斜拉索内钢丝间弯曲滑移数值模拟与分析

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1、第一章绪论第一章绪论1．1本课题研究背景作为斜拉桥的主要承重构件，斜拉索对整个斜拉桥的结构刚度和经济合理性起着重要的作用。但是近年来我国一些斜拉桥在桥梁设计基准期内就发生频繁换索的现象【lJ，严重影响了在役斜拉桥的正常使用，并带来了巨大的经济负担，凸显出斜拉索耐久性问题的重要性。斜拉索的耐久性问题虽然在近20年来受到世界范围内的重视，但相关理论研究进展仍比较缓慢。国内外的研究学者先后提出了理想柔性拉索【2】的静力学、动力学理论体系和“均匀弯曲刚度拉索”的弯曲分析理论。采用“均匀弯曲刚度”的假定对于整体计算的影响或许不大。但是实际工程中的斜拉索由于索体以及索塔锚固区、索梁锚固区的复杂性，

2、“均匀弯曲刚度”的假定在计算锚固区拉索的受力情况时会带来不可估量的误差，这种误差可能过高地估计了拉索的安全系数。但工程实际中斜拉索这种局部构件却总是先于主体构件的破坏，这种局部构件失效引起的“多罗米骨牌”效应可能会给桥梁的整体结构安全带来灾难性的毁灭。因此如何准确把握拉索在复杂应力状态下索体内部的受力情况对研究疲劳耐久性至关重要。斜拉索在锚固区或穿过索鞍的区段产生的弯曲应力集中是拉索疲劳破坏的首要因素【31，在全桥移动荷载、风雨振作用下拉索在锚固段还可能出现索内钢丝分层滑移【4】，这种分层滑移造成的索体截面刚度的反复突变加剧了弯曲应力场的准确计算的难度，但是弯曲滑移应力的研究又必须要考

3、虑这种非线性的影响。本文通过有限元数值模拟的手段对拉索局部受力以及内部钢丝相互作用机理进行基础性研究，并提出了简化分析方法，为本课题后续的深入研究奠定基础。1．2现代斜拉索的发展及使用现状1．2．1斜拉索技术发展历史概述斜拉索是斜拉桥的一个重要组成部分，桥跨结构的重力和桥上活载，绝大部分或者全部通过斜拉索传递到塔柱上。斜拉索在构造上可分为刚性索和柔性索两大类。刚性索(见图1．1所示)是由钢索外包预应力混凝土而形成的刚性构件，拉索少而集中，提高主梁刚度，减少高强度钢材用量是其显著的优点。而柔性索施工安装方便，大致有如下几种：封闭式卷制钢丝索(LockedCoilRope，简称LCR)、螺

4、旋形钢缆(SpiralRope，简称SR)、平行钢丝索股(ParallelWireStrand，简称PWS)、平行钢丝索(ParallelWireCable，简称PWC)、平第一章绪论行铜绞线索(ParallelStrandCable，PSC)。图11剐性索截面图FiglIThesectionofRigidcable在历史上，初始的斜拉桥曾经采用铁链、铁连杆来制作拉索，早期在斜拉桥上所采用的拉索，各国都有各自的特色。1955年建成的瑞典斯特罗姆逊(Stromsund)桥采用了封闭式旋扭钢缆绳作斜拉索，每道索由4根直径为88或66mm的封闭式旋扭铜缆绳组成。1967年原联邦德国波恩北(B

5、onnNord)桥是单索面封闭式旋扭钢缆绳。泰国曼谷的湄南河桥采用直径167mm的封闭式旋扭钢缆绳作斜拉索，它取消了梯形钢丝，167mm是当时世界上所用的最大直径钢缆。封闭式旋扭钢缆绳的核心部分由多层圆形铜丝组成，在它的外面有若干层梯形钢丝，再外面有若干层z形钢丝，z型钢丝彼此侧向紧扣，形成封闭状态。此种钢缆的截面紧密(空隙率最小，材料密度可以达到90％)，由于其构造紧密t表面封闭，因此运输、安装和防锈蚀都较为简便。虽然刚度大，但做成螺旋形后，也就具有做成曲线所需要的柔软性。图12为其横截面的一个实例，可以看出：相邻各层钢丝的旋扭方向是相反的。由于扭绞的关系，封闭式旋扭钢缆绳的抗拉强度

6、和弹性模量比平行钢丝索略低，截面空隙率一般仅010～O14。国@图l2封闭式旋扭铜缆FigI2Closedtwistedcable螺旋形钢缆(SpiralRope．简称SR)由各层圆形镀锌钢丝绕芯丝扭转而成。每相夹层的扭转方向相反，用以抵消张拉时的扭矩。螺旋形钢缆绳在全世界的斜拉索中不是第一章绪论3主流，但在英国得到了宠爱，1966年建成的瓦伊(Wye)桥有4道斜拉索，每道用了20根直径为64mm的螺旋形钢缆绳捆扎成束通过塔顶的鞍座。1971年建成的爱尔斯金(Erskine)桥也有4道斜拉索，每道由24根直径为76mm的螺旋形钢缆绳(含178根05mm钢丝)组成。这些桥的斜拉索因遭受腐

7、蚀，已经换过索。螺旋形钢缆截面的空隙率，一般达到0．23"一0．25，属于柔性索，虽然易于架设，但因其抗拉强度和弹性模量由于扭绞的关系有所降低。平行钢丝股索(ParallelWireStrand，简称PWS)是将一定根数(19、37、61、91、127⋯)的镀锌钢丝平行的捆扎成股，钢丝顺直无扭转，股索的截面为六边形。PWS索的弹性模量与单根镀锌钢丝相同，可达到196kN／mm2。大型的PWS索有时直接单独用作斜拉索，但大多数的情况是每根斜拉索由