• 6.2.2 试验结果
• 6.2.3 拉索损伤演化模型验证
• 6.3 拉索寿命计算
• 6.4 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 主要研究结论与创新点
• 7.2 进一步研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果