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悬索桥吊索钢丝的概率疲劳断裂行为分析
| 论文题名： | 悬索桥吊索钢丝的概率疲劳断裂行为分析 |
| 关键词： | 悬索桥;吊索钢丝;S-N曲线;疲劳裂纹扩展;跨尺度裂纹模型;约束应力区 |
| 摘要： | 桥梁在投入使用过程中,由于长期受到交变拉应力的循环作用,产生疲劳损伤是在所难免的。悬索桥是一种被广泛运用的桥型,吊索作为全桥结构受力的重要组成部分,必须具有足够的抵抗疲劳损伤的能力。 表面很光滑的材料实际上其内部存在着许多肉眼不可见的微观细小裂纹。内部连续均匀的材料是不容易发生疲劳损伤的,内部的不连续会导致应力集中等不利现象。材料内部存在的缺陷是导致材料发生疲劳并最后发生断裂的最主要原因。由于交变荷载的作用以及环境的影响,构件中尺寸及其细小的微观缺陷逐渐发展成宏观裂纹并最终导致构件断裂失效。大量的研究证明材料的疲劳破坏过程其实是一个连续的物理过程。在整个疲劳过程中,建立力学方程时必须考虑到跨尺度问题,即从微观尺度到宏观尺度的变换问题。材料的疲劳过程是一个从微观尺度转化到宏观尺度的力学过程。对于迄今已修建的悬索桥,虽然很少出现严重的结构破坏现象,但是由于各种原因导致悬索桥提前进行换索也对生产通行造成了极大的不便并使经济蒙受巨大损失。 本文首先总结了过去常用的疲劳分析方法,并在此基础上采用一种新的跨尺度分析的模型来对材料疲劳性能,尤其是材料疲劳寿命进行研究。影响材料疲劳性能的因素有很多,通过实验和以往的研究总结出了以下几个方面:材料的微观几何特性,最大的循环应力,循环应力幅值大小,以及材料损伤的演化模式等。本文主要致力于探讨以上几种因素对材料疲劳性能(主要是疲劳寿命)的影响。 首先建立疲劳问题的跨尺度模型,通过分析确定出模型中的未知参量。由于材料的初始缺陷无法准确测量,假定其服从某一正态分布。分析取定其均值和方差后利用跨尺度模型进行计算,将计算结果与实验结果进行对比,以检验跨尺度模型的有效性。然后,采用模型计算不同最大循环应力,不同循环特征和不同损伤演化模式下的α-N(即裂纹长度-循环次数)曲线。最后结合工程实例来对悬索桥吊索钢丝的疲劳断裂机理进行初步研究,并对含不同初始缺陷及不同应力情况下的钢丝的疲劳寿命进行预测。本文以张家界澧水大桥为工程背景,采用有限元软件ANSYS建立全桥整体有限元模型,计算出桥梁营运过程中所有吊索的应力水平,再考虑其他因素(如结构徐变,风荷载等)引起的吊索附加效应(张紧或松弛),通过综合分析定出实际运营时吊索钢丝跨尺度模型中的基本参数取值范围。最后,利用跨尺度疲劳模型,分析计算悬索桥吊索钢丝的疲劳断裂行为,并对各影响因素进行分析讨论,得出一些对于工程应用具有指导意义的研究结论。 |
| 作者： | 张晓波 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 唐雪松;李传习 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长沙理工大学 |
| 学位年度： | 2012 |
| 正文语种： | 中文 |
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