基于拉索半精细化有限元模型的拉索弯曲及断丝研究

摘要

预应力结构自引入我国之后得到了飞速发展，各类桥梁以及房屋建筑领域的预应力结构有些已服役数十年。而在服役期间环境侵蚀、材料老化等人为或自然等灾害因素将不可避免地导致拉索这一关键构件的损伤累积和抗力衰减，索体的健康工作和寿命等方面的研究逐步受到广泛关注。本文对建筑结构中常用拉索的基本力学性能、弯曲承载性能、索体内部钢丝相互作用规律及拉索断丝退化等性能开展了系统深入的分析研究，取得了一些具有科学意义和参考价值的研究成果：
　　在钢绞线精细化模拟方面：依据实际拉索内部钢丝螺旋向牵引的特点提出了附加“加载段”的改进型边界条件，采用显示有限元分析软件建立了七丝钢绞线精细化有限元模型；研究了钢绞线张拉过程中钢丝间接触应力的变化、接触摩擦的影响、钢丝的弹塑性发展和不同加载边界的影响；进行了钢绞线在自由弯曲和约束弯曲状态下的模拟，研究了弯曲过程中钢丝内力和局部接触内力的变化规律；并论证了预应力水平、接触摩擦力以及弯曲程度对钢绞线侧向承载性能及弯曲刚度的影响规律。从索内钢丝力学性能的角度系统的掌握钢绞线轴向拉伸及弯曲性能，为预应力结构中钢绞线的精细化分析及设计提供基础。
　　拉索内部钢丝的绞捻特性以及钢丝之间的滑移等相互作用使得其整体抗弯刚度具有变化特性。因此本课题对结构工程中常用的拉索：半平行钢丝束、钢绞线束和高钒索进行弯曲加载试验，测定了结构常用索在端部自由、端部焊接以及不同程度预应力张拉下的弯曲承载性能；通过试验现象预测了弯曲过程中索体内部钢丝粘滑状态转变规律；分析了拉索各项参数对其侧向弯曲刚度的影响关系，提出并拟合了半平行钢丝束有效弯曲刚度计算公式。
　　在拉索弯曲性能模拟方面：根据半平行钢丝束和钢绞线中钢丝的排列和绞捻特点，提出采用沿螺旋线排列的梁单元模拟绕捻钢丝，采用节点-刚臂组合等效各钢丝截面和相邻钢丝之间的接触摩擦作用的拉索半精细化有限元模拟方法，并依据不同拉索的绕捻特性分别建立了半平行钢丝束和钢绞线半精细化有限元模型。分别对两种拉索进行弯曲模拟，并与试验结果进行验证，并揭示了拉索弯曲过程中拉索整体的变形特点及内部钢丝轴力分布规律，提供一种能应用于大截面、长尺寸拉索的弯曲及拉伸模拟方法，既能得到拉索整体及内部力学性能变化，同时又能保证较少的计算需求和较高的计算效率。
　　在半平行钢丝束断丝研究方面：基于半平行钢丝束截面收缩规律，推导出索体内部任意钢丝应变与轴向应变之间的关系式并提出钢丝轴力系数的概念。提出了拉索内部钢丝联合工作模式和接触挤压力传递规律；建立了计算断丝周圈摩阻力及断丝内力变化的迭代分析方法，并提出适用于半平行钢丝束内断丝轴力恢复长度计算的非线性积分方法；建立半平行钢丝束对称断丝损伤模型，通过参数分析揭示了护套握裹力、钢丝扭转角、断丝位置以及拉索截面尺寸等参数对断丝恢复长度的影响规律。
　　建立了半平行钢丝束对称断丝及非对称断丝半精细化有限元模型，并进行拉索对称断丝和非对称断丝模拟；通过不同位置断丝及不同数量断丝模拟研究了半平行钢丝束内断丝轴力恢复长度、拉索整体变形特点以及内部钢丝内力重分布规律，对比了不同位置钢丝破断对拉索各项力学性能的影响规律，分析结果为拉索退化性能研究及损伤评估提供依据。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 拉索的分类

1.3 拉索基本力学性能研究

1.4 拉索力学性能退化研究

1.5 本文主要研究内容

第二章 七丝钢绞线拉伸及弯曲作用精细化有限元分析

2.1 引言

2.2 基于ANSYS-DYNA的改进七丝钢绞线有限元模型

2.3 七丝钢绞线轴向张拉过程模拟

2.4 七丝钢绞线弯曲过程模拟及侧向刚度变化

2.5 本章小结

第三章 结构拉索抗弯刚度试验研究

3.1 引言

3.2 拉索弯曲性能试验

3.3 试验结果分析

3.4 本章小结

第四章 半平行钢丝束半精细化有限元模型及弯曲模拟

4.1 引言

4.2 半平行钢丝束简化有限元模型

4.3 半平行钢丝束半精细化有限元模型

4.4 半平行钢丝束弯曲过程的半精细化有限元模拟

4.5 本章小结

第五章 钢绞线（高钒索）半精细化有限元模型及弯曲模拟

5.1 引言

5.2 钢绞线简化有限元模型

5.3 钢绞线半精细化有限元模型

5.4 本章小结

第六章 半平行钢丝束对称断丝效应理论研究

6.1 引言

6.2 断丝恢复长度理论计算模型

6.3 半平行钢丝束对称断丝效应分析

6.4 本章小结

第七章 基于半精细化有限元模型的断丝效应研究

7.1 引言

7.2 半平行钢丝束半精细化有限元断丝模型

7.3 半平行钢丝束对称断丝模拟

7.4 半平行钢丝束半精细化有限元非对称断丝模拟

7.5 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 本文结论

8.2 研究展望

参考文献

发表论文和科研情况

致谢