大跨度斜拉桥拉索钢丝跨尺度疲劳断裂行为研究

论文摘要

由于桥梁技术的发展,在大跨度桥梁中斜拉桥和悬索桥被广泛应用。拉索作为这两种桥型最主要的受力构件,由于环境及自身各种复杂因素（如环境侵蚀、自然灾害、荷载长期效应、疲劳效应、材料老化）的影响,将不可避免地造成结构的损伤积累和抗力降低,甚至超过索力本身的承载力而导致结构破坏。由此引发的灾难性事件,给人民生命安全带来危害,给社会财富造成巨大损失。因此,对拉索进行疲劳断裂行为研究己经成为工程领域内的研究热点问题。本文阐述了疲劳断裂行为的研究现状,总结了已有疲劳断裂行为研究的方法及其特点。在此基础上,采用跨尺度疲劳断裂模型对斜拉桥拉索钢丝疲劳断裂行为进行研究与分析。本文主要工作,是基于约束应力区概念建立了跨尺度裂纹模型,求得宏/微观跨尺度应力强度因子K mmiaccrroo的解析表达式。然后,以跨尺度应变能密度因子S mmiaccrroo作为从宏观到微观裂纹扩展的控制参量,建立了跨尺度疲劳裂纹扩展模型。疲劳破坏全过程可用该模型进行统一描述,而不必划分成疲劳裂纹形成与扩展两个不同阶段,采用不同的理论分别进行分析。以LY12铝合金板为例,采用上述模型,精确拟合出不同循环特征下的S-N试验曲线。当考虑材料微结构的影响时,疲劳试验数据的发散性也可拟合出来。研究表明,材料初始缺陷及微结构在疲劳过程中的演化特性,对于构件的疲劳寿命有显著影响,是疲劳试验数据发散的主要原因。最后,以李家沙特大桥为工程背景,利用MIDAS建立了全桥有限元模型。对李家沙特大桥拉索不同荷载工况下的受力状况进行了详细分析,并对拉索中钢丝的疲劳断裂行为及其影响因素进行了分析计算。计算结果表明,跨尺度疲劳裂纹扩展统一可以有效描述斜拉桥拉索钢丝从宏观到微观的疲劳破坏全过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 拉索钢丝疲劳断裂的危害
• 1.2 拉索钢丝疲劳分析的目的与意义
• 1.3 国内外研究现状分析与存在的问题
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 疲劳断裂分析的基本理论与方法
• 2.1 疲劳损伤积累理论
• 2.1.1 线性疲劳损伤积累理论
• 2.1.2 双线性疲劳损伤积累理论
• 2.1.3 概率疲劳累积损伤理论
• 2.2 Paris 公式的一般修正及应用
• 2.2.1 Paris 公式与传统应力疲劳S-N 曲线的关系
• 2.2.2 应用Paris 公式进行疲劳裂纹扩展寿命预测的一般过程
• 2.3 损伤力学方法
• 2.4 多尺度疲劳断裂分析方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 疲劳裂纹扩展行为的跨尺度分析方法
• 3.1 跨尺度疲劳裂纹扩展模型概述
• 3.1.1 约束应力区的概念
• 3.1.2 宏/微观跨尺度疲劳裂纹扩展统一模型
• 3.2 计算S-N 曲线与试验结果的比较
• 3.3 微观效应对疲劳裂纹扩展行为的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 李家沙特大桥整体有限元分析与索力计算
• 4.1 李家沙特大桥基本概况
• 4.2 拉索钢丝应力分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 拉索钢丝跨尺度疲劳行为分析
• 5.1 确定宏观和微观的材料参数
• 5.2 拉索钢丝疲劳断裂影响因素分析
• 5.2.1 初始缺陷的影响
• 5.2.2 拉索张紧和松弛效应的影响
• 5.2.3 钢丝微结构参数的影响
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A
• 一、攻读学位期间发表的论文
• 二、攻读学位期间参加的科研与实践工作