浙东沿海拱桥吊杆的疲劳损伤试验研究

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近些年来,国内外频繁发生拱桥吊索断裂及提前更换,这说明目前尚未建立对于吊索的损伤评估及剩余寿命预测的切实可行的理论和体系。沿海环境下的吊索在环境腐蚀和车辆荷载的共同作用下往往表现出耐久性不足的问题,本文以盐雾试验下的加速锈蚀钢绞线为试验对象,研究不同锈蚀率(锈蚀时间)下的钢绞线表现,并通过外观观测、静力拉伸试验、疲劳加载试验和有限元分析等一系列方法研究锈蚀钢绞线的锈蚀时变规律和疲劳性能,主要研究内容与结论包括以下几点:(1)钢绞线锈蚀时变模型试验研究。根据沿海环境与实验室环境下的锈蚀折算关系制备了盐雾加速锈蚀的吊索试件,分析了钢绞线的锈蚀率随服役时间的变化规律,并测量了不同锈蚀时间钢绞线的锈蚀坑的尺寸以及不同应力状态下的蚀坑尺寸。试验结果表明:钢绞线随时间的变化呈现不同的锈蚀规律,对于不同时段的无应力下的锈蚀钢绞线试验需要分段考虑。蚀坑的长度和深度随着时间的增加而增加,但蚀坑的宽度在4.9mm左右停止增长。应力张拉钢绞线的蚀坑尺寸较无应力下会有所增长,但需要考虑放置位置所带来的影响。(2)锈蚀钢绞线的静力拉伸性能研究。通过28根不同锈蚀钢绞线的静力拉伸试验,统计分析了拉伸断口、极限强度、屈服强度及断后延伸率随锈蚀率变化规律。试验结果表明:随着锈蚀时间的增加,钢绞线的拉伸断口由低锈蚀率下的延性断裂转换为高锈蚀率下的塑性断口;钢绞线的材料性能随着锈蚀率的增长显著下降,屈服强度与极限强度与锈蚀率之间能够很好的符合线性关系,但材料性能下降的速率大于其锈蚀率的增长速率。(3)沿海桥梁吊索锈蚀钢绞线疲劳性能试验研究。根据国内外文献及相关规范进行不同锈蚀率下的疲劳加载试验。通过研究锈蚀钢绞线的疲劳寿命及疲劳断口研究得到以下结论:蚀坑的出现导致钢绞线的疲劳寿命出现断崖式降低,且随着锈蚀程度增加,钢绞线的疲劳寿命继续降低,其疲劳寿命和锈蚀率之间的变化规律可通过三次多项式表示;通过观测疲劳断口发现在疲劳荷载的作用下,随着疲劳次数的增加,锈蚀钢绞线的中丝相对更容易破坏,最终表现为多根钢丝同时断裂失效。(4)钢绞线的有限元模拟。本文建立了钢绞线的Abaqus模型,验证不同接触状态的影响,并建立了带有蚀坑的钢绞线模型,通过Fe-safe获得了带有蚀坑的钢绞线模型的疲劳寿命,根据有限元分析结果,所得结论如下所示:蚀坑的出现使得钢绞线局部应力激增,其最不利位置由内部钢丝接触处转移至蚀坑所在位置的横截面处,从而导致钢绞线模型的疲劳寿命显著降低。
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