斜拉索腐蚀损伤与安全性能评定方法研究

摘要

对于现代斜拉桥梁来说，拉索系统是其主要承重构件，旧有的斜拉桥结构在使用过程中由于不利作用，受到应力和腐蚀等因素的影响，致使存在各种缺陷和损伤。大量事故表明，拉索的损伤通常会引起桥梁结构力学特性发生改变，进而影响到桥梁结构的安全性、耐久性以及使用寿命。故对损伤后的拉索进行安全性能评估尤为重要。
　　本文依托973计划前期研究专项课题“桥梁结构行为演化理论与安全监测方法研究”。本文首先介绍了拉索的损伤检测评估及安全性能等方面的现状，指出缆索高强钢丝破坏的主要形式是应力腐蚀及腐蚀疲劳破坏。对缆索高强钢丝的无应力、静态应力和交变应力三种受力方式进行酸性盐雾试验，研究受点蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳损伤后的拉索的损伤演化过程及安全性能。
　　①根据三种损伤状态，对镀锌钢丝进行酸性盐雾腐蚀试验，把钢丝损伤的过程描述为5个阶段:钢丝完好→钢丝镀锌层锈蚀、钢丝基质均匀锈蚀→钢丝基质轻微点蚀→钢丝基质大量坑蚀→钢丝发生应力腐蚀和腐蚀疲劳，并制定Ⅴ级腐蚀对应的腐蚀图例。对各级钢丝图像进行灰度分析，提出一种基于表层图像分析锈蚀拉索技术状况的评定方法。根据盐雾腐蚀试验及拉伸试验数据，选取数据相关性较好的腐蚀失重、抗拉强度及断后伸长率为特征参量，给出各级钢丝的级评定标准。
　　②建立了半球形的点蚀坑模型，计算了不同失重下的蚀坑深度，给出了点蚀坑腐蚀速率的计算公式。根据实验条件为参数，计算钢丝材料的断裂韧性KIC=117.6MPa√m，通过断裂韧性求得应力腐蚀强度因子阈值KISCC=46.8 MPa√m。最后根据损伤力学理论提出应力腐蚀损伤演化模型。根据应力强度因子准则，计算了当应力比R=0时的腐蚀疲劳裂纹扩展阈值△Kth=3.64 MPa√m。
　　③引入了等效裂纹深度的概念，根据等效裂纹深度计算等效应力强度因子。将钢丝裂纹的三维模型巧妙的转化为平面应变问题，采用直线外推法，用有限元软件ANSYS模拟不同蚀坑深度下裂纹尖端的应力强度因子值。并与理论计算值相比较。提出基于断裂韧性的剩余强度的计算方法，最后根据破损安全理论，给出腐蚀疲劳损伤的破损安全设计，并给出单根钢丝进行安全破损的评估流程。
　　④采用有限元模拟不同锈蚀程度下单根钢丝和整根拉索的锈蚀模型。结果表明:蚀坑深度越大，深坑底部应力集中系数越大。把整根拉索的锈蚀分为5级来模拟不同锈蚀程度对拉索应力的影响，最大等效应力出现在最外层钢丝之间的接触区域;随着腐蚀等级的提高，腐蚀拉索截面的应力整体提高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 材料腐蚀理论及评价方法

1．3 损伤拉索安全评估

1．3．1 拉索应力状态及腐蚀失效特点

1．3．2 拉索损伤及缺陷检测评估现状

1．3．3 拉索安全性能评估研究现状

1．4 本文研究的意义和主要内容

1．4．1 研究工作意义

1．4．2 本文主要内容

第二章 腐蚀损伤程度评价

2．1 拉索损伤状态

2．1．1 拉索材料腐蚀损伤

2．1．2 拉索应力腐蚀损伤

2．1．3 拉索腐蚀疲劳损伤

2．2 锈蚀钢丝评级

2．2．1 加速盐雾腐蚀实验介绍

2．2．2 钢丝锈蚀分级依据

2．2．3 基于实验现象的各级图例

2．3 基于表层图像分析的锈蚀拉索技术状况评定方法

2．3．1 灰度图像处理方法

2．3．2 基于灰度图像的评定标准

2．4 各级锈蚀钢丝实验结果

2．4．1 各级钢丝腐蚀失重

2．4．2 各级锈蚀钢丝的力学性能数据

2．4．3 各级钢丝的失重及力学性能参数

2．5 基于表层图像分析的锈蚀拉索技术状况评定方法流程

2．6 本章小结

第三章 损伤拉索安全性能评估

3．1 点蚀演化模型

3．1．1 蚀坑深度计算方法

3．1．2 点蚀演化速率

3．2 应力腐蚀演化模型

3．2．1 应力腐蚀的应力强度因子阈值

3．2．2 应力腐蚀演化速率

3．3 腐蚀疲劳演化模型

3．3．1 腐蚀疲劳裂纹扩展阈值

3．3．2 等效应力强度因子

3．3．3 腐蚀疲劳裂纹扩展速率

3．4 基于断裂韧性钢丝剩余强度评估方法

3．5 基于破损安全理论的安全性能评估

3．5．1 破损安全和损伤容限理论概述

3．5．2 破损安全设计

3．5．2 破损安全理论评估流程

3．6 本章小结

第四章 拉索腐蚀有限元模拟

4．1 单根钢丝有限元模拟

4．1．1 应力集中系数计算方法

4．1．2 模型建立

4．1．2 蚀坑应力集中系数分析

4．2 整根拉索有限元模拟

4．2．1 模型建立

4．2．2 拉索整体模型应力图分析

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 进一步研究建议

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果