摘 要

斜拉桥发展历史只有半个多世纪，自诞生以来因为自身的结构形式简单稳定、建设跨度大、施工简便等优点在世界各地广泛建设。斜拉桥在艰险地形所体现的优势使得我国斜拉桥的建设数量也越来越多。随着建设数量的增加，斜拉的一些问题也逐渐显现出来。斜拉索在整体结构中属于主要承载构件，因此本文重点探究斜拉桥拉索的腐蚀疲劳问题。斜拉索腐蚀疲劳严重后必须进行换索，频繁的换索也给斜拉桥的维护和使用带来了诸多不便。

本文结合斜拉桥拉索的设计使用寿命和更换时间相差过大的实际情况，通过建立武汉某斜拉大桥的有限元模型并使用ANSYS有限元分析软件施加风荷载、车荷载、风-车联合作用进行瞬态分析，提取典型斜拉索的应力时程反应数据并由此得到单根拉索钢丝的受力状态。然后使用ANSYS workbench建立带点蚀坑的钢丝模型，分析钢丝在车载、风载及风-车联合作用下的力学性能，得到点蚀钢丝的腐蚀寿命；再在有限元软件中建立含初始裂纹的钢丝有限元模型，得到钢丝的裂纹扩展寿命，从而得到拉索钢丝的腐蚀疲劳总寿命。

裂纹扩展对于腐蚀疲劳总寿命的影响远远弱于点蚀坑。相同长度情况下，中跨斜拉索的单根钢丝寿命长于边跨。而拉索的长度越短，其腐蚀疲劳寿命越长。

关键词:斜拉索；腐蚀疲劳寿命；点蚀坑；初始裂纹；有限元

Abstract

Cable-stayed bridge has only developed for more than half a century. Since its birth, it has been extensively constructed around the world due to its advantages of simple and stable structure, large construction span and simple construction. The construction of cable-stayed Bridges in China is increasing because of the advantages of cable-stayed Bridges in difficult terrain. With the increase of the number of construction, some problems of slanting are emerging. The cable is the main bearing member in the whole structure, so this paper focuses on the corrosion fatigue of the cable of cable-stayed bridge. After serious corrosion fatigue, the cable must be replaced, and frequent cable replacement has brought many inconvenience to the maintenance and use of cable-stayed bridge.

This paper combines the actual situation of the design service life and replacement time of cables of cable-stayed bridges, sets up the finite element model of a cable-stayed bridge in Wuhan and uses ANSYS finite element analysis software to apply wind load, vehicle load and windmill combined load. Transient analysis was performed to extract the stress-time history data of a typical stay cable and to obtain the stress state of a single cable wire. Then use ANSYS12.0 workbench to establish a steel wire model with pitting pits, analyze the mechanical properties of the steel wire under the combined action of vehicle load, wind load and wind-vehicle, and obtain the corrosion life of the pitting steel wire; then establish the initial value in the finite element software. The finite element model of the cracked steel wire obtains the crack growth life of the steel wire, thereby obtaining the total corrosion fatigue life of the cable wire.

The results show that the effect of crack propagation on the total life of corrosion fatigue is far weaker than pitting pits. With the same length, the single wire life of the midspan cable stays longer than the side span. The shorter the length of the cable, the longer the corrosion fatigue life.

Key words: cable stay; corrosion fatigue life; pitting pit; initial crack; The finite element

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2斜拉索腐蚀疲劳寿命研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3本文的主要研究工作 5

第二章 疲劳寿命的理论基础 6

2.1引言 6

2.2有关疲劳的理论分析 6

2.2.1基本概念 6

2.2.2拟合试件疲劳寿命的S-N曲线 7

2.2.3 S-N曲线弹性阶段进阶研究——累积损伤 9

2.3平行钢丝拉索的腐蚀损坏原理 10

2.3.1应力疲劳 10

2.3.2气相与液相腐蚀 11

2.3.3点腐蚀坑模型描述的拉索腐蚀机理 12

2.4裂纹的理论基础 13

2.4.1实际应用中的裂纹 13

2.4.2裂纹的尖端弹性力学分析 13

2.5疲劳寿命的理论基础 14

2.5.1点蚀坑疲劳寿命计算模型 14

2.5.2裂纹扩展疲劳寿命计算模型 16

2.6本章小结 17

第三章 斜拉桥的风-车荷载分析 18

3.1引言 18

3.2建立桥梁的模型 18

3.3桥梁模型的自振特性分析 20

3.4斜拉桥承载中的风荷载 22

3.4.1脉动风场的建立——谐波叠加法 22

3.4.2 风荷载的计算和施加 24

3.4.3 风荷载作用下的拉索应力时程反应 30

3.5疲劳车荷载影响下的斜拉索 32

3.5.1标准车载和相应参数的取值 32

3.5.2车辆荷载模型化 32

3.5.3拉索在随机车流荷载影响下的疲劳 33

3.5.4 车荷载作用下斜拉索的应力时程反应 34

3.5.5 风-车联合作用下斜拉索的应力时程反应 38

3.6本章小结 39

第四章 拉索钢丝的疲劳寿命分析 40

4.1点蚀坑模型的建立 40

4.2 对点蚀坑周围应力的分析 40

4.3模拟结果分析 41

4.3.1 车载对点蚀坑钢丝的力学性能影响 41

4.3.2 风载对点蚀坑钢丝的力学性能影响 42

4.3.3 风-车联合作用对点蚀坑钢丝的力学性能影响 44

4.4 裂纹扩展模型分析 45

4.4.1模型的建立 45

4.4.2拉索剩余疲劳寿命的研究 46

4.5本章小结 48

第五章 结论与展望 49

5.1 主要结论 49

5.2 展望 49

参考文献 50

致谢 51

第一章 绪论

1.1研究目的及意义

斜拉桥又称为斜张桥，斜拉桥的主要受力构件有斜拉索、桥塔、主梁。其中斜拉索将主梁及桥塔连接起来，是斜拉桥的主要受力构件。从结构体系来讲，由于拉索代替支墩，可以将主梁视为多跨连续梁，变相的将连续梁的支撑由下部承压桥墩变为上部受拉斜拉索（钢索），拉索又将荷载传递至桥塔，即将简支梁桥各个桥墩承压集中到一处桥塔。由此可见，斜拉桥是一种简支梁桥的“变种”。斜拉桥具有跨越能力大（200~800m的经济合理适用跨径范围）、建筑高度小（高度通常为跨径的1%~2%，既有利于桥下净空需求又能充分降低引道填土工程量）、受力合理、设计多样性强、施工安全方便、刚度大和桥型美观等优点，所以在桥梁建设中越来越多的地区选择斜拉桥。从世界上第一座斜拉桥在上个世纪50年代在瑞典落成以来，斜拉桥的建设进入了蓬勃发展的时代，截至2015年，全世界范围内建设的斜拉桥已经超过了600座。对于我国来说，20世纪70年代以来是我国斜拉桥建设和发展的黄金时期。在21世纪到来之前，我国已经建设了超过100座斜拉桥，而且目前我国的斜拉桥总数量（已建成或正在建设）已经占到了世界上总数量的三分之一，超越了200座的数量大关。尤其是在斜拉桥的跨径上，我国大跨径混凝土斜拉桥建设技术领先世界，例如苏州——南通长江大桥（世界最大跨径斜拉桥）其主跨径将近1100m。

但是随着斜拉桥的迅猛发展，斜拉桥在各方面所存在的问题和隐患也越来越突出，其材料和桥身的安全性、耐久性更是学术界一直重点研究和关注的方面。在斜拉桥的所有安全和耐久问题中，斜拉索是最为关键的部分。因为斜拉索被视为斜拉桥的核心受力和组成部分，而且对于一座桥来说，斜拉索的受力是整体平衡的，一旦有一根斜拉索出现了问题都会导致整座斜拉桥的毁灭性崩塌。简单来说，斜拉索决定了斜拉桥的使用和寿命。而在众多因素中，斜拉索的腐蚀是对斜拉索寿命影响最大的因素。斜拉索的腐蚀严重后会使承载能力的急剧下降，进而威胁斜拉桥的整体安全。因此桥梁的管理单位必须定期检查和更换斜拉索。长此以往带来人力、管理、材料资源的成本非常高昂，违背了斜拉桥建设的初衷——高效经济的便捷出行。目前大部分斜拉桥又位于崇山峻岭或者江河湖之上，桥所处的自然环境也就非常复杂，加之斜拉索承受着对其承载性能很不利的交变荷载，会对斜拉索的腐蚀产生非常不利的影响，换索操作也因此具有非常大的难度系数，由此也会产生更加高昂的成本。而且由于斜拉索本身承受非常大的应力，在换索时必须要注意安全，否则巨大的应力会对操作人员和设备造成毁灭性的打击和破坏。桥梁管理单位为了保证桥梁安全使用往往没有利用尽斜拉索的使用寿命就提前换索，这会造成很大的浪费，因此对于斜拉索在交变荷载作用下的承载能力分析以及剩余疲劳寿命的评估具有非常重要的实际应用意义。

1.2斜拉索腐蚀疲劳寿命研究现状

1.2.1国外研究现状

材料和构件在自然环境中在自然因素（风雨、雷电、沙尘等）的长期反复作用下发生性能变化的现象可以认为是腐蚀疲劳。

1906年Sperry和Diegl出版了关于黄铜季节性开裂的最早讨论，Sperry认为拉拔过程中的“重收缩”是产生的原因。1917年，Haigh观察到了应力腐蚀疲劳现象。

1921年Griffith提出构件出现裂纹时需要克服阻力（即表面能），即应力做功大于形成表面所释放出的表面能时，裂纹才会产生。这种提法虽然对脆性材料有很好的适用性，但对于金属材料就不太适用了。

1926年McAdam和Lehmann出版的论文中划时代的提出了“腐蚀疲劳”的概念。由此针对腐蚀疲劳的研究项目如雨后春笋般涌现出来。

20世纪50年代随着战后重建人们逐渐认识到腐蚀疲劳的严重性，于是“金属应力腐蚀开裂研究会”在1944年的美国费城由ASTM和AIME发起召开。会上结合Orawan和Irwin分别对Griffith理论的补充：Orowan指出裂纹的产生（应力做功）要克服裂纹产生释放的阻力（表面能）和塑形变形功；Irwin则表示后者才是主要需要克服的功且同时提出了能量释放率的概念。后来研究发现的裂纹尖端附近应力的奇异性证明了表面能和塑性变形功的存在。

1954年另外一个重要的研究会由电化学学会腐蚀分会组织召开，讨论了广泛范围内材料的应力腐蚀和电化学腐蚀。

1957年应力强度因子K作为一个研究和描述断裂问题的新的物理量被提出，为后来的Paris等人提出的Paris公式为描述裂纹在疲劳荷载作用下的扩展奠定了基础。由腐蚀疲劳的出现到重点研究解决经历了一个漫长的过程。

1987年美国人Stafford和Watson在亲自参观超过100座斜拉桥后在ASCE的刊物《Civil Engineering》（1988）上发表文章揭示了斜拉桥正因斜拉索腐蚀面临着危险的现状。H.R. Hamilton和S.C. Barton等开展了拉索在受到零负载和可变荷载作用下的人工加速腐蚀试验，探讨了拉索的全面腐蚀、腐蚀破裂、氢脆变化情况，获取了腐蚀和未腐蚀的拉索样品失重量、氢浓度、最终负载等方面的信息；K.Suzumura 等通过开展腐蚀试验，改变环境的湿度、温度以及NaCl的浓度等环境因素以确定影响镀锌钢丝腐蚀行为的环境因素；W.Liu 等提出采用时域反射计、连续声发射技术或磁流变传感技术测量拉索腐蚀的思路。但这些研究处于理论阶段，且应用领域过于局限。Keita和Shun.ichi将镀锌高强钢丝所处的可能环境划分为4类，并得到4种模拟拉索腐蚀环境中高强钢丝的腐蚀速率，没有考虑腐蚀介质与荷载作用的耦合作用。

1.2.2国内研究现状

河海大学的温文峰2008年在进行了不同环境下预应力高强钢丝的拉伸失效实验和疲劳断口的扫描电镜图片分析后得出了高强钢丝在空气中具有比腐蚀环境中更长的疲劳寿命。纯应力的疲劳会和腐蚀环境互相作用共同加速平行钢丝的损坏进一步加速裂纹的扩展速度。

重庆交通大学的梁雄2008年在实验室模拟拉索自然环境下的加速腐蚀实验，通过对实验数据的进一步分析建立了腐蚀拉索破坏准则为最大等效应力的寿命预测模型。梁雄所模拟的自然环境主要是针对重庆地区多雨雾的特点进行的酸雨酸雾加速腐蚀试验。

哈尔滨工业大学的李岩、吕大刚等2012年用数值模拟方法考虑斜拉索在随机荷载（包括风荷载和车荷载共同作用）下的应力谱分析，并由此得出了拉索应力谱在复杂动力作用的计算方法。

重庆交通大学的李涛2014年研究了腐蚀效果和应力综合作用影响下的平行钢丝斜拉索的疲劳损坏现象，研究了现象背后的机理发现：无论是受力状态还是不受力状态，构件的材料特性—弹性模量对腐蚀时间的变化并不敏感。同时发现，受力状态越简单甚至不受力的构件越不容易在环境中遭受腐蚀。

重庆交通大学的钟力2014年对受力和腐蚀环境共同作用的平行钢丝拉索的损坏现象进行了研究，发现在化学腐蚀、物理腐蚀、疲劳腐蚀三种损坏状态的钢丝破坏过程分为5阶段：试件完整→试件镀层腐蚀、基质均匀腐蚀→试件基质出现点蚀坑→试件基质点蚀坑大量出现→试件出现物理腐蚀和疲劳。

南京林业大学的侯晓旦2015年用类似于钟力和梁雄的人工加速模拟腐蚀的试验，研究了点蚀坑三维参数的模型并且成功运用于剩余疲劳寿命的预测，但是实际中的斜拉索腐蚀疲劳剩余剩余寿命并不是恒幅作用下所求出的剩余寿命。

浙江大学的李晓章谢旭和潘骁宇等2015年对服役钢丝进行拉伸和疲劳试验，对数据进行了精细有限元分析，得到结论：影响钢丝强度的机理是锈蚀带来的截面积减少进而引发截面不同最后导致的塑性发展不均匀。

武汉理工大学的查大奎2016年研究得出，较大的风荷载对结构位移的影响非常显著；拉索应力谱受抖振力的作用明显，且对短索的影响较小，所以短索的疲劳损伤最小；全部拉索疲劳可靠度都满足要求值，均处于安全使用寿命内。

哈尔滨工业大学孙文2016年研究统计发现镀锌钢丝平均腐蚀深度与实际腐蚀尺寸之间不存在明确的函数关系，所以用平均腐蚀度作为钢丝的力学性能的评判标准会造成误差。点蚀坑深度相同时，钢丝疲劳寿命随腐蚀坑长度的减少而减少；当点蚀坑长度相同时，钢丝的疲劳寿命随点蚀坑深度减少而增加。

重庆市拉索腐蚀管理中心的牟献良,田月娥,文邦伟在石门大桥换索作业中对拉索腐蚀的原因进行了分析，并且针对各个原因提出了相应的解决措施，并对斜拉索进行了疲劳寿命预测。

浙江大学的郑祥隆谢旭和李晓章等2017年根据试验结果建立了钢丝裂纹扩展的三参数模型，并且预测钢丝的疲劳寿命。提出了裂纹扩展模型与对初始裂纹深度的假设，该模型可以较好的拟合钢丝疲劳试验的离散性。

李涛，吴甜宇等人在进行雾化加速腐蚀实验后统计了各个承载过程中钢丝力学性能的变化。通过开展室内盐雾加速腐蚀试验，统计各种应力状态下腐蚀钢丝的腐蚀失重量及弹性模量、抗拉强度等力学性能的变化，总结出了疲劳腐蚀对断后伸长率最敏感的结论。

1.3本文的主要研究工作

本文对于拉索在应力疲劳和腐蚀介质共同作用下的剩余疲劳寿命有了一定的了解。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：