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拱桥吊杆力学行为及损伤退化研究
| 论文题名： | 拱桥吊杆力学行为及损伤退化研究 |
| 关键词： | 系杆拱桥;吊杆病害;钢丝损伤;内力分布 |
| 摘要： | 既有拱桥检测结果表明吊杆是拱桥易损构件之一。在目前发现的拱桥病害中，吊杆病害占绝大部分；这些病害导致吊杆力学性能退化，耐久性降低，使用寿命严重缩短。因此，研究吊杆力学行为、吊杆损伤退化机理及吊杆承载力及剩余使用寿命评估方法，对拱桥吊杆的设计改进和正常使用状态的维护具有科学和工程应用价值。吊杆是由钢丝所组成的串并联系统，钢丝的力学行为控制着吊杆结构整体的力学行为。在环境腐蚀及真实加载历程下，吊杆内各层钢丝力学性能会发生不同程度的损伤退化，使得吊杆承载力发生一定程度的折减。研究表明，护套损伤、钢丝锈蚀和开裂是吊杆损伤退化的主要机理。钢丝几何形状是导致其力学性能退化的关键因素之一，钢丝横截面几何形状的改变主要由均匀腐蚀和孔蚀的程度决定。 本文根据退化钢丝荷载位移包络图建立了退化钢丝理论损伤模型及双折线近似计算方法。从实桥调查及研究结果来看，对短吊杆截面应力分布规律影响较大的是振动、温度、腐蚀和疲劳等主要因素。通过推导桥面竖向、纵向振动及温差荷载作用下损伤吊杆截面应力分布规律发现：桥面振动及温差荷载引起的短吊杆截面应力不均匀分布现象非常明显，表层各钢丝应力相差较大；但随到吊杆表面距离的增加，应力不均匀现象逐步减弱。其中，桥面竖向振动引起的吊杆最大应力幅约占恒载的11％，而纵向振动引起的吊杆最大应力幅约占恒载的3％，而局部温差荷载引起的吊杆最大应力幅约占恒载的4％，整体温差荷载引起的吊杆最大应力增量约占恒载的10％。同时，车速、车辆振动频率以及修正的驱动频率对短吊杆横截面应力的影响较显著，参与因子较高；而高阶振型对应的吊杆应力较小，可忽略。通过理论推导、有限元模拟及参数敏感性分析研究了钢丝脆断后吊杆截面内力重分布规律，并探讨了钢丝间摩擦系数、护套握裹力等参数与影响长度、吊杆拉力损失率之间的相互关系。研究表明：断丝后，在影响长度内各钢丝拉力分布不均匀，与断丝相邻的外层未断钢丝拉力增大，而与断丝对立的钢丝拉力减小，其余钢丝拉力变化不显著；而在影响长度外，各钢丝拉力分布又变为均匀。随到断裂处距离的增加，断丝拉力呈指数或线性增加，而与断丝相邻钢丝则呈指数或线性衰减。最后，通过模拟吊杆截面内断丝演化过程，总结出断丝演化规律：断丝演化过程受钢丝腐蚀状况及内力不均匀分布影响显著；断丝从腐蚀最严重受力最大的钢丝开始，先沿同一层演化，再逐层递进。 |
| 作者： | 李元兵 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 张启伟 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 同济大学土木工程学院 |
| 学位年度： | 2008 |
| 正文语种： | 中文 |
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