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基于平行钢绞线拉索精细化有限元模型的损伤特性研究毕业论文

 2020-02-17 12:02  

摘 要

随着现在斜拉桥的大量应用,作为斜拉桥最重要构件的钢绞线斜拉索的研究也取得了突出的进展。钢绞线拉索的损坏主要有两方面,一方面是是斜拉索的制造过程时由于原材料缺陷等造成的安全隐患,另外一方面由于恶劣环境条件对钢绞线拉索腐蚀造成的断丝,裂纹,坑蚀等现象。本文鉴于钢绞线内部受力因素复杂,基于前人的研究成果,将钢绞线拉索抽象为一根由六根钢丝饶捻中心钢丝而成的梁模型。

本文通过利用ANSYS软件创建精细化有限元模型对钢绞线斜拉索的抗弯特性以及断丝的特性做了深入的研究,主要内容如下:

本文的研究对象是七丝钢绞线拉索,因为有限元实体模型所需单元太多,这样计算分析过于复杂,为此,创建了七丝钢绞线索的精细化有限元梁单元模型,基于此模型的静力拉伸作用,位移以及应力的效果与参考的试验结果都比较接近,在模型建立的过程中加入了模型参数的定义,足以具有与实体模型可替代的作用。

本文主要分析了模型的抗弯特性。钢绞线主要应用于斜拉桥,斜拉桥一端虽然为铰接,但是不易转动,可认为是固定端,当加在钢绞线上动荷载时,很容易出现挠曲应力,产生的挠曲应力是造成钢绞线疲劳损伤的主要原因。通过研究温度,滑移,钢丝间的摩擦系数等对抗弯刚度的影响,为防止疲劳损伤提供了理论基础。

至于在抗弯特性模型基础上建立的断丝模型,是对真实断丝现象进行的仿真模拟,考虑温度荷载,摩擦系数和扭转角等对模型对称断丝和非对称断丝的影响,得出断丝处的应力值,分析其断丝特性。

关键字:钢绞线拉索;抗弯特性;断丝

Study on Damage Characteristics of Parallel Strand Cable Based on Fine Finite Element Model

Abstract

With the extensive application of cable-stayed bridges, the research of stranded cable as the most important component of cable-stayed bridges has also made outstanding progress. There are two main reasons for the damage of stranded cables. One is the hidden danger caused by the defect of raw materials in the manufacturing process of stranded cables. The other is the corrosion of stranded cables caused by bad environmental conditions, such as broken wires, cracks, pitting and so on. In view of the complex internal force factors of strand, based on the previous research results, the strand cable is abstracted as a beam model made of six steel wire twisting center wires.

In this paper, by using ANSYS software to create a refined finite element model, the bending characteristics and wire breakage characteristics of stranded cable are studied in depth. The main contents are as follows:

The research object of this paper is the seven-wire strand cable, because the finite element entity model is too complicated to calculate and analyze because of too many elements needed. Therefore, a refined finite element beam element model of seven-wire strand cable is established. The static tension, displacement and stress effects are close to the reference test results. Model parameters are added in the process of establishing the model. The definition of number is sufficient to play an alternative role to physical models.

This paper mainly analyses the bending characteristics of the model. Steel strands are mainly used in cable-stayed bridges. The anchor ends of cable-stayed bridges are generally fixed. When the dynamic loads are added to the steel strands, the flexural stress is easy to occur. The flexural stress is the main cause of fatigue damage of the steel strands. The influence of temperature, slip and friction coefficient between steel wires on bending stiffness is studied, which provides a theoretical basis for preventing fatigue damage.

As for the broken wire model based on the bending characteristic model, it simulates the real broken wire phenomenon. Considering the influence of temperature load, friction coefficient and torsion angle on the symmetrical broken wire and asymmetrical broken wire, the stress value at the broken wire is obtained and the broken wire characteristics are analyzed.

Key words: stranded cable; bending property; broken wiree

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 拉索抗弯刚度研究 1

1.2.2 拉索股丝间的滑移研究 2

1.2.3 拉索有限元模型研究 3

1.2.4 拉索疲劳损伤以及断丝特性研究 4

本文主要研究内容 5

第2章 七丝钢绞线索有限元模型的建立 6

2.1 ANSYS介绍 6

2.2模型建造过程 6

2.2.1几何模型的创建 6

2.2.2定义材料属性 7

2.2.3接触设置 8

2.2.4网格划分 8

2.2.5 求解设置 8

2.3 本章小结 9

第3章 七丝钢绞线拉索抗弯刚度研究 10

3.1 引言 10

3.2 七丝钢绞线索弯曲性能有限元分析 10

3.2.1七丝钢绞线索抗弯刚度的求法 10

3.2.2七丝钢绞线索抗弯刚度与位移荷载的关系分析 10

3.3 七丝钢绞线索抗弯刚度的影响因素分析 13

3.3.1 钢丝滑移与抗弯刚度的关系研究 13

3.3.2 温度对抗弯刚度的影响 13

3.3.3 钢丝摩擦系数对抗弯刚度的影响 14

3.3.4 斜拉索轴力对抗弯刚度的影响 15

3.4 本章小结 15

第4章 七丝钢绞线拉索断丝特性有限元研究 17

4.1 引言 17

4.2 七丝钢绞线索有限元模型断丝结果 17

4.2.1 七丝钢绞线断丝有限元模型介绍 17

4.2.2 七丝钢绞线索对称断丝有限元结果 18

4.2.3 七丝钢绞线索非对称断丝有限元结果 21

4.3 温度以及摩擦系数对七丝钢绞线断丝模型的影响分析 26

4.3.1 温度荷载对七丝钢绞线断丝的影响 26

4.3.2 摩擦系数对七丝钢绞线断丝的影响 28

4.4 本章小结 30

第5章 结论与展望 32

5.1 结论 32

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

钢绞线的定义:由多层钢丝绕中间一根钢丝转捻而成的钢丝束,同一个层面的转捻方向一致,相邻层面的转捻方向相反。这种具有多层钢丝,并且转捻方向相邻层-相反的设置有效的消除了拉索拉伸时因为旋转而出现的扭矩。一般来说,钢绞线的扭矩都相对较小,从而弹性模量较低,初次拉伸时钢绞线会出现不可逆转的伸长,各层钢丝也会出现压紧作用,因此,一般出厂时要对钢绞线进行预拉处理。随着近些年来,斜拉桥的不断发展,作为斜拉桥主要构件,被称为斜拉桥“生命索”的斜拉索的研究也越来越被重视。因为斜拉索主要由多层钢丝和中心钢丝组成,每根钢丝的机械性能和钢丝之间的相互作用也就决定了拉索整体的力学性能。一方面,我们将建立精细化有限元模型探究钢丝之间相互摩擦,滑移,材料性质等作用导致的钢绞线力学性能的变化;一方面我们将探究外在环境因素导致的钢绞线性能的变化。

国内规范中斜拉桥的设计使用年限为100年,但钢绞线斜拉索的使用年限远远小于斜拉桥的使用年限,这说明斜拉索很容易受到环境的影响发生力学性能的变化。一般来说,斜拉桥位于水面之上,受到的潮湿,温差等环境影响因素较多,拉索锈蚀,断丝导致的事故层出不穷。在1978~1982年期间,美国有50幢建筑因钢绞线腐蚀而发生事故;在1983年,Mianus Bridge以为斜拉索腐蚀坍塌发垮塌事故。国内,2002年四川宜宾小南门上的金沙江大桥,因为长时间的疲劳破坏以及吊杆被腐蚀,承载能力降低,从而坍塌,造成重大安全事故。

斜拉索的力学性能以及损伤特性的研究关系人民生命财产安全,对其的研究具有巨大的意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 拉索抗弯刚度研究

位于斜拉桥上的钢绞线,一般认为,其一端是斜拉索与锚具铰接,他们之间自由度大,可以自由转动,但是实际上,当轴力很大时,认为其为固定端。对另外一端施加位移荷载,可以将其抽象为一端固定,一端有位移的梁。国内外进行了大量探究钢绞线拉索抗弯刚度的研究。

2016年,浙江大学空间结构研究中心的陈冲,袁行飞,蒋淑慧以及梁笑天通过基于 Love曲杆理论建立了钢丝静力拉伸模型,再辅以单根钢丝力学平衡公式,推导出其扭矩,抗弯刚度,轴力等计算公式.利用 Fortran编写程序,研究钢丝转角.弹性模量、抗弯刚度等截面特性随轴力变化时的变化,实验结果得出以下结论:随着钢绞线总轴力增加,钢丝转角逐渐减小,钢绞线弹性模量和抗弯刚度逐渐增加;在外层钢丝螺旋角为0°即外层钢丝被拉直后,钢丝螺旋角和钢绞线弹性模量均不再变化;随着钢绞线总轴力进一步增加,钢丝半径和钢绞线抗弯刚度由于泊松效应影响而减小。

2013年,天津大学的武晓凤,利用震动频率法测的了拉索的频率,然后应用公式计算出拉索索力,发现其中的拉索抗弯刚度对索力影响很大。她采用简支梁跨中加载方案,通过测得索力在横向荷载作用下的位移,利用公式得到了抗弯刚度,然后利用Abaqus来分析影响拉索抗弯性能的因素得到一下一些结论: HDPE护套对拉索横向的位移承受能力有所帮助,护套先受力,然后钢丝再受力;拉索的抗弯刚度受到钢丝间摩擦系数的影响,随其增大而增大;抗弯刚度还受到捻距的影响,随其增大而增大;对拉索受力前进行预应力处理,也会使得拉索的抗弯刚度增大

Costello参考Love曲梁方程,通过研究钢丝内部间挤压,摩擦等作用来探究拉索的抗弯特性。他把钢丝绳内部的钢丝抽象作外部钢丝并列螺旋绕中心钢丝的简支梁,根据力学公式得出钢丝的内力公式[[1]]。Raoof通过对拉索进行弯曲试验,观察到钢索会在中性轴处出现滑移。

2015年,天津大学的余玉洁通过利用精细化有限元分析,进行了一下实验:将拉索作为圆柱钢梁试件,抽象为简支梁模型,在跨中施加集中荷载,运用力学公式利用位移反算出来抗弯刚度,如图:

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通过实验结果得出,拉索内部的钢丝的滑移,绕捻等相互作用会让拉索的整体抗弯刚度有所变化,当拉索内部钢丝之间没有滑移时,拉索的抗弯刚度达到最大值。

1.2.2 拉索股丝间的滑移研究

钢绞线拉索是由多股钢丝饶捻而成,他们之间通过挤压,摩擦用以维持力学平衡以及钢绞线拉索的安全性,一旦股丝之间遭受滑移,很可能导致钢绞线断裂,造成安全事故。研究拉索股丝间的滑移特性具有十分重要的意义,以下是研究人员在这方面做出的贡献。

2016年,重庆大学的陈原培认为,在荷载作用下,多钢丝在运动中必然会有股丝间的相对运动即滑移,股丝间的滑移会造成变形失谐现象,这将引起钢丝绳间的张力差,严重的话会引起钢丝绳断裂。他通过建立三角型和圆型绳有限元模型,通过有限元求解,对比分析两类绳股在不同荷载作用下整体力学性能的不同和股丝间接触性能的不同,得出三角股丝更容易滑移,他还借助共轭梯度法以及快速傅里叶变换等方法进行求解,发现了股丝间接触在应力最大处更容易滑移。同时,他分析了芯侧线接触变形及其他因素对股线的接触特性和轴向力学性能的影响,发现接触变形会导致大捻角绳股轴向拉伸和扭转刚度的减小。

2007年,中国矿业大学的张德坤,葛世荣提出钢丝间的微动磨损以及由此引起的疲劳断裂是导致钢丝绳断裂的主要原因之一,他们将钢丝绳作为实验对象,通过在实验室模拟股丝微动损伤随时间的变化,得出以下实验结论:微动时,股丝间的疲劳损伤随着时间的变化而变化,建立的钢丝接触有限元模型表明,微动损伤随着接触荷载的增大而增大,随着接触面积的增大而增大。

1.2.3 拉索有限元模型研究

拉索内部应力复杂,有股丝之间的摩擦力,挤压力,不能用传统的力学分析方法研究,通过借助有限元软件,建立钢绞线拉索有限元模型,可以解决这个问题。

2015年,天津大学余玉洁依据实际拉索内部股丝成螺旋型的特点,提出了附加“加载段”的改进型边界条件,运用ansys等有限元软件建立了七丝钢绞线精细化有限元模型。该模型比较全面地研究了预应力钢绞线的抗弯特性,滑移特性,以及环境条件,材料性质等对钢绞线性能的影响。为后来的研究提供了一条确实可行的方向。

1999年,Jiang建立了七丝钢绞线的有限元模型,他建立的模型设置了充分的边界条件以及精密的网格划分,通过模型的有限元分析,他得出股丝之间的摩擦力可以用于消除股丝间的滑移并且会产生附加的剪切应力,但是它几乎不对七丝钢绞线的整体行为产生附加的影响。

2000年,Nawrocki提出了一种简单的七丝钢绞线有限元模型,与实验以及理论数据相比,该模型被证明是可靠的。该模型可用于研究钢丝间的滑移,其对比分析了纯轴向荷载下和轴力和弯曲荷载下的接触作用变化,发现轴向荷载和弯曲荷载分别控制着侧丝的绕轴旋转和钢丝间的滑移,此外,数值试验表明,即使小幅的弯曲也能显著影响轴力的分布[[2]]。

2015年,中国建筑西北设计研究院的于岩磊,高维成通过工程设计常用的有限元仿真手段,借助ANSYS软件建模,建立了一个大跨斜拉网壳结构的有限元模型,通过这跟模型,他们对拉索的振动特性以及影响振动特性的因素进行了分析,他们建立的有限元模型,为后来的斜拉结构的设计研究分析提供了指导意见,为研究拉索的振动特性以及振动参数的抑制和控制提供了建设性的意见。

2015年,长沙理工大学的吴佳东通过利用ABAQUS软件的有限元部分功能,建立了钢绞线坑蚀的有限元模型,他通过这个模型,分析了钢绞线在坑蚀处的应力分布,得到了坑蚀处坑蚀参数与坑蚀处最大集中应力系数的变化关系图,并且他采用Paris公式定量地分析出了断裂钢丝的理论剩余寿命。他建立的有限元模型,丰富和完善了国内在研究钢绞线断丝,坑蚀状态下应力分析的不足。

1.2.4 拉索疲劳损伤以及断丝特性研究

斜拉索可以说是斜拉索上的生命线,一旦斜拉索断裂,那将造成无法想象的事故发生。斜拉索受到内部因素的影响或者外部环境的影响,一旦有了5%以上的钢丝断裂,那么就认为这条拉索失去了它的作用。近年来,世界范围内发生了许许多多因为钢绞线断裂导致的事故,研究钢绞线的断丝特性具有十分重要的意义。庆幸的是,国内外的研究学者对这方面做出了大量研究,为斜拉桥的发展作出了突出贡献。

钢绞线的日常损伤的原因有很多,损伤会造成钢绞线的寿命提前结束,严重时会发生断裂,造成突发性事故。

2013年,大连理工大学的韩基刚,通过对6根被腐蚀过的钢绞线进行疲劳弯曲试验,他们得出了钢绞线受到腐蚀作用后的疲劳寿命以及腐蚀钢绞线的应力应变变化规律。试验结果表示:钢绞线的疲劳损伤,钢绞线的被腐蚀率的增高以及加到钢绞线上的应力增量的变大都会提前结束钢绞线的理论疲劳寿命,他们用FBC传感器测出钢绞线的内力分布,并且做出与相关影响因素的变量关系图,得出钢绞线的最大应变增量以及残余应变具有明显的的三阶段特性,为带有钢绞线的预应力混凝土梁的耐腐蚀性性设计提供了参考。

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