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原文传递钢索蠕变本构模型研究及其应用

论文题名：	钢索蠕变本构模型研究及其应用
关键词：	钢索;蠕变本构模型;数值模拟
摘要：	索杆张力结构在体育场馆、交通建筑等大型公共建筑结构中有着相当广泛的应用，保证这类结构的安全尤为重要。作为主要结构构件的钢索，在长期拉伸荷载的作用下，其蠕变效应会造成预应力松弛。而张力结构的刚度来源于预应力，预应力松弛会导致结构应力重分布，对结构的力学性能产生影响，甚至会造成结构的适用性与安全性问题。因此，研究钢索的蠕变性能，同时对结构进行考虑蠕变的时变分析对结构的设计和维护具有重要的意义。　　论文简要介绍了目前各类钢索蠕变性能的研究进展，总结了钢丝及各类钢索在高温或常温条件下的蠕变本构模型。为了得到常温条件下钢索的长期蠕变数据，并以此为基础对钢索的蠕变本构模型展开研究，设计并开展了小直径钢索的长期蠕变试验。记录和整理了蠕变应变数据，得到了不同预应力水平下的时间-蠕变应变曲线。　　利用微分几何理论中的Frenet标架建立了7×19钢丝绳考虑间隙的几何模型，推导了钢丝间点接触位置。在ANSYS中建立了该钢索的细观数值模型。采用修正的时间强化模型作为钢丝的蠕变本构模型，对钢索的蠕变效应进行了数值模拟。并将数值模拟的结果与试验结果对比，以验证该细观数值模型的准确性。其后，分析和讨论了影响蠕变效应的各种因素，包括钢丝之间的摩擦力、钢丝间和层间的间隙大小、钢丝的捻角等。　　采用粘弹性理论对蠕变效应作理论分析，以Kelvin链模型为基础对蠕变试验的数据进行拟合。为了考虑钢索蠕变特性的非线性，对Kelvin链模型作了改进，得到了解析形式的钢索蠕变本构方程。进一步推导了蠕变应变的迭代计算公式，并编写MATLAB程序验证了该公式在各种荷载条件下的准确性。利用ANSYS等有限元软件的用户自编程功能，可进行相应的二次开发。　　最后，介绍了张力结构考虑钢索蠕变的设计方法和常用的预应力补偿方法。以索网和索穹顶结构作为算例，进行了时变性能分析和设计。分析结果表明蠕变效应不仅会造成结构的应力松弛，同时对结构的位移也有较大影响。因此，准确的结构健康检测和及时的预应力补偿是必不可少的。
作者：	张威加
专业：	结构工程
导师：	袁行飞
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2021