基于拉索半精細化有限元模型的拉索彎曲及斷絲研究.pdf

1、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)自引入我國之后得到了飛速發(fā)展，各類橋梁以及房屋建筑領(lǐng)域的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)有些已服役數(shù)十年。而在服役期間環(huán)境侵蝕、材料老化等人為或自然等災(zāi)害因素將不可避免地導(dǎo)致拉索這一關(guān)鍵構(gòu)件的損傷累積和抗力衰減，索體的健康工作和壽命等方面的研究逐步受到廣泛關(guān)注。本文對建筑結(jié)構(gòu)中常用拉索的基本力學(xué)性能、彎曲承載性能、索體內(nèi)部鋼絲相互作用規(guī)律及拉索斷絲退化等性能開展了系統(tǒng)深入的分析研究，取得了一些具有科學(xué)意義和參考價值的研究成果：
　　在鋼絞線精

2、細化模擬方面：依據(jù)實際拉索內(nèi)部鋼絲螺旋向牽引的特點提出了附加“加載段”的改進型邊界條件，采用顯示有限元分析軟件建立了七絲鋼絞線精細化有限元模型；研究了鋼絞線張拉過程中鋼絲間接觸應(yīng)力的變化、接觸摩擦的影響、鋼絲的彈塑性發(fā)展和不同加載邊界的影響；進行了鋼絞線在自由彎曲和約束彎曲狀態(tài)下的模擬，研究了彎曲過程中鋼絲內(nèi)力和局部接觸內(nèi)力的變化規(guī)律；并論證了預(yù)應(yīng)力水平、接觸摩擦力以及彎曲程度對鋼絞線側(cè)向承載性能及彎曲剛度的影響規(guī)律。從索內(nèi)鋼絲力學(xué)性能

3、的角度系統(tǒng)的掌握鋼絞線軸向拉伸及彎曲性能，為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中鋼絞線的精細化分析及設(shè)計提供基礎(chǔ)。
　　拉索內(nèi)部鋼絲的絞捻特性以及鋼絲之間的滑移等相互作用使得其整體抗彎剛度具有變化特性。因此本課題對結(jié)構(gòu)工程中常用的拉索：半平行鋼絲束、鋼絞線束和高釩索進行彎曲加載試驗，測定了結(jié)構(gòu)常用索在端部自由、端部焊接以及不同程度預(yù)應(yīng)力張拉下的彎曲承載性能；通過試驗現(xiàn)象預(yù)測了彎曲過程中索體內(nèi)部鋼絲粘滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律；分析了拉索各項參數(shù)對其側(cè)向彎曲剛度的影響

4、關(guān)系，提出并擬合了半平行鋼絲束有效彎曲剛度計算公式。
　　在拉索彎曲性能模擬方面：根據(jù)半平行鋼絲束和鋼絞線中鋼絲的排列和絞捻特點，提出采用沿螺旋線排列的梁單元模擬繞捻鋼絲，采用節(jié)點-剛臂組合等效各鋼絲截面和相鄰鋼絲之間的接觸摩擦作用的拉索半精細化有限元模擬方法，并依據(jù)不同拉索的繞捻特性分別建立了半平行鋼絲束和鋼絞線半精細化有限元模型。分別對兩種拉索進行彎曲模擬，并與試驗結(jié)果進行驗證，并揭示了拉索彎曲過程中拉索整體的變形特點及內(nèi)部鋼

5、絲軸力分布規(guī)律，提供一種能應(yīng)用于大截面、長尺寸拉索的彎曲及拉伸模擬方法，既能得到拉索整體及內(nèi)部力學(xué)性能變化，同時又能保證較少的計算需求和較高的計算效率。
　　在半平行鋼絲束斷絲研究方面：基于半平行鋼絲束截面收縮規(guī)律，推導(dǎo)出索體內(nèi)部任意鋼絲應(yīng)變與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系式并提出鋼絲軸力系數(shù)的概念。提出了拉索內(nèi)部鋼絲聯(lián)合工作模式和接觸擠壓力傳遞規(guī)律；建立了計算斷絲周圈摩阻力及斷絲內(nèi)力變化的迭代分析方法，并提出適用于半平行鋼絲束內(nèi)斷絲軸力恢復(fù)

6、長度計算的非線性積分方法；建立半平行鋼絲束對稱斷絲損傷模型，通過參數(shù)分析揭示了護套握裹力、鋼絲扭轉(zhuǎn)角、斷絲位置以及拉索截面尺寸等參數(shù)對斷絲恢復(fù)長度的影響規(guī)律。
　　建立了半平行鋼絲束對稱斷絲及非對稱斷絲半精細化有限元模型，并進行拉索對稱斷絲和非對稱斷絲模擬；通過不同位置斷絲及不同數(shù)量斷絲模擬研究了半平行鋼絲束內(nèi)斷絲軸力恢復(fù)長度、拉索整體變形特點以及內(nèi)部鋼絲內(nèi)力重分布規(guī)律，對比了不同位置鋼絲破斷對拉索各項力學(xué)性能的影響規(guī)律，分析結(jié)果