拉索钢丝多蚀坑应力强度因子及剩余寿命研究

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索支承桥梁凭借其超大跨越能力、结构受力合理、造型美观等优点,在我国交通基础设施建造中被大量应用。拉索是索支承桥梁中的重要构件,受安装条件、运营状态和大气环境等诸多方面因素的影响,拉索钢丝在服役早期往往就遭受了锈蚀损伤,使得其安全运营寿命大大折减。由于钢丝材料的锈蚀过程难以避免,为了保障拉索构件的安全运营,需要深入研究锈蚀钢丝的剩余疲劳寿命。现阶段针对腐蚀钢丝剩余疲劳寿命的研究,通常采用最大单蚀坑简化假定,而实际拉索腐蚀钢丝中往往出现多个典型蚀坑相邻的情况,针对蚀坑群对钢丝剩余疲劳寿命的影响研究还不够深入,有必要加强相关的系统性研究工作。本文将多蚀坑等效为多裂纹,系统研究拉索钢丝多蚀坑群的应力强度因子,进一步对多裂纹钢丝剩余寿命进行了试验和仿真分析研究,可为腐蚀钢丝的剩余寿命预测提供参考。主要研究内容如下:(1)选择蚀坑宽度和蚀坑深度作为等效参量,将三维椭球形蚀坑和长槽形蚀坑等效为二维平面半椭圆形裂纹,运用有限元软件ABAQUS与FRANC3D联合仿真模拟,研究了双裂纹不同轴向与周向距离、三裂纹与四裂纹不同轴向距离、不同裂纹尺寸下的尖端应力强度因子的影响规律。(2)在多裂纹钢丝应力强度因子分析的基础上,结合线弹性断裂力学方法,计算锈蚀钢丝多裂纹群分布情况下的扩展寿命,为多裂纹钢丝试件的疲劳寿命试验提供基础理论数据参考。(3)进行了多裂纹钢丝疲劳寿命试验,分析了多裂纹钢丝断裂面纹理和剩余疲劳寿命分布情况,研究了多裂纹对锈蚀钢丝剩余疲劳寿命的影响。(4)分析试验数据与仿真计算数据之间的偏差,验证了仿真分析的可靠性;通过分析腐蚀钢丝的剩余疲劳寿命在多种不同蚀坑群参数下的差异,给出了适用的工程性结论,可为实际工程中的拉索锈蚀钢丝的剩余寿命评估提供参考。
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