悬索桥主缆钢丝动态接触与滑移行为研究

发布时间：2020-11-19 23:21

　　 大跨度多塔悬索桥广泛应用于跨江、跨海桥梁建设,主缆是其关键承载部件。主缆弯曲绕过主索鞍(悬索桥主缆危险位置),主索鞍两侧主缆张力差导致主缆索股间和钢丝间的动态接触和“分层滑移”,索股与鞍槽、隔板之间的动态接触和微滑移现象。当主索鞍两侧主缆张力差足以克服主缆-主鞍座总摩擦力时,主缆-主鞍座易发生打滑事故,进而引发悬索桥结构失稳甚至倒塌事故。因此,研究悬索桥主缆钢丝动态接触与滑移行为至关重要。本文通过构建索股-索鞍三维接触有限元模型,获得了索股与隔板、索鞍之间的接触和滑移参数范围;研制了钢丝动态接触与滑移试验台,开展了钢丝与钢丝、隔板和索鞍材料之间的动态接触和滑移实验,通过实时原位观测揭示了其动态接触和滑移特性(接触状态、滑移曲线、滑移量、摩擦系数等)及其受到接触滑移参数(滑移幅值、接触位置、循环周次、载荷和材料等)的影响规律。结果表明:钢丝与钢丝、隔板和索鞍材料在一个周期内接触状态为:黏着-完全滑移-黏着-完全滑移;随着到接触界面距离的减小、循环周次的增加以及逆着上钢丝运行方向,下钢丝、隔板和索鞍的横向滑移量和纵向变形量逐渐增大;随着滑移幅值的增加,下钢丝的横向滑移量先减小后增大,纵向变形量增大;随着载荷的增加,下钢丝的横向滑移量和纵向变形量逐渐增大。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：U448.25
【部分图文】：

1绪论11绪论1Introduction1.1课题来源（Sourceofsubject）本课题来源于国家自然科学基金面上项目“大跨度多塔悬索桥主缆服役安全性评估方法研究（51875565）”1.2研究背景及意义（Backgroundandsignificance）悬索桥是一种利用主缆和吊索作为加劲梁的悬吊体系，将荷载作用传递到索塔和锚碇的桥梁，其主要结构包括主缆、索塔、锚碇、吊索和加劲梁等。现代悬索桥具有跨越能力大、受力合理、能最大限度发挥材料强度、造价经济等特点，成为跨越千米以上障碍物最理想的桥型[1-3]。图1-1为悬索桥示意图[4-6]。国内已经建成的三塔两跨悬索桥有泰州长江大桥、马鞍山长江公路大桥、武汉鹦鹉洲长江大桥等，均说明正在涌现出建设多塔悬索桥的高潮，多塔多跨悬索桥成为桥梁工程领域内最重要的研究课题之一。图1-1悬索桥示意图Figure1-1Schematicdiagramofsuspensionbridge主缆是悬索桥的主要承重结构，主缆以索塔、散索鞍支墩为支撑，两端锚固于锚碇或梁端，除承受自身恒载外，加劲梁的恒载和活载通过索夹和吊索传递至主缆。此外，主缆还承受一部分横向风载荷，并将它直接传递至索塔顶部，是全桥结构受力的生命线，一旦失效断裂，整个桥梁都将处于极度危险的状态[7-10]。主缆的外围轮廓基本为六边形，每根主缆由多根索股组成，每根索股又由多根平行钢丝绞制而成，中间放置在索塔顶部的鞍座上，如图1-1中放大位置所示，索

1绪论3尺度，然后基于该尺度考虑界面的相互作用特征。从宏观、微观和纳米尺度的角度来看，界面摩擦经历了从宏观界面的机械作用到微观界面的黏着、剪切作用，再到原子级界面的离散作用[23]。PeterBlau[24]区分了三种不同的界面尺度，如图1-2所示。图1-2界面尺度示意图Figure1-2Schematicdiagramofinterfacescale在尺度Ⅰ中，由分子力产生的界面相互作用成为摩擦的主要起因。它是指分子和原子直接与一个理想(原子级)光滑的晶体表面相对滑动而产生的摩擦，该尺度下的界面摩擦是研究摩擦的分子本源和微观机制的理想状态。在尺度Ⅱ中，由于固体接触表面的相互运动在界面上产生剪切应力，导致界面的弹塑性变形或者磨损，周围的介质对其摩擦磨损不可忽略。摩擦的起源主要与表面粗糙度的存在有关，涉及粗糙峰的啮合、变形、黏着、剪切和犁沟等。界面裂纹的形成和拓展，磨屑的产生、迁移和积聚的行为都属于该尺度下界面摩擦的研究范畴[25]。针对不同的摩擦系统要根据工程应用选择最合适的研究尺度，不同尺度的界面现象也不同，在微观尺度上，主要通过扫描电镜来研究磨损机理，能进一步地观测磨粒的实时产生过程[26]。龚中良[27]建立界面摩擦系统动力学模型，并利用原子力显微镜测试不同材料界面摩擦条件下的黏滑行为特征，探讨摩擦系统内外因素对黏滑频率和幅值的影响。由于滑动摩擦表面的接触都是粗糙表面间的接触，实际接触只发生在摩擦面较高的微凸体上，使得真实接触面积仅是名义接触面积的很小一部分[28]。研究滑动摩擦表面间的真实接触特性对分析其摩擦、磨损、润滑和传热等性能有着重要作用。魏龙等[29]依据分形理论，考虑微凸体变形特征及摩擦作用的影响建立滑动摩擦表面接触力学模型，得出滑动摩擦表面间的真实接触面积函数

及主缆与隔板之间的接触载荷及滑移参数，为后续的实验提供数据支撑。 2.2 主缆的结构（Structure of main cable） 主缆置于索塔顶部的鞍座上（见图 1-1），是悬索桥的主要承重结构。主缆内部索股间通过隔板隔开，顶部用填块填充。本文以泰州长江大桥参数为例开展下文的计算，该桥采“三塔两跨”悬索桥桥型方案，如图 2-1 所示，其中主跨为2×1080m，桥跨布置形式为：390+1080+1080+390m，是世界上悬索桥的最大跨度。该桥主缆的索股使用平行钢丝预制，每根主缆中含有 169 根索股，每根索股中含有 91 根直径为 5.2mm 的镀锌高强度钢丝，索股经过张紧形成的主缆截面结构如图 2-2 所示，图 2-2a 为主缆挤圆后截面，图 2-2b 为其中一股索股的截面图。
【参考文献】

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本文编号：2890581