高强钢丝及平行钢丝索腐蚀疲劳效应分析与损伤识别

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以平行钢丝索为代表的拉索和吊索被广泛地应用于斜拉桥和悬索桥中,作为斜拉桥和悬索桥的核心受力构件,拉索和吊索将桥面荷载传递给主缆和桥塔,保证了缆索承重桥梁的安全性。平行钢丝索的设计使用寿命为20年,但是许多平行钢丝索达不到该使用年限就退役了。现场调研发现:绝大部分平行钢丝索都受到腐蚀疲劳的影响而出现断丝。基于工程实际情况,首先从单根钢丝出发,研究了其在腐蚀影响下、腐蚀疲劳交替影响下和腐蚀疲劳耦合效应影响下的破坏机理。然后,基于单根钢丝的研究结果,研究了平行钢丝索在拉伸应力-弯曲应力-腐蚀疲劳作用下的破坏模式。最后,利用深度学习的方法对平行钢丝索的腐蚀疲劳断丝损伤进行了评估。本文采用由小及大、由点入面、由浅及深的方法,较为全面系统地研究了平行钢丝索腐蚀疲劳破坏模式及损伤状态。文章的主要研究内容如下:(1)针对高强钢丝在使用过程中由于腐蚀而发生性能退化的问题,开展了高强钢丝的加速腐蚀试验;针对腐蚀坑分布及大小的随机性,利用统计分析方法,分析了高强钢丝腐蚀坑的参数分布特征;利用万能试验机对不同腐蚀度下的钢丝做力学性能测试,得出了不同腐蚀度下钢丝的应力-应变曲线;通过Python和Abaqus建立了钢丝的随机腐蚀几何模型和不同腐蚀度下的材料模型,研究了腐蚀钢丝的断裂特征;根据试验与有限元分析的结果,提出了钢丝在不同腐蚀度下的破断力退化经验公式。(2)高强钢丝在使用的过程中经常发生腐蚀疲劳破坏,故开展了高强钢丝腐蚀疲劳交替试验。研究了钢丝在不同腐蚀间隔时间下的疲劳寿命;分析了腐蚀对钢丝疲劳断裂模式的影响;基于损伤力学理论计算了钢丝在腐蚀疲劳交替作用下的寿命。(3)由于腐蚀疲劳交替试验不能准确反映高强钢丝在腐蚀疲劳耦合效应下的破坏机理,开展了高强钢丝腐蚀疲劳耦合试验研究。分析了p H值、温度、加载频率、腐蚀液的浓度和应力比对钢丝腐蚀疲劳耦合效应的影响;建立了考虑腐蚀疲劳耦合效应的新理论-多阶段竞争辅助模型理论;阐述了该理论的具体内容以及参数的选择。该理论将腐蚀疲劳分为两阶段,在每一阶段中,高强钢丝腐蚀疲劳损伤演化由该阶段的主导因素控制,其他因素起辅助加速作用。在Abaqus中运用该理论实现了钢丝腐蚀疲劳断裂的全过程,并将计算结果与试验结果进行对比,验证了该理论的准确性。(4)针对平行钢丝索在使用过程中由于腐蚀疲劳耦合的作用而出现断丝的问题,开展了现场调研。研究了平行钢丝索破坏机理并提出了弯曲特征长度的概念;分析了平行钢丝索锚固区的应力分布以及不同位置处的腐蚀程度;提出了能考虑不同位置处腐蚀程度以及应力分布的空间纤维模型,通过试验和数值模拟研究了平行钢丝索的断丝效应。(5)基于深度学习理论提出了无监督学习的深度参比自编码卷积神经网络。该理论在网络训练时直接利用振动信号的互相关变换获得最优网络结构参数;在损伤评估时通过对损伤信号的特征提取输出神经元变化信息;利用指数加权移动平均控制图对神经元变化信息进行处理从而识别结构的损伤状态,并利用数值模拟与试验验证了该方法的正确性。本文的研究构成了一套用于分析平行钢丝索腐蚀疲劳失效和损伤状态评估的框架,可为工程设计者在缆索承重桥梁初始设计时提供相应的参考。
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