基于应力强度因子的自锚式悬索桥吊杆疲劳计算分析

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悬索桥是以悬索为主要承重结构的桥梁类型,其中吊杆是连接主缆和加劲梁的关键部位,吊杆在使用过程中,易受周边恶劣环境及温度的影响发生腐蚀劣化而产生裂纹,吊杆长期承受车辆荷载和风荷载,在交变荷载作用下吊杆容易产生疲劳问题。随着悬索桥数量的增加,吊杆疲劳问题也日益严峻,所以有必要针对吊杆的疲劳问题进行相关分析。本文以南京夹江大桥为工程背景,对自锚式悬索桥吊杆的疲劳问题进行了相关分析。本文介绍了确定空间缆索自锚式悬索桥合理成桥状态的确定方法,然后以夹江大桥为背景,确定了桥梁的合理成桥状态,并对其受力的合理性进行了验证;其次,结合相关规范及交通量数据,利用相关辅助软件计算确定了吊杆的疲劳应力谱;然后,对疲劳寿命影响参数进行了敏感性分析;将基于Kelvin基本解的样条虚边界元法结合位移外推法计算应力强度因子的方法从平面推广到三维,利用此法计算了吊杆的应力强度因子,并利用ABAQUS软件对计算结果的精度进行了验算;阐述了计算无初始裂纹吊杆疲劳寿命的名义应力法和计算有初始裂纹吊杆疲劳寿命的断裂力学法;最后,利用ABAQUS软件的XFEM功能对具有初始裂纹吊杆的裂纹扩展进行了模拟分析。研究表明:合理成桥状态吊杆力的计算值与设计值两者较为接近,结构受力合理,所述合理成桥状态确定方法较合理;计算分析发现应力强度因子对疲劳寿命的影响较大;计算得到的应力强度因子与利用大型通用有限元软件ABAQUS计算的结果误差较小,验证了基于Kelvin基本解的样条虚边界元法结合位移外推法的适用性与精度;通过查阅文献发现无初始裂纹下吊杆疲劳寿命在设计使用年限内可认为是无限的;介绍利用断裂力学计算疲劳寿命的方法时,受实验条件限制,未能对方法进行实例计算;吊杆的应力在裂纹处出现应力集中现象,当裂纹扩展时,受裂纹的影响,吊杆受力会产生偏心。
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